Превращения, происходящие в железе и стали при нагреве и охлаждении :: Технология металлов

Перлитный класс стали – это довольно распространенная марка. К этому классу принадлежат материалы, которые характеризуются, как низколегированные или же среднелегированные. Чаще всего из них получают конструкционный или инструментальный материал.

Что такое перлит и эвтектоид

Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом: по достижении температур GS по границам Наблюдения показывают, что этот переход происходит следующим образом : по достижении температур GS по границам аустенитовых кристаллов выделяются первые порции α – Fe, т. е. феррита, количество которого постепенно увеличивается.

Так как феррит почти не растворяет углерода, то при переходе γ-Fe -> α-Fe концентрация углерода в остаточном аустените постепенно увеличивается и может быть определена по линии G S в зависимости от температуры. Процесс выделения феррита протекает так до тех пор, пока концентрация углерода не будет соответствовать точке 5, т. е. до С=0,83%, а температура не достигнет t=723°.

В точке S кривая GS пересекается с ES — кривой предельной растворимости углерода в аустените. Поэтому дальнейшее насыщение остаточного аустенита углеродом становится уже невозможным, и последующее охлаждение вызывает окончательный распад аустенита, который совершается при постоянной температуре t=723°.

При этом распаде завершается переход γ- Fe->α-Fe, а выделившийся из кристаллической решетки железа углерод образует частицы цементита F3C. Распад аустенита происходит в стесненном объеме в пределах каждого зерна, поэтому продукты распада (феррит и цементит) образуются в виде тесно перемешанных частиц, обычно в виде чередующихся пластинок феррита и цементита.

бета железо

Схема изменений структуры сталей при переходе через критические точки

Этот продукт распада аустенита называется перлитом; так как перлит имеет строение, подобное эвтектике, то он называется эвтектоидом. Разница между эвтектикой и эвтектоидом заключается в том, что эвтектика образуется из жидкого раствора, а эвтектоид — из твердого.

Образование перлита начинается и заканчивается при постоянной t=723°. Так ппявляется феррито-перлитовая структура сталей, которая при дальнейшем охлаждении от t=723° не претерпевает больше никаких структурных изменений. На рисунке представлены микроструктуры чистого железа и стали при С =0,15% и при С=0,6% (увеличение 100) после травления по-шрованной поверхности микрошлифа 4% раствором HNO3 в этиловом спирте.

сигма железо

Рис. 1. — феррит в чистом железе. Рис. 2 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,15%

На рис. 1, где показана микроструктура чистого железа, четко выявились границы между светлыми зернами феррита. На рис. 2 представлена микроструктура строительной стали (С=0,15%); светлые поля — это феррит, темные участки — перлит.
На рис. 3 приведена микроструктура машиностроительной стали (С=0,6%), из которой изготовляют оси, валы, шатуны и т. п.; большая часть шлифа занята перлитом, а феррит наблюдается только в виде тонкой сетки.
Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита, состав перлита одинаков (С=0,83%). Строение перлита обычно пластинчатое (рис. 4).

гамма железо

Рис. 3 Доэвтектоидная сталь с содержанием С=0,6%. Рис. 4 Эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит).

Феррит, как было указано выше, представляет собой наиболее мягкую пластичную составляющую железоуглеродистых сплавов; цементит, входящий в состав перлита, наиболее твердую и хрупкую, поэтому с увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость стали, но пластичность и вязкость уменьшаются

Чтобы строительная сталь была достаточно пластичной, количество перлита в ней не должно превосходить 25%, что соответствует содержанию углерода до 0,2%.

В. тех деталях, от которых требуется большая прочность и твердость, но допустимы меньшая пластичность и вязкость (детали машин), применяются стали с большим количеством перлита, с содержанием С до 0,6%. В строительном деле такие стали применяются, например, для изготовления лопат, опорных частей мостовых ферм.

Общее описание стали

Для того чтобы перлитный класс стали имел достаточно высокие механические параметры эксплуатации, необходимо провести закалку. Чаще всего для этого используется масло, а также нужно правильно провести процедуру отпуска. Благодаря такой обработке, удается повысить такой параметр, как прочность, к примеру, или износостойкость и твердость.

Стали перлитного класса выделяются минимальным содержанием легирующих элементов. Среднее содержание в мартенстиных сталях, а наибольшее количество в аустенитных.

Из-за малого количества добавок и модификаторов такие свойства, как жаростойкость, к примеру, также достаточно малы потому, что недостаточно хрома в составе. Использовать такой материал с температурой более 550-580 градусов по Цельсию нельзя.

Структура перлитной стали

Характеристики жаропрочных материалов

Главный параметр жаропрочных металлов – возможность противостоять механическим напряжениям и нагружению при нагревании до высоких значений, не разрушаясь и не деформируясь.

