Методическое пособие по ВК 2016. Методическое пособие Испытания и неразрушающие методы контроля визуально-оптический метод контроля (Сварные соединения и обработанные изделия) Разработал Хатько В. В. 2016 2

33
 Термическая обработка, заключающаяся в нагреве металла, находящегося в результате каких-
либо предшествующих воздействий в неравновесном состоянии, и приводящая его в более
равновесное состояние, называется отжигом. Охлаждение после отжига производится вместе с печью.
Нагрев при отжиге может производиться ниже и выше температур фазовых превращений в зависимости от целей отжига
- Отжиг, при котором нагрев и выдержка металла производятся с целью приведения его в равновесное состояние за счет уменьшения (устранения) химической неоднородности, снятия внутренних напряжений и рекристаллизации, называется отжигом первого рода. Его проведение не связано с прохождением фазовых превращений. Он возможен для любых металлов и сплавов.
Существуют следующие разновидности отжига 1-го рода: гомогенизационный, рекристаллизационньй и уменьшающий напряжения.
- Отжиг, при котором нагрев производится выше температур фазовых превращений с последующим медленным охлаждением для получения структурно равновесного состояния, называется отжигом
второго рода или перекристаллизацией.
Если после нагрева выше температур фазовых превращений охлаждение ведется не в печи, а на воздухе, то такой отжиг называется нормализацией.
После сварки для некоторых сталей необходимо проводить нормализацию твердости в около шовной зоне.
Сталь 15Х1МФ – рассчитана на высокие параметры пара, необходимо выровнять твердость в около шовной зоне, прочность шва 25 кг/м
2
, а усы из железа прочность 2500 кг/м
2
с идеальной кристаллической решеткой.

Точка c (1539 0
С)
— температура плавления стали.
2.8.3 Разновидности сталей и их характеристики, понятие о микро- и макроструктуре и
свойствах стали.
Основные сведения о сплавах
Применение чистых металлов в промышленности крайне ограничено, они используются только в тех случаях, когда от материала требуются высокие показатели теплопроводности, электропроводности и высокая температура плавления. Эти свойства у чистых металлов всегда выше, чем у сплавов.
Сплавы в отличии от металлов всегда можно получить почти с любыми заданными свойствами, такими как:
– более высокая прочность;
– способность изменять свойства при изменении химического состава;
– способность улучшать свойства под влиянием термической обработки;
– более низкую температуру плавления;
– большую текучесть в расплавленном состоянии;
– меньшую усадку.
Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как отвечают требуемым эксплуатационным условиям.
 Сплавы – кристаллические вещества, полученные соединением металлов с металлами или
неметаллами.
В зависимости от содержания углерода, железоуглеродистые сплавы делятся на два класса: стали и
чугуны.
Медь с цинком образует сплав – латунь, медь с оловом – бронза.
Составляющие части сплавов называются компонентами. Сплавы могут быть двух-, трех- и четырех компонентными.
Свойства сплавов отличаются от свойств компонентов и зависят от характера их соединения и процесса связанного с образованием сплава. При затвердении в сплавах получают различные по строению и свойствам структуры: механические смеси, твердые растворы и химические соединения.

34
В сплаве, образующем механическую смесь, находятся кристаллы всех соединившихся компонентов.
В сплаве, представляющем собой твердый раствор, сохраняется одна кристаллическая решетка – компонента-растворителя, а атомы растворенного компонента или находятся в решетке растворителя, или замещают атомы растворителя, или внедряются в решетку между атомами растворителя.
В сплаве, являющемся химическим соединением, получается новая решетка с новыми физико- химическими и механическими свойствами.
От структуры сплавов зависят их свойства:
- Твердые растворы хорошо обрабатываются давлением, закаливаются, сопротивляются ударным нагрузкам.
- Химические соединения очень тверды, но более хрупки.
- Механические смеси имеют высокие литейные свойства.
Железо с углеродом образует твердые растворы внедрения и химические соединения.
 Сталями называются сплавы, содержащие до 2,14% углерода.
 Чугунами называются сплавы, содержащие от 2,14% до 6,67% углерода.
В зависимости от содержания углерода, структуры сталей различают:
- техническое железо – сплавы, содержащие до 0,02% углерода.
- доэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,02% до 0,8% углерода.
- эвтектоидные стали - сплавы, содержащие 0,8% углерода.
- заэвтектоидные стали - сплавы, содержащие от 0,8% до 2,14% углерода.
В зависимости от кристаллической решетки железа при различной температуре и модификаций соединений железа с углеродом, образуются различные структуры: феррита, аустенита, цементита,
перлита.
Феррит (Ф)
– это твердый раствор углерода в α-железе. Это аллотропическая ОЦК структура существует в, стали только при температуре ниже 911 0
С. Содержание углерода в феррите незначительно: минимальное при комнатной температуре – 0,006%, максимально при температуре 727 0
С – 0,03%. Это самая мягкая структура стали, ее твердость 80 … 100 НВ. Имеет небольшие прочность, твердость и
высокую пластичность. Структура магнитная.
Аустенит (А)
– это твердый раствор углерода в γ-железе, ГЦК решетка хорошо растворяет, углерод, содержание которого в, стали составляет 2,14% при температуре 1147 0
С. Твердость аустенита не высокая (170…220 НВ), но достаточно высокими являются его прочность, пластичность,
стойкость против коррозии. Структура немагнитная. Имеет меньший удельный объем, чем феррит.
Цементит (Ц)
– или карбид железа (Fe
3
C) – химическое соединение железа с углеродом, максимальное содержание углерода 6,67%. Это самая твердая структура стали (700 … 800НВ). Цементит прочен, но
очень хрупок, имеет сложную кристаллическую решетку. Структура магнитная. Различают первичный и вторичный цементит:
- Первичный, цементит (ЦI) – выделяется непосредственно из жидкого сплава.
- Вторичный, цементит (ЦII) – выделяется из аустенита при понижении температуры, так как аустенит не может больше удерживать в себе цементит.
- Третичный цементит (ЦIII) – образуется по границам зерен феррита в следствие уменьшения растворимости углерода в феррите при понижении температуры.
Перлит (П)
– это механическая смесь феррита с цементитом (Fe + Fe
3
C). Различают два вида перлита:
- Пластичный (цементит в виде пластинок)
- Зернистый (цементит в виде зерен).
Зернистый перлит тверже и прочнее пластичного и занимает промежуточное место между ферритом и цементитом (200 … 220НВ). Перлит содержит 0,8% углерода, обладает высокими прочностью и
упругостью, пластичность его не очень высока.

