Какая температура разделяет районы холодной и горячей пластической деформации и почему? Рассмотрите на примере железа.

Каковы характерные свойства металлов и чем они определяются?

Характерные свойства металлов обусловлены их строением. При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.

К характерным свойствам металлов относят:

· металлический блеск – хорошая отражательная способность;

· хорошая электропроводность – хорошая способность проводить электрический ток. Это свойство обусловлено тем, что металл представляет собой вещество, состоящее из положительного ядра, вокруг которого по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла;

· пластичность – свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил, т.е. металлы легко поддаются механической обработке;

· высокая плотность – величина, равная отношению массы к занимаемому объему. Большинство металлов имеют плотность большую, чем неметаллы;

· высокая температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (исключения – ртуть, щелочные металлы);

· большая теплопроводность – способность передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Высокая теплопроводность объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносят свободные электроны, находящиеся в постоянном движении. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла.

Какая температура разделяет районы холодной и горячей пластической деформации и почему? Рассмотрите на примере железа.

Обработка металлов давлением основана на пластичности металлов и сплавов. Пластичность металлов и сплавов определяется условиями деформации: один и тот же металл или сплав может в одних условиях иметь большую пластичность, допускающую большие деформации, в других – разрушаться при небольших остаточных изменениях формы. Пластичность металлов и сплавов зависит от химического состава и фазового состояния, структуры, а также от условий – температуры, скорости, степени деформации.

В зависимости от отношения температуры деформации к температуре рекристаллизации различают холодную и горячую деформацию.

Холодной деформацией называют такую, которую проводят при температуре ниже температуры рекристаллизации. Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температуры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Наименьшую температуру начала рекристаллизации, при которой протекает рекристаллизация и происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации.

А.А. Бочвар получил формулу для определения температурного порога рекристаллизации Т_пр для технически чистых металлов:

где Т_пл – температура плавления, К.

Температура начала рекристаллизации железа:

273 – перевод °С в К (Кельвины).

При пластической деформации выше этой температуры деформация называется горячей, при пластической деформации ниже этой температуры – холодной.

3. Вычертите диаграмму железо – углерод. Укажите фазовые превращения протекающие в сталях и чугунах, дайте определения фазовых составляющих. Постройте кривую охлаждения для сплава содержащего 4,0 % углерода. Рассчитайте вариантность системы в различных областях диаграммы (не менее 2-х). Какова структура этого сплава и как такой сплав называется?

В сплавах системы «железо - углерод» встречаются следующие фазы:

· жидкая фаза представляет собой неориентированный раствор железа и углерода, распространяющийся выше линии ликвидус;

· ферритом называется твердый раствор углерода в α-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006% при комнатной температуре, максимальную – 0,02 % при температуре 727°С. Углерод располагается в дефектах решетки. При температуре выше 1392°С существует высокотемпературный феррит (δ), с предельной растворимостью углерода 0,1% при температуре 1499°С. Свойства феррита близки к свойствам железа;

· аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. Имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727°С, максимальную – 2,14% при температуре 1147°С . В обычных сталях аустенит устойчив только при температуре выше критических точек. При охлаждении, даже самом быстром, с этих температур аустенит превращается в другие структуры;

· цементит – химическое соединение железа с углеродом, соответствующее формуле Fe₃C с концентрацией углерода 6,67%. Цементит, как фаза, может образовываться из жидкой и твердой фаз при различных температурах. Цементит, выделяющийся из жидкой фазы, называется первичным (Ц_I), из аустенита – вторичным (Ц_II), а из феррита – третичным (Ц_III).

При охлаждении сплава с концентрацией углерода 4,3 % с 1600°С до точки 1 существует только жидкий раствор. В точке 1 начинается кристаллизация аустенита из жидкого раствора. В точке 2 кристаллизация заканчивается. При температуре 1147°С, соответствующей точке 2, жидкая часть сплава превращается в ледебурит (механическая смесь, состоящая из аустенита и цементита). Происходит эвтектическое превращение. Ниже точки 2 из аустенита выделяется вторичный цементит. Состав сплава – аустенит, цементит вторичный, ледебурит. В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен перлитом, вторичным цементитом, ледебуритом.

Сплав, содержащий 4,0% углерода, называется доэвтектическим чугуном, поскольку содержит больше 2,14% и меньше 4,3% углерода.

Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количества фаз и компонентов:

С = К + П – Ф

где С – число степеней свободы (вариантность), т.е. число внешних и внутренних факторов, которое может изменяться без изменения числа фаз в системе;

К – количество компонентов (веществ, образующих систему);

П – число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), воздействующих на систему;

Ф – число фаз.

Так как рассматриваем влияние температуры (нагрев системы) на однокомпонентную систему, то правило фаз можно записать следующим образом:

С = 2 + 1 – Ф

Число степеней свободы (согласно правилу фаз Гиббса) для заданного сплава в различных температурных интервалах:

С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)

С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)

С(по линии, соответствующей точке 2) = 2+1-3 = 0 (фазы: жидкость, аустенит, цементит)

С(2-3) = 2+1-2 = 1 (фазы: аустенит, цементит)

C(по линии, соответствующей точке 3) = 2+1-3 = 1 (фазы: аустенит, цементит, перлит)

С(ниже 3) = 2+1-2 = 1 (фазы: перлит, цементит)

4. После закалки углеродистой стали была получена структура мартенсит + цементит. Нанесите на диаграмму железо-углерод ординату (примерно) обрабатываемой стали, укажите температуру ее нагрева под закалку. Опишите превращения, которые произошли при нагреве и охлаждении стали.

Структура мартенсит + цементит соответствует закаленной заэвтектоидной углеродистой стали. Заэвтектоидной называют сталь, содержащую от 0,8 до 2,14% углерода.

Рисунок 1. Температура закалки стали У10

Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит. Поэтому при температуре ниже линии ES сплавы становятся двухфазными (аустенит + вторичный цементит). В результате закалки (при быстром охлаждении) из аустенита образуется неустойчивая структура мартенсит. Образование мартенсита в стали может произойти только в том случае, если аустенит быстро охлажден до низких температур, когда диффузионные процессы становятся невозможными, т.е. становится невозможным самопроизвольное перераспределение атомов углерода и железа в решетке аустенита. Он появляется в переохлажденном аустените при 230°С.

Закалкой называется нагрев стали до температур выше фазовых превращений, выдержка при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью больше критической.

Из заэвтектоидных сталей выбираем сталь У10 (сталь инструментальная углеродистая), содержащую 0,96 -1,03 % углерода. Ее критические точки: А_с1=730°С. Температура нагрева под закалку определяем из условия:

А_с1 + (30…50).

Таким образом, закалка стали У10 заключается в ее нагреве до температуры 760…780°С (рисунок 1), выдержке и охлаждении в воде. Охлаждение в воде обеспечивает скорость охлаждения выше критической. В результате закалки получаем структуру мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: