книги / Материалы для сооружения газонефтепроводов и хранилищ
..pdfРис. 4. Схемы микроструктур сплавов:
а — механическая смесь компонентов А и В; б —твердый раствор компонентов
В н А
ные зерна. Твердый раствор однофазен и состоит из одного вида кри сталлической решетки. Он образуется на основе одного из компонентов, называемого металлом-растворителем. В кристаллическую решетку ме талла-растворителя входят атомы другого компонента, называемого ра створенным веществом.
Твердые растворы делятся на растворы замещения и внедрения в за висимости от характера размещения атомов растворенного вещества в кристаллической решетке растворителя (рис. 5). В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента В замещают частично ато мы кристаллической решетки компонента-растворителя А . В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента С внедряются в кристаллическую решетку компонента-растворителя А , располагаясь между атомами А. Твердые растворы замещения бьюают ограниченные и неограниченные. При неограниченной растворимости атомы растворителя А могут быть замещены атомами растворенного вещества В. Это воз можно, если оба компонента имеют одинаковые структуру и кристалли ческие решетки, малое различие атомных размеров компонентов, а так же близкие по строению и физической природе валентные оболочки атомов.
7 \ |
о А |
|
• В |
||
|
||
|
• С |
Рис. 5. Твердые растворы на основе металла с кристаллической решеткой ОЦК:
а — чистый металл; б — твердый раствор замещения; в —твердый раствор внед рения
11
Твердым раствором на базе химического соединения называют вещество, в кристаллической решетке которого могут находиться ато мы другого элемента, заменившего атомы одного из компонентов. Например, вместо Fe3 С будет (Fe, Mn)3 С.
Фазой называют однородную по химическому составу, кристалличе скому строению и свойствам часть системы, отделенную от других ча стей системы границей раздела. Фазами могут быть жидкий раствор компонентов сплава, их' твердый раствор, химическое соединение, крис таллы чистых компонентов. Системой называют совокупность фаз, нахо дящихся в равновесии при определенных внешних условиях (темпера тура, давление). Однофазной системой является, например,,однородный жидкий раствор компонентов (жидкость). Примером двухфазной сис темы может служить механическая смесь кристаллов двух компонентов. В качестве компонентов могут быть и устойчивые их химические соеди нения. Внутреннее строение металлов и сплавов характеризует микро- и макроструктура. Микроструктура - внутреннее строение металлов и сплавов, изучаемое под микроскопом при больших увеличениях (в 50 — 2000 раз). Она определяется формой и размером фаз, их взаимным рас положением. Макроструктура —внутреннее строение металлов и спла вов, изучаемое при небольших увеличениях с помощью лупы (до 10 -
30 раз) |
или невооруженным глазом (визуально). Она служит для опре |
деления |
различных дефектов металла, неоднородности его строения |
и т.д. |
|
Тип диаграммы состояния зависит от взаимодействия компонентов в жидком и твердом состояниях. Если система однокомпонентная, например чистый металл, то диаграмма состояния будет иметь одну ось ординат —шкалу температур. На ней будет нанесена одна точка, соответ ствующая равновесной температуре перехода из жидкого в твердое агре гатное состояние (и наоборот, из твердого —в жидкое) чистого металла Тп. Эта равновесная температура плавления определяется на кривой его охлаждения. Если в системе два компонента, то вторая ось —ось абсцисс будет шкалой концентраций сплава, так как диаграмму состояния двух компонентного сплава строят в двух измерениях (температура — кон-
а6
В,%
Рис. 6. Диаграммы состояния одно компонентной системы (а) и двух компонентной системы с неограни ченной растворимостью В и А в твер дом и жидком состояниях (б) :
L — жидкий раствор; CL — твердый раствор В в A; L + (X — двухфазная область; е — сплав заданной концен трации 25 %-ного В при данной тем пературе Тj
12
центрация). Эта диаграмма состояния сплавов имеет две вертикальные шкалы температур, соответствующие по концентрации первому А и вто рому В компонентам (рис. 6) . Каждая точка на диаграмме состояния ха рактеризует состояние сплава данной концентрации при данной темпера туре; каждая вертикаль — соответствует сплаву данной концентрации, рассматриваемому при различных температурах.
3. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-УГЛЕРОД
Диаграмма состояния железо—углерод (рис. 7) называется цементитной, так как предельное содержание углерода в сплавах ограничено 6,67 %. При этом содержании весь углерод находится в связанном со стоянии в виде устойчивого химического соединения —карбида железа F е>з С (цементита). Левая температурная шкала диаграммы состояния (ось ординат) соответствует на оси концентраций (ось абсцисс) содержа нию углерода 0%, т.е. чистому железу (первому компоненту), а правая температурная шкала — содержанию 6,67 % углерода, т.е. цементиту (второму компоненту).
Рис. 7. Диаграмма состояния железо —углерод:
Ж —жидкость; Ф —феррит; А —аустенит; П —перлит; Цj —цементит первичный; Z/JJ — цементит вторичный; Л — ледебурит; Д щ —цементит третичный; А у А2, А 3, А А ст —критические точки стали
13
Рис. 8. Кристаллические решетки цементита (а ); аустенита (б) ; мартенсита (в)
Цементит — это химическое соединение железа с углеродом, имею щее очень сложную кристаллическую решетку (рис. 8,д). Он обладает высокой прочностью, твердостью, хрупкостью, высокой температурой плавления 1250 °С. Железо, наоборот, отличается невысокой прочностью, твердостью, хорошей пластичностью. Железо имеет несколько аллотро пических форм, обозначаемых Fea и Fe-y (см. рис. 2). Существование каждой аллотропической формы железа отмечено температурным интер валом на левой температурной шкале диаграммы (см. рис. 7). Переход одной аллотропической формы в другую происходит в температурной критической точке. В связи с этим все линии диаграммы состояния желе зо-углерод начинаются от этих точек A, N, G. Добавление углерода к же лезу приводит к смещению температурного положения критических то чек железа. В результате взаимодействия железа с углеродом в высоко температурной области образуется твердый раствор углерода в Fea, на зываемый ферритом Ф [область AHNA, примыкающая к температурно му интервалу существования Fea (или Fea (5 )) 1539—1392 С] . В ин тервале средних температур образуется твердый раствор углерода в Fea — аустенит А (область NIESGN, примыкающая к температурному интервалу существования Fe^ — 1392—911 °С) . В интервале низких тем ператур образуется твердый раствор углерода в Fea —феррит Ф (область OGPQO, примыкающая к температурному интервалу существования Fea - 911—20 °С). Феррит — твердый раствор внедрения атомов уг лерода в кристаллическую решетку ОЦК железа Fea. Аустенит твер дый раствор внедрения атомов углерода в кристаллическую решетку ГЦК железа Fe-у (рис. 8,6).
14
На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов наблюдаются области равновесного существования двух смежных фаз: область NH1N и область PGSP — феррита и аустенита (Ф и А ) , т. е. в железоуглероди стых сплавах аллотропические превращения совершаются в интервале температур.
Температуры плавления железа 1539 °С (точка А ). При добавлении к нему углерода температуры начала и конца плавления железа (начала и конца кристаллизации) не совпадают, и на диаграмме состояния появ ляются двухфазные температурные области, где присутствуют жидкая и твердая фазы одновременно: область ABIHA — жидкость Ж + феррит Ф\ область IBCEI - жидкость Ж + аустенит А; область CDFC - жидкость Ж+ цементит первичный Ц\ Цементит называют первичным, так как он выпадает из жидкости. Линия AHIECF, на которой лежат точки начала плавления (конца кристаллизации), носит название ’’солидус” , а линия ABCD, по которой лежат точки конца плавления (начала кристаллиза ции) ,- ’’ликвидус” На диаграмме состояния точку при 4,3%-ном содер жании углерода и температуре 1147°С называют эвтектической (точка эвтектики), так как в этой точке при кристаллизации жидкость распада ется на механическую смесь двух кристаллов (аустенита и цементита), называемую эвтектикой. Реакция распада Ж -+А +Ц называется эвтекти ческой и происходит у любого сплава при температуре 1147 °С (линия эвтектики на диаграмме состояния). Ниже линии эвтектики железоугле родистые сплавы в интервале температур 1147—727 °С состоят из двух фаз (аустенита А и цементита Ц ) , т.е. на диаграмме состояния образуется двухфазная область ECFKSE (А +Ц).
На диаграмме состояния точку при 0,8%-ном содержании углерода и температуре 727 °С называют эвтектоидной (точка эвтектоида), так как при кристаллизации в этой точке происходит распад аустенита (твердой фазы) на механическую смесь двух новых твердых фаз (фер рита Ф и цемента Ц) , называемую эвтектоидом. Реакция распада Л -*ф + + Ц называется эвтектоидной и совершается у любого сплава при темпе ратуре 727 °С (эвтектоидная линия на диаграмме состояния) .
При эвтектической реакции происходит распад жидкой фазы на две твердые Ж-+А +Ц, а при эвтектоидной —распад твердой фазы на две новые твердые А ^ Ф + Ц.
Железоуглеродистые сплавы любых концентраций ниже температуры 727 ° С (эвтектоидной линии) состоят из двух фаз: феррита и цементи та - область PSKLQP (Ф + Ц) .
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14%' называют сталями, сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % - чугунами. Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют постоянные примеси - марганец, кремний (технологические примеси), сера, фосфор (вредные примеси), а также скрытые, загрязняющие ме талл (кислород, азот, водород), и случайные (медь, мышьяк, хром, ни
кель и др.) примеси. |
15 |
|
нок феррита и цементита, называемую перлитом (см. рис. 9, г ) . Перлит образуется по эвтектоидной реакции А ->Ф + Ц = П. Микроструктура доэвтектоидных сталей представляет собой перлит со скоплением по его границам зерен избыточного феррита (см. рис. 9,6 и в ) . Феррит образует ся из аустенита, начиная с линии GS (см. рис. 7), которая является ли нией переменной растворимости углерода в аустените. Линия QP —линия переменной растворимости углерода в феррите при различных темпера турах (из феррита выделяется цементит третичный i/n i) • С уменьше нием содержания в стали углерода количество избыточного феррита увеличивается, а перлита —уменьшается. Микроструктура заэвтектоидных сталей представляет собой перлит с расположенным по его границам вторичным цементитом Ц \\ в виде тонкой сетки (см. рис. 9,д). Вторич ный цементит выпадает из аустенита по линии SE (см. рис. 7), являю щейся линией переменной растворимости углерода в аустените при раз
личных температурах. Так как Ц \\ |
выпадает из твердой фазы, то его |
называют вторичным, в отличие от |
первичного Щ выпадающего из |
жидкости. |
|
В зависимости от содержания углерода в углеродистых сталях из меняются и механические свойства (рис. 10) с увеличением содержания углерода повышается прочность и понижается пластичность сталей.
Чугуны по микроструктуре, в соответствии с диаграммой состояния железо-углерод, делятся на доэвтектические при содержании углерода от 2,14 до 4,3%, эвтектические при содержании углерода 4,3% и заэвтектические при содержании углерода от 4,3 до 6,67 %. Эти чугуны назы вают белыми, так как при разрушении их излом имеет матово-белый цвет. Микроструктуру эвтектического белого чугуна называют ледебури-
НВ
300
Дм/см‘
|
|
|
|
200 |
|
Рис. 10. График зависимости меха |
100 |
||||
нических |
свойств |
стали от |
содержа |
||
ния С: |
|
|
|
|
|
НВ — твердость |
по Бринеллю; Ов — |
|
|||
временное сопротивление; ф —относи |
|
||||
тельное поперечное сужение; |
5 —отно |
0 |
|||
сительное |
удлинение; KCU |
—ударная |
|||
|
|||||
вязкость
17
2 6682
том (см. рис. 9,е) , представляющим собой смесь перлита с цементитом (вторичным) Ц \\ и эвтектическим при температуре ниже 727 °С. Цементит (вторичный) структурно не обнаруживается, так как он объ единяется с цементитом эвтектического происхождения. Поэтому счита ют, что ледебурит Л состоит из перлита П и цементита Ц (Л = П + Ц ). В интервале температур 727—1147 °С ледебурит представляет собой смесь аустенита с цементитом (Л = А + Ц) . Микроструктура белых доэвтектических чугунов состоит из смеси ледебурита, перлита и цементита (вторичного) (см. рис. 9,ж) ; микроструктура белого заэвтектического чугуна - из ледебурита и цементита (первичного) (см. рис. 9,з).
Белые чугуны в промышленности не получили применения из-за большой хрупкости вследствие наличия большого количества углерода в виде цементита. Применяют чугуны с включениями графита вместо цементита.
4. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО-ГРАФИТ
Диаграмма состояния железо—графит (рис. 11, пунктирные линии) повторяет те же линии, что и диаграмма состояния железо—углерод (сплошные линии). Линии диаграммы состояния железо—графит не сколько смещены относительно линий диаграммы состояния железо—уг лерод. Это значит, что в эвтектической точке С при другой концентрации углерода 4,26% и температуре 1153°С будет происходить при охлаж дении распад жидкости на аустенит и графит (графитная эвтектика). В эвтектоидной точке S ' при 0,7%-иом содержании С и температуре
Рис. 11. Диаграмма состояния железо - графит (в упрощенном виде): сплошные линии - цементитная система; пунктирные линии - графитная система
18
Рис. 12. Схема образования структур при графитизации
738 °С будет происходить при охлаждении распад аустенита на феррит
и графит (графитный эвтектоид). |
Соответственно линия Е‘ С F' —эв |
|
тектическая линия, линия Pr5f К г |
— эктектоидная линия. Ниже этих |
|
линий располагаются |
двухфазные |
области: Е* С1 Fe К' S* Е' - аустенит |
и графит и Рс S' К.' L |
Q Р! —феррит и графит. |
|
На линии ликвидус левее точки С’ при охлаждении сплавов из жид |
||
кости выделяется аустенит, а правее точки С —графит. Процесс образо вания графита носит название графитизации. Для протекания процессов графитизации в соответствии с диаграммой состояния железо—графит охлаждение должно быть медленным. При более быстром охлаждении образуются белые чугуны. Кроме рассмотренного процесса образования графита, при кристаллизации железоуглеродистых сплавов может на блюдаться другой способ образования графита в результате распада це ментита при нагревании. Цементит Fe3C —неустойчивое соединение. При определенных условиях (температуре) он распадается на феррит и гра фит: Ц-*Ф + Г
Допустим, что охлаждение было достаточно быстрым и получился белый чугун, состоящий из ледебурита (перлит + цементит). Для графи тизации белый чугун нагревают выше линии F S' К' (рис. 12), в резуль тате чего происходит превращение П + Ц -+А + Ц. В процессе выдержки при высокой температуре протекает распад цементита с выделением гра фита: Ц-+А +Г (I стадия графитизации). При охлаждении ниже линии Р1 S' К 1 происходит превращение А -+П, и если провести полное охлажде ние, то структура чугуна будет состоять из П + Г (прямая 3). Такой чу гун, считают, имеет перлитную основу. Если чугун выдержать при темпе-
Рис. 13. Микроструктуры серого чугуна с графитом пластинчатой формы на фер
ритной (д), ферритно-перлитной (б), перлитной |
(в) основе и с вермикулярным |
|||
графитом (червеобразным) |
на ферритной (г), |
ферритно-перлитной (д ), перлит |
||
ной (е) основе; ковкого |
чугуна с хлопьевидным графитом на ферритной (дс), |
|||
ферритно-перлитной (з) и перлитной |
(и) основе; высокопрочного чугуна с шаро |
|||
видным графитом на ферритной (к), |
ферритно-перлитной |
(л) и перлитной (м) |
||
основе |
|
|
|
|
ратуре ниже линии Р' S ' К ', то цементит в перлите распадется (Цп ->Ф + |
||||
+ Г) частично или полностью при большей выдержке |
(II стадия графи- |
|||
тизации). В результате |
структура чугуна |
может состоять и зП + Ф +Г |
||
или Ф + Г при полном охлаждении (соответственно прямые 4 и 5). Эти чугуны называют чугунами соответственно на перлитно-ферритной и ферритной основах. Если белый чугун нагреть выше линии Р ' S ' К ' и сразу охладить, то он приобретет исходную структуру П + Ц (прямая 7). Если белый чугун нагреть выше линииР' S ' К' и осуществить небольшую выдержку при этой температуре, то произойдет частичный распад Ц -+А + + Г, и после полного охлаждения чугун будет иметь структуру Ц + П + Г (половинчатый чугун) (прямая 2)
Чугуны с включениями графита подразделяются главным образом на серые, ковкие и высокопрочные чугуны, а также и другие их разно видности, в которых на ферритной, перлитной или ферритно-перлитной основе располагается свободный углерод в виде графита (рис. 13). В се рых чугунах графит присутствует в виде прожилок (чешуек), в ковких чугунах — в виде хлопьев и в высокопрочных чугунах - в шаровидной (сферической) форме. В связи с изменением формы включений графита
20