35
Ледебурит (Л)
– это эвтектоиднаяя равномерная смесь кристаллов аустенита с первичным цементитом.
Обладает высокой твердостью (около 800НВ) и хрупкостью.
Фазовые превращения в сплавах. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.
Процессы кристаллизации сплавов более сложные и существенно отличаются от процессов кристаллизации чистых металлов. Основное отличие состоит в том, сплавы кристаллизуются не при одной строго определенной температуре, как чистые металлы, а имеют две температуры кристаллизации: ее начала и конца кристаллизации. В интервале между этими температурами имеются две фазы, т.е. однородные части системы: жидкий сплав и образовавшиеся кристаллы.
Для изучения кристаллизации созданы особые диаграммы состояния сплавов, в которых графически отображены температуры кристаллизации сплавов, их характер и состояние при изменении состава в зависимости от температуры.
Диаграммы позволяют правильно подходить к выбору сплава при технологической обработке и характеризуют его физические и многие механические свойства.
В диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов рассматриваются превращения в сплавах с содержанием углерода до 6,67% (рис. 2.8.1.7), сплавы, содержащие углерод от 0 до 2,14% - это сталь, а сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% - это чугун.
Превращение из жидкого состояния в твердое, таких сплавов, т.е. их первичная кристаллизация, начинается на линии ликвидуса ACD. При этом сплавы, содержащие до 4,3% углерода, кристаллизуются по AC с выделением аустенита (А), а сплавы, содержащие более 4,3% углерода, - по CD с выделением цементита первичного (ЦI).
Рис. 2.8.3.1 Упрощенная диаграмма состояния железоуглеродистых сталей.
AECF – является линией солидуса, ниже которой все сплавы железа с углеродом находятся в твердом состоянии (конец кристаллизации). После затвердевания образуются различные структуры:

36
Точка C (4,3% углерода) представляет эвтектическую точку, что соответствует температуре 1147 0
С, при которой затвердевает такой сплав, где одновременно выделяются из жидкого сплава кристаллы аустенита и первичного цементита, образуя эвтектическую смесь (А+ЦI) – ледебурит (Л).
Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими. Их кристаллизация начинается при температурах, лежащих на линии AC, с выделением аустенита, и заканчивается при температурах, лежащих на линии EC.
При дальнейшем понижении температуры выделяется вторичный цементит и поэтому, в доэвтектических чугунах получается три структуры А+ЦII+Л.
При дальнейшем понижении температуры из аустенита продолжает выделяется цементит. Когда его останется 0,8%, при температуре 727 0
С аустенит переходит в перлит. Таким образом, в доэвтектическом чугуне при очень медленном охлаждении образуется структура П+ЦII+Л.
Чугуны, содержащие более 4,3% углерода, называются заэвтектическими.
В промышленности применяют доэвтектические и эвтектические чугуны, а заэвтектические из-за высокой хрупкости не используют.
Главная роль в диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов отводится сталям до 2,14% содержания углерода, так как на превращениях, происходящих в них основано термообработка.
В результате затвердения по линии АЕ, образуется аустенит (А)
При понижении температуры этот аустенит претерпевает вторичную кристаллизацию, связанную с изменением кристаллической решетки – с переходом γ-железа в α-железо, с изменением растворимости углерода в этих модификациях, с выделением из аустенита феррита и вторичного цементита.
В точке S, при температуре 727 0
С аустенит полностью распадается, образуется смесь феррита с вторичным цементитом (Ф+ЦII), называемая - перлитом (П).
Эту сталь называют эвтектоидной.
Перлитимеет характерное пластинчатое строение и состоит из отдельных зерен - колоний. Количественное соотношение феррита и цементита в перлите не зависит от химического состава стали.
Рис. 2.8.3.2
Схема микроструктуры перлита.
Сталь, содержащую менее 0,8% углерода, называют доэвтектоидной.
Переход чистого железа из модификации γ-железа в α- железо происходит при температуре 911 0
С. На диаграмме Точка G. Распад аустенита в доэвтектоидных сталях начинается при температуре лежащих на линии
GS, с выделением феррита (Ф).
При дальнейшем понижении температуры содержание углерода в оставшемся аустените возрастает. Когда оно составит 0,8% (при температуре 727 0
С), аустенит полностью перейдет в перлит. Таким образом в доэвтектоидной стали при полном медленном охлаждении получается структура П+Ф.
Рис. 2.8.3.3
Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: сетка избыточного феррита и перлит.

37
Перлит + Ф
изб две структурные составляющие: избыточный феррит, образующийся в результате полиморфного превращения γ-α, и эвтектоидный - перлит, который возникает при эвтектоидном превращении γ- α + Fe
3
C. Избыточный феррит при большом его количестве выделяется в виде равноосных зерен, при малом количестве - в виде сетки по границам зерен аустенита
Рис. 2.8.3.4
Схема микроструктуры доэвтектоидной стали: зерна избыточного феррита и перлит.
Сталь, содержащую более 0,8% углерода, называют заэвтектоидной.
В заэвтектоидной стали начало распада аустенита соответствует линии SE.
При понижении температуры аустенит, пересыщенный углеродом, выделяется в виде цементита вторичного (ЦII). Когда в аустените останется 0,8% углерода, он при температуре 727 0
С перейдет в перлит. Следовательно, в заэтектоидной стали при полном медленном охлаждении получается структура П+ЦII.
Структурные составляющие - перлит и цементит вторичный. Последний выделяется из аустенита перед эвтектоидной реакцией из-за уменьшения растворимости углерода при понижении температуры.
Вторичный цементит выделяется по границам зерен аустенита, образуя сетку, заполненную колониями перлита, которые образуются из аустенита при эвтектоидном превращении.
Рис. 2.8.3.5
Схема микроструктуры заэвтектоидной стали: сетка вторичного цементита и перлит.
Линия GS называется линией верхних критических точек или линией начала распада аустенита (при охлаждении). Эта линия GS обозначается А
С3
– при нагревании, А
r3
– при охлаждении.
Линия PSK (температура 727
0
С) – линия нижних критических точек или линия перлитных превращений (при охлаждении). Она обозначается А
С1
– при нагревании, А
r1
– при охлаждении.
 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов позволяет установить температурные
режимы кристаллизации сталей и белых чугунов, режимы горячей обработки (ковки,
прокатки, штамповки), режимы термообработки.
При очень медленном охлаждении кристаллизация может идти таким образом, что углерод выделяется в виде графита (графитизация).
Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода полностью или частично в форме графита называются серыми чугунами (в изломе имеет серый цвет).
Если углерод в чугуне находится в виде цементита (химическое соединение Fe
3
C), то чугун имеет в изломе белый цвет и называется белым.
Свойства металлов и сплавов.
Широкое использование металлов (сплавов) объясняется сочетанием у них высоких физико-
механических свойств с технологичностью
 Свойства металлов обусловлены их строением (типом атомно кристаллической решетки)

38
К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность,
электропроводность и температура плавления.
Удельный вес — это вес 1 см
3
металла, сплава или любого другого вещества, выраженный в граммах.
Например, удельный вес железа равен 7,88 г/см
3
. Удельные веса наиболее распространенных металлов приведены в справочнике.
Теплопроводность — способность металлов и сплавов проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1см
2
за 1мин.
Электропроводность — способность металлов и, сплавов проводить электричество (явление термоэлектронной эмиссии).
В кристаллической решетке металлов есть не связанные с атомами электроны, электроны- проводимости, которые могут свободно перемещаться – этим и обусловлена термоэлектронная эмиссия.
Это свойство наиболее характерно для чистых металлов. Для сплавов более характерным является свойство, обратное электропроводности — электросопротивление.
Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление проводника сечением 1мм
2
и длиной 1м, выраженное в омах.
Температура плавления — степень нагрева, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, приведены в справочнике.
К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость,
пластичность.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, определяющими способность металлов сопротивляться прилагаемым к детали, узлам и металлоконструкциям, внешним нагрузкам, характеризующим пригодность сплава или изделия к различным условиям эксплуатации.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Упругость (обратимая, упругая деформация) — способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.
Упругая деформация сопровождается изменением расстояний между атомами в кристаллической решетке в пределах ее параметра
– стоит снять напряжение с образца, как его форма
восстанавливается.
Упругая деформация металлического образца пропорциональна силе или сумме сил, действующих

перейти в каталог файлов