Способы нагружения, которые испытывают металлы:

  • Нагрузки растягивания в статическом состоянии.
  • Нагрузки посредством изгибания и скручивания.
  • Температурные, предполагающие различные режимы нагрева.
  • Переменные нагрузки динамического характера.
  • Нагружения, оказываемые посредством направления потоков газов на металл.

Жаростойкие металлические материалы отличаются еще и повышенной антикоррозионностью и стойкостью к факторам окисления в условиях повышенных термических воздействий.

Технологический параметр ползучести

Наиболее значимая характеристика в технологических процедурах, где присутствуют жаропрочные стали, — это ползучесть. Эта характеристика свойственна любым твердым телам: кристаллическим и аморфным.
Для металлических материалов она выражается в медленных и постепенных пластических деформационных процессах, происходящих под влиянием неизменяемой нагрузки. Чем меньше скорость деформирования и ниже скорость ползучести, тем более высоко можно оценить жаропрочность металла, если напряжение и температурный режим остаются постоянными и заданными.

Характеристики ползучести могут различаться по критерию временной длительности.
Соответственно этому ползучесть бывает

  • Длительной. Характеристики этого вида ползучести определяются нагрузками на жаропрочную сталь для печи, которые продолжаются долгое время. Наибольшее напряжение за период времени, которое разрушает разогретый материал, определяет предел ползучести.
  • Кратковременной. Испытания для ее определения проводят в печи, которую нагревают до определенного уровня, и оказывают на металл растягивающую нагрузку в течение короткого времени.

Ползучесть описывается определенным графиком кривой, на котором прослеживаются различные стадии. Высокое сопротивление ползучести — один из факторов жаропрочности.
Предел ползучести – это уровень напряжения, при котором за время, специально заданное, достигается определенная деформация.
Эти расчеты принимаются во внимание в различных видах машиностроения: в авиационном моторостроении за такое время принимается величина 100-200 часов.
Жаропрочностью отличаются сплавы, содержащие Cr и Ni (хромоникелевые), а также содержащие Cr, Ni, Mn (хромоникелевомарганцевые). Эта характеристика проявляется следующим образом: при нагревании они не демонстрируют качество ползучести.

жаростойкие и жаропрочные стали

Аллотропы высокого давления

Эпсилон железо / гексаферрум (ε-Fe)

При давлениях выше примерно 10 ГПа и температурах в несколько сотен кельвинов α-железо превращается в гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, которая также известна как ε-железо или гексаферрум; γ-фаза при более высокой температуре также превращается в ε-железо, но при более высоком давлении. Обнаружен антиферромагнетизм в сплавах эпсилон-Fe с Mn, Os и Ru.

Экспериментальная высокая температура и давление

Альтернативная стабильная форма, если она существует, может появиться при давлениях не менее 50 ГПа и температурах не менее 1500 К; считалось, что он имеет ромбическую или двойную ГПУ структуру. по состоянию на декабрь 2011 г. недавние и текущие эксперименты проводятся на аллотропах углерода высокого давления и сверхплотного углерода .

Превращение ферритных зерен в аустенитные

Когда ферритное железо нагревают до температуры 912 °С, старый состав ферритных зерен изменяется  в новый состав зерен, уже аустенитных – в железе происходит превращение.

Представьте, что ферритная зеренная структура только что достигла температуры превращения. Сначала мы видим образование новых, очень мелких аустенитных зерен, которые накладываются на старые границы ферритных зерен. Потом эти зерна растут, пока все старые ферритные зерна не исчезнут.

При превращении феррита в аустенит происходит два важных явления:

1)      Также как и при превращении  льда в воду, превращение железе из феррита в аустенит требует тепловой энергии. Поэтому при нагреве температура железа будет оставаться при температуре около 912 °С, пока все ферритные зерна не превратятся в аустенитные.

2)      При превращении феррита в аустенит происходят объемные изменения. Плотность аустенита на 2 % выше, чем феррита, что означает, что атом аустенита занимает меньший объем, чем атом феррита.

Все превращения в железе, которые происходят при его нагреве, изображены схематически на рисунке 3.

diagramma-prevrashcheniy-v-zhelezeРисунок 3

Фазовые переходы

Точки плавления и кипения

Температура плавления железа экспериментально хорошо определена для давлений менее 50 ГПа.

Для более высоких давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) помещают тройную точку γ-ε-жидкости при давлениях, которые различаются на десятки гигапаскалей, и 1000 K в точке плавления. Вообще говоря, компьютерное моделирование методом молекулярной динамики плавления железа и экспериментов с ударной волной предполагает более высокие температуры плавления и гораздо более крутой наклон кривой плавления, чем статические эксперименты, проводимые в ячейках с алмазными наковальнями .

