Классификация методов упрочнения конструкционных материалов

Известные методы упрочнения металлов можно разделить на две основные группы:

- первая группа – объемное упрочнение деталей;

- вторая группа – поверхностное упрочнение деталей.

К первой группе относятся упрочнение с изменением структуры по всему объему металла (табл.).

Вторая группа включает пять классов упрочнения:

1 класс – упрочнение с образованием пленки на поверхности металла;

2 класс – упрочнение с изменением химического состава поверхностного слоя;

3 класс – упрочнение с изменением структуры поверхностного слоя;

4 класс - упрочнение с изменением энергетического запаса поверхностного слоя;

5 класс - упрочнение с изменением шероховатости поверхности.

Можно отметить, что методами одного класса осуществляются процессы различных типов.

Любой экономически обоснованный метод упрочнения требует проверки типовой технологии в конкретных условиях для каждого вида упрочняемого изделия. Выбор ого или иного метода упрочнения определяется по основным факторам, характеризующим внешние и внутренние условия эксплуатации упрочняемых изделий. Кроме того, необходимо учитывать технико-экономический фактор при возможности использования того или иного метода упрочнения. С этой целью рационально изучить и классифицировать основные факторы, действующие в данных конкретных условиях.

К железоуглеродистым сплавам относят стали и чугуны. Основными элементами, от которых зависят структура и свойства стали и чугуна являются железо и углерод.

Железо может находиться в двух аллотропических формах (модификациях) – альфа-Fe и гамма-Fe.

Железо с углеродом образуют твердые растворы и химическое соединение.

Железоуглеродистые сплавы имеют сложное строение. Это объясняется различием их кристаллической решетки и модификаций соединений железа с углеродом. В результате этого различия, образуются следующие структуры стали: феррит, аустенит, цементит и перлит.

Феррит –это твердый раствор углерода и других элементов в альфа-железе. Существует в стали до 727º С. Содержание С незначительно: максимальное количество С - 0,02% достигается при 727º С, минимальное 0,006% при комнатной температуре. Феррит обладает низкой твердостью

НВ 80-100 и прочностью = 250 Мпа (25кгс/мм²), но высокой пластичностью (дельта=50%, пси=80%).

Аустенит – это твердый раствор углерода и других элементов в гамме-железе. Отличается высокой растворимостью углерода, содержание которого составляет 2,14% при 1147ºС; не магнитен. В углеродистых сталях аустенит начинает получаться при температуре выше 727º С. Имеет невысокую твердость НВ 160-200, достаточную прочность и хорошую пластичность (дельта=40-50%).

Цементит (или карбид железа Fe₃C) – химическое соединение Железа с углеродом, максимальное содержание углерода в нем 6,67%. Эта самая твердая структура стали – НВ 700-800. Температура плавления – 1600º С, пластичность практически равна нулю.

Перлит (эвтектоид) – равномерная механическая смесь феррита с цементитом, образованная при температуре 727º С и содержащая 0,8% С.

Ледебурит (эвтектика) - равномерная механическая смесь состоящая из аустенита и цементита, образованная при температуре 1147º С из жидкого сплава, содержащая 4,3% С.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов даёт представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

На диаграмме точка А (1539º С) соответствует температуре плавления (затвердевания) железа.

Точка D (1600º С) Соответствует температуре плавления (затвердевания) цементита.

Точка С (1147º С, 4,3% С – точка эвтектического превращения жидкого сплава в ледебурит.

Точка Е (1147º С, 2,14% С) – точка предельной растворимости углерода в аустените.

Точка G (910º С, 100% Fe) – точка аллотропного превращения альфа – Fe в гамма-Fe.

Точка О (727º С, 0,8%º С) – точка эвтектоидного превращения аустенита в перлит.

Линия ACD- это линия ликвидуса, показывающая температуры начала затвердевания (конца плавления) сталей и чугунов.

Линия AECF– это линия солидуса, которая показывает температуры конца затвердевания (начала плавления).

По линии АС (ликвидус) сплавы системы находятся в жидком состоянии, в дальнейшем из жидкого раствора выпадают кристаллы твёрдого раствора углерода в FJ , называемого аустенитом.

Следовательно в области диаграммы ACE будет находиться смесь двух фаз: жидкость и аустенит.

По линии CF из жидкого раствора начинают выпадать кристаллы цементита, а в области диаграммы CDF находится смесь двух фаз: жидкого раствора и цементита.

В точке С при температуре 1147º С и массовом содержании углерода 4,3% происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита, и образуется тонкая механическая смесь- эвтектика – ледебурит.

Ледебурит присутствует во всех сплавах с содержанием углерода 2,14- 6,67%. Эти сплавы относят к группе чугунов.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом. Сплавы левее точки Е после полного затвердевания представляет один аустенит. Эти сплавы относятся к группе сталей.

Рассмотрим по диаграмме область стали. Они подразделяются на три вида:

- доэвтектоидная сталь (содержание углерода до 0,8%), конечная структура – феррит и перлит;

- эвтектоидная сталь (содержание углерода 0,8%), конечная структура – перлит;

- заэвтектоидная сталь (содержание углерода 0,8–2,14%), конечная структура – перлит и цементит.

Во всех сталях ниже линии ликвидуса АС происходит кристаллизация твердого раствора аустенит, ниже линии солидуса АЕ процесс кристаллизации заканчивается и все стали имеют структуру аустенит.

При охлаждении ниже линии GS в доэвтектоидных сталях одновременно присутствуют твердые растворы аустенит и феррит, так как в железе происходит полиморфное превращение альфа-железа в гамма-железо. Ниже линии SЕ в заэвтектоидной стали происходит вторичная кристаллизация, т. е. из твердого раствора аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита вторичного Ц2. Ниже линии PSK во всех сталях происходит эвтектоидное превращение аустенита в механическую смесь феррита (Ф) и цементита (Ц) – перлит (П).

При полном медленном охлаждении, стали приобретают конечные структуры (Ф+П; П; П+Ц2), называемые равновесными.

Сплав железа с углеродом, в котором содержание углерода превышает 2,14%, называется чугуном. Рассмотрим по диаграмме область чугунов. Они подразделяются на три вида:

- доэвтектический чугун (содержание углерода 2,14…4,3%,) конечная структура – перлит, цементит вторичный и ледебурит;

- эвтектический чугун (содержание углерода 4,3%,) конечная структура – ледебурит;

- заэвтектический чугун (содержание углерода 4,3…6,67%,) конечная структура – цементит и ледебурит.

Ниже линии ликвидуса АСВ во всех чугунах начинается процесс кристаллизации. Ниже линии АС появляются твердые кристаллы твердого раствора аустенита, ниже линии CD появляются кристаллы цементита. Ниже линии ECF – линии эвтектического превращения (т-ра 1147⁰ С) во всех чугунах из жидкой части сплава образуется механическая смесь – эвтектика, состоящая из кристаллов аустенита и цементита, называемая ледебуритом. Для сплавов с содержанием углерода до 4,3% ниже линии ЕС выделяется вторичный цементит, т.е. происходит вторичная кристаллизация.