Сталь У8А, сталь У13А.

План.

Цементит

Ферит

План

1. Компоненти і фази в системі Fe-Fe₃C, їх характеристика.*

2. Побудова діаграми стану Fe-Fe₃C. Призначення ліній і точок.**

3. Структурні складові системи Fe-Fe₃C.**

4. Класифікація залізовуглецевих сплавів.*

5. Перетворення, які проходять в залізовуглецевих сплавах при охолодженні.**

Серед металічних конструкційних матеріалів найпоширеніші і найважливіші – сплави заліза з вуглецем – сталі і чавуни. Тому діаграма стану залізо-цементит має велике теоретичне і практичне значення.

Компоненти системи Fe-Fe₃C – залізо і вуглець.

Залізо – метал з температурою плавлення t_пл = 1539^оС і густиною ρ = 7,8 г/см³. Має добру пластичність, невисоку міцність, малу твердість. Має дві алотропічні модифікації: Fe_α (ОЦК) при t = 1392-1539^оС та t <911^оС; Fe_γ (ГЦК) при t = 911-1392^оС. Залізо має магнітні властивості до t =768^оС.

Вуглець – неметал; розчиняється в залізі в рідкому і твердому стані; в сплавах може бути у вигляді твердих розчинів, графіту або хімічної сполуки Fe₃C – цементиту. Має гексагональну кристалічну решітку; неміцний, непластичний, t_пл = 3500^оС; ρ = 2,25 г/см³.

Фази системи Fe-Fe₃C – рідкий розчин заліза і вуглецю (Р), ферит (Ф), аустеніт (А) і цементит (Ц).

Ферит – твердий розчин проникнення вуглецю в α-залізі. Низькотемпературний ферит містить максимум 0,02% вуглецю. При нормальній температурі містить 0,006% вуглецю. Кристалічна решітка фериту – ОЦК. Властивості фериту: НВ 80-90; σ_В = 250 МПа; δ = 50%.

Аустеніт – твердий розчин проникнення вуглецю в γ-залізі. Максимальний вміст вуглецю: 2,14% при t = 1147^оС; 0,8% при t = 727^оС. Кристалічна решітка аустеніту – ГЦК. Властивості аустеніту: НВ 180-200; δ = 40-50%, немагнітний.

Цементит – хімічна сполука заліза з вуглецем Fe₃C. Вміст вуглецю – 6,67%. Кристалічна решітка – ромбічна. Властивості цементиту: HV1000, HRC70, HB800, δ = 0% (дуже твердий і крихкий), t_пл = 1250-1600^оС (в залежності від хімічного складу).

Діаграма стану Fe-Fe₃C

Призначення ліній і точок діаграми (рис.4.1):

точка А – температура плавлення чистого заліза (1539^оС);

точка D – температура плавлення цементиту (близько 1250^оС);

Рисунок 4.1. Діаграма стану залізо-цементит.

АСD – лінія ліквідус; AECF – лінія солідус.

Точка Е – максимальна розчинність вуглецю в γ-залізі – 2,14 % при t = 1147^оС.

По лінії АС з рідкого розчину випадають кристали аустеніту;

по лінії СD з рідкого розчину випадають кристали цементиту (первинного) (Ц_І).

В точці С при 4,3 % вуглецю і t = 1147^оС з рідкого сплаву одночасно кристалізується аустеніт і цементит з утворенням евтектики – ледебуриту (Л).

ECF – лінія евтектичного перетворення.

По лінії АЕ закінчується кристалізація з утворенням аустеніту.

По лінії ЕС кристалізуються сплави з утворенням ледебуриту і аустеніту.

По лінії СF кристалізуються сплави з утворенням ледебуриту і цементиту.

Перетворення в твердому стані (вторинна кристалізація):

Точка G – поліморфне перетворення Fe_γ в Fe_α при t = 911^оС.

Точка S – мінімальна температура існування аустеніту (727^оС); розчинність вуглецю в аустеніті при 727^оС (0,8 %).

Точка Р – максимальна розчинність вуглецю в Fe_α (0,02 % при t = 727^оС).

Точка Q – розчинність вуглецю в Fe_α при кімнатній температурі (0,006 %).

По лінії GS аустеніт перетворюється на ферит;

по лінії SE з аустеніту випадає вторинний цементит по границях зерен аустеніту–Ц_ІІ;

SE – лінія граничної розчинності вуглецю в Fe_γ від 1147^оС до 727^оС.

В точці S при 0,8 % вуглецю і t = 727^оС аустеніт розпадається з одночасною кристалізацією тонкої механічної суміші фериту і цементиту – евтектоїду. Він називається перліт (П).

PSK – лінія евтектоїдного перетворення.

Лінія PQ – зменшення розчинності вуглецю в Fe_α із зниженням температури. Нижче лінії PQ з фериту виділяється надлишковий вуглець у вигляді цементиту третинного – Ц_ІІІ.

Структурні складові системи Fe-Fe₃C – перліт і ледебурит.

Перліт – евтектоїдна суміш фериту і цементиту. Утворюється при температурі менше 727^оС, вміст вуглецю 0,8 %.

Ледебурит – евтектична суміш аустеніту і цементиту. Утворюється при t = 1147-727^оС. При температурі менше 727^оС аустеніт перетворюється на перліт, тоді ледебурит складається з перліту і цементиту; вміст вуглецю 4,3 %.

Аустеніт Ледебурит

Перліт (пластинчастий і зернистий) Ферит

Рисунок 4.2. Мікроструктура фаз і структурних складових системи Fe-Fe₃C

Всі залізовуглецеві сплави, що мають в результаті первинної кристалізації структуру аустеніту і не більше 2,14 % вуглецю, називаються сталями.

Всі залізовуглецеві сплави, що мають в результаті первинної кристалізації структуру ледебуриту і більше 2,14 % вуглецю, називаються чавунами.

Сталі, що мають вміст вуглецю до 0,8 % (лівіше точки S) – доевтектоїдні сталі.

Сталь, яка містить 0,8 % вуглецю – евтектоїдна сталь.

Сталі, що мають вміст вуглецю від 0,8 до 2,14 % (правіше точки S) – заевтектоїдні сталі.

Чавуни, що містять від 2,14 до 4,3 % вуглецю (лівіше точки С) – доевтектичні чавуни.

Чавуни, що містять 4,3 % вуглецю – евтектичні чавуни.

Чавуни, що містять більше 4,3 % вуглецю (правіше точки С) – заевтектичні чавуни.

Перетворення при охолодженні

1. Доевтектоїдної сталі (менше 0,8 % вуглецю):

вище лінії АС – рідкий розчин;

нижче лінії АС – з рідини виділяються кристали аустеніту

(С=К+1–Ф=2+1-2=1 – при змінній температурі);

нижче лінії АЕ сплав повністю твердий – тверді кристали аустеніту

(С=2+1-2=1- при змінній температурі);

між лініями АЕ і GS – охолодження твердого аустеніту;

нижче лінії GS – аустеніт починає перетворюватись на ферит (С=2+1-2=1);

при t = 727^оС – відбувається евтектоїдне перетворення аустеніту А→Ф + Ц (С=2+1-3=0 – при сталій температурі);

при нормальній температурі сталь має структуру Ф+П.

2. Евтектоїдної сталі (0,8 % вуглецю):

Нижче лінії АС з рідини випадають кристали аустеніту;

нижче лінії АЕ – повністю твердий аустеніт;

в точці S при t = 727^оС – аустеніт розпадається на ферит і цементит, що утворюють евтектоїдну суміш – перліт;

при нормальній температурі сталь має структуру перліта – П.

3. Заевтектоїдної сталі (більше 0,8 % вуглецю):

по лінії АС – початок кристалізації аустеніту (С=2+1-2=1);

по лінії АЕ – кінець кристалізації аустеніту (С=2+1-2=1);

нижче лінії SE – з аустеніту виділяється цеметит вторинний (С=2+1-2=1);

при t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт розпадається на ферит і цементит, утворюючи перліт: А→Ф + Ц (перліт) (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі сталь має структуру П+Ц.

Рисунок 4.3. Мікроструктура сталей з різним вмістом вуглецю.

4. Доевтектичного чавуну (менше 4,3 % вуглецю):

вище лінії АС – рідкий розчин;

по лінії АС – з рідини випадають кристали аустеніту (С=2+1-2=1);

при t = 1147^оС (лінія ECF) – розплав містить 4,3 % вуглецю і кристалізується з утворенням евтектики – ледебуриту: Р → Л (А+Ц) (С=2+1-3=0);

нижче лінії ECF з аустеніту виділяється цементит вторинний;

при t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт (0,8 % С) розпадається на ферит і цементит, утворюючи перліт (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі чавун має структуру П+Л(П+Ц)+Ц_ІІ.

5. Евтектичного чавуну (4,3 % вуглецю):

при t = 1147^оС – рідина кристалізується з утворенням ледебуриту (евтектичне перетворення) (С=2+1-3=0);

при охолодженні до t = 727^оС (лінія PSK) – аустеніт розпадається з утворенням перліту (С=2+1-3=0);

структура чавуну при t > 727^оС – ледебурит (А+Ц);

при t < 727^оС – ледебурит (П+Ц).

6. Заевтектичного чавуну (більше 4,3 % вуглецю):

по лінії CD – з рідини виділяються кристали цементиту первинного

(С=2+1-2=1);

при t = 1147^оС – рідина з вмістом 4,3 % вуглецю кристалізується з утворенням ледебуриту (С=2+1-3=0);

при t = 727^оС – аустеніт перетворюється на перліт (евтектоїдне перетворення) (С=2+1-3=0);

при нормальній температурі структура чавуну – Ц_І + Л(П+Ц).

Рисунок 4.4. Мікроструктура доевтектичного, евтектичного та заевтектичного чавунів.

Контрольні питання:

1. Охарактеризуйте компоненти системи Fe-Fe₃C.

2. Охарактеризуйте фази системи Fe-Fe₃C:

2.2 Аустеніт

3. Розгляньте діаграму стану -Fe₃C:

3.1 В рідкому стані:

3.1.1 Що характеризують точки А и D?

3.1.2 Розгляньте лінії ліквідус та солідус.

3.1.3 Що характеризує точка Е?

3.1.4 Що випадає з рідкого розчину по лініях АС та СD?

3.1.5 Що кристалізується в точці С?

3.1.6 Як називається лінія ЕСF?

3.1.6 Що кристалізується по лініях АЕ, ЕС та СF?

3.2 В твердому стані:

3.2.1 Що відбувається в точці G?

3.2.2 Що характеризують точки S, Р, Q?

3.2.3 Що випадає по лінії SЕ?

Тема 4.2. Вуглецеві сталі

1. Класифікація сталей.**

2. Вплив хімічного складу на властивості сталі.**

3. Маркування конструкційних та інструментальних сталей.**

Класифікація сталей

1. За хімічним складом:

Вуглецеві.

Леговані.

2. За призначенням:

Конструкційні.

Інструментальні.

3. За якістю:

Звичайної якості.

Якісні.

Високоякісні.

4. За способом виробництва:

Конвертерні.

Мартенівські.

Електросталі.

5. За ступенем розкислення:

Киплячі (кп).

Напівспокійні (пс).

Спокійні (сп).

6. За структурою:

Доевтектоїдні (%С<0,8; Ф+П).

Евтектоїдні (%С=0,8; П).

Заевтектоїдні (%С>0,8; П+Ц).

7. За вмістом вуглецю:

Низьковуглецеві – С ≤ 0,25%.

Середньовуглецеві – С = 0,3-0,5%.

Високовуглецеві - С > 0,5%.

Вуглецеві сталі – багатокомпонентні сплави, які, крім заліза й вуглецю мають домішки марганцю, кремнію, фосфору, сірки.

Вплив вуглецю на властивості сталі (найбільший з усіх домішок):

із збільшенням вмісту вуглецю в структурі сталі зменшується кількість фериту і збільшується кількість цементиту, тому збільшується міцність σ_В, твердість НВ, зменшується пластичність δ та ударна в’язкість КСU. Міцність зростає до 0,8-1,2% С, потім зменшується через наявність крихкої сітки цементиту вторинного навколо перлітних зерен. З ростом кількості вуглецю погіршується зварюваність і оброблюваність різанням.

Вплив кремнію (0,35-0,5%): збільшення вмісту кремнію підвищує твердість і міцність через утворення з феритом твердого розчину, знижує пластичність.

Вплив марганцю (0,4-0,8%): збільшення вмісту марганцю підвищує міцність сталі через розчинність у фериті, зменшує шкідливий вплив сірки.

Кремній і марганець потрапляють в сталь при плавці та в процесі розкислення.

Вплив сірки (0,02-0,06%): шкідлива домішка; не розчиняється в залізі, а знаходиться у вигляді сірчистого заліза FeS, яке із залізом утворює легкоплавку евтектику Fe-FeS з t_пл = 985^оС, що розташовується по границях зерен. Це викликає червоноламкість – схильність до крихкого руйнування (утворення тріщин) під час гарячої обробки тиском (через розплавлення евтектики при нагріві зв’язок між зернами руйнується і утворюються тріщини). Для зниження червоноламкості в сталь вводять марганець, який утворює сполуку MnS з t_пл = 1620^оС. Сірка знижує пластичність і міцність сталі, корозійну стійкість, покращує оброблюваність різанням.

Вплив фосфору (0,015-0,05%): шкідлива домішка; розчиняється у фериті, підвищує міцність, зменшує пластичність і ударну в’язкість, викликає холодноламкість – схильність до крихкого руйнування при низьких температурах (через схильність фосфору до ліквації на границях зерен, де він утворює дуже тверді і крихкі сполуки). Чим більше в сталі вуглецю, тим більш шкідливим є вплив фосфору. Фосфор покращує оброблюваність різанням.

Гази в сталях (О₂, N₂, H₂) – шкідливі домішки, утворюють оксиди, нітриди і гідріди, які знижують механічні властивості.

Маркування вуглецевих сталей:

1. Конструкційні сталі (% С < 0,65) – для виготовлення деталей машин, металічних конструкцій, будівельних споруд.

Звичайної якості (ГОСТ 380-94, ДСТУ 265-94) – марки позначають літерами Ст («сталь») та цифрами, що означають умовний номер марки (від 0 до 6), літери в кінці марки кп, пс, сп – ступінь розкислення.

Наприклад: Ст3кп – конструкційна вуглецева сталь звичайної якості

з умовним номером 3, кипляча.

Ст5сп – вуглецева конструкційна сталь звичайної якості

P умовним номером 5, спокійна.

Чим більше умовний номер сплаву, тим більше вміст вуглецю. Ці сталі найдешевші, мають найвищий вміст фосфору і сірки.

Якісні сталі (ГОСТ 2050-85) – марки позначають двозначними числами, що означають середній вміст вуглецю у сотих долях відсотка.

Наприклад: сталь 05кп – конструкційна вуглецева якісна сталь, що містить

в середньому 0,05% вуглецю, кипляча;

сталь 20 - конструкційна вуглецева якісна сталь, що містить

в середньому 0,2% вуглецю;

сталь 65 - конструкційна вуглецева якісна сталь, що містить

в середньому 0,65% вуглецю.

Високоякісні сталі – в кінці марки мають букву А, наприклад: сталь 40А, сталь 65А. Мають найменший вміст сірки і фосфору.

Автоматні сталі (ГОСТ 1414-75) – мають добру оброблюваність різанням, підвищений вміст сірки і фосфору. Марки: А12; А20; А30 (числа – середній вміст вуглецю у сотих долях відсотка).

2. Інструментальні сталі (%С = 0,65 – 1,35) – для виготовлення різальних, вимірювальних інструментів та штампів.

Бувають якісні і високоякісні.

Марки позначають літерою У (вуглецева) та числами, що означають середній вміст вуглецю в десятих долях відсотка.

Наприклад: сталь У7 – інструментальна вуглецева сталь з середнім

вмістом вуглецю 0,7%;

сталь У12 - інструментальна вуглецева сталь з середнім

вмістом вуглецю 1,2%.

Високоякісні сталі позначають літерою А в кінці марки, наприклад:

Контрольні питання:

1. Наведить класифікацію сталей:

1.1 За хімічним складом:

1.2 За призначенням:