Точки плавления и кипения железа, а также его энтальпия атомизации ниже, чем у более ранних элементов 3d группы от скандия до хрома , что свидетельствует об уменьшении вклада 3d-электронов в металлическую связь, поскольку они все больше и больше привлекаются в металл. инертное ядро ​​ядром; однако они выше, чем значения для предыдущего элемента марганца, потому что этот элемент имеет наполовину заполненную трехмерную подоболочку и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализовать. Та же тенденция проявляется для рутения, но не для осмия.

Структурные фазовые переходы.

Точные температуры, при которых железо переходит из одной кристаллической структуры в другую, зависят от того, сколько и какого типа другие элементы растворены в железе. Фазовая граница между различными твердыми фазами проводится на бинарной фазовой диаграмме , обычно отображаемой как зависимость температуры от процентного содержания железа. Добавление некоторых элементов, таких как хром , сужает температурный диапазон для гамма-фазы, в то время как другие увеличивают температурный диапазон гамма-фазы. В элементах, которые уменьшают диапазон гамма-фазы, фазовая граница альфа-гамма соединяется с фазовой границей гамма-дельта, образуя то, что обычно называют гамма-петлей . Добавление добавок гамма-петли сохраняет чугун в объемно-центрированной кубической структуре и предотвращает фазовый переход стали в другие твердые состояния.

Эксперименты с превращениями в железе

Два простых эксперимента наглядно демонстрируют фазовые превращения в железе.

Эксперимент №1. Нагреть железный пруток до температуры выше 770 °С и подвесить его охлаждаться на воздухе. Поднести к прутку магнит. Когда температура достигнет 770 °С, горячий пруток начнет притягиваться к магниту. Как показывает диаграмма на рисунке 4 феррит (альфа-железо) является магнитным только ниже 770 °С, аустенит (гамма-железо) никогда не бывает магнитным.

Эксперимент №2. Железную проволоку натянуть горизонтально между двумя электрическими изоляторами на расстоянии около 1 м. Подвесить небольшой груз в центре проволоки. Пропустить через проволоку электрический ток так, чтобы нагреть проволоку выше 912 °С – до оранжево-желтого цвета. Поднимать напряжение нужно медленно с помощью источника тока с переменной мощностью. Когда проволока нагреется, она удлинится и груз немного опустится. После этого нужно отключить от проволоки напряжение и наблюдать ее охлаждение в затемненной комнате. При достижении проволокой температуры 912 °С можно наблюдать два явления:
1)    Когда проволока будет охлаждаться, будет происходить уменьшение ее длины, и грузик начнет подниматься. Однако при 912 °С будет наблюдаться временное опускание груза: как раз в то время, когда аустенит перейдет в феррит с меньшей плотностью и от этого проволока немного удлинится.
2)    Тепло, которое выделяется при превращении аустенита в феррит, будет приводить к видимому мерцанию цвета нагретой проволоки.

Оба эти явления можно наблюдать в обратном порядке и при нагреве, но в этом случае они не так хорошо видны из-за трудности быстрого нагрева проволоки.

Смотрите также

  • Закалка (металлургия)

Применение

То, где применяют перлитную сталь, зависит от ее конкретных характеристик. Так, потребителями жаростойких или теплоустойчивых продуктов являются производства:

  • котельного оборудования;
  • турбин;
  • компрессоров;
  • печей;
  • паропроводов;
  • запорной арматуры.

Хорошими примерами перлитных сталей являются:

  • 15Х;
  • 40ХГ;
  • 16Г2АФ;
  • 35ГС;
  • 16М.

Из 15Х часто делают втулки и шестеренки, валики и толкатели. Сплавы 40ХГ идут на штоки, болты и шпильки. Материал 35ГС востребован производителями арматуры с периодическим профилем. Продукцию категории 16Г2АФ обычно отпускают для изготовления металлических ферм. Получают из нее и иные металлоконструкции.

Очень важное значение имеет точное определение свариваемости и конкретных параметров, при которых сплавы могут быть сварены оптимальным образом.

Большой проблемой является образование холодных трещин и потеря прочности в местах, которые обрабатывают сварщики. Профессионалы часто прибегают к подогреву свариваемых изделий. В технологии сварки есть и иные нюансы:

  • при обработке сталей с разным уровнем легирования электроды и присадки берут с расчетом на менее легированный металл;
  • режим, напротив, подбирают под более легированную часть;
  • ручная дуговая сварка подразумевает применение электродов с фтористо-кальциевой поверхностью;
  • при незначительной или нулевой разнице в легировании можно прогревать металл до предельно допустимого для менее легированного образца значения;
  • подогрев должен производиться очень тщательно (низкие температуры неэффективны, высокие — нарушают химические и физические свойства материала).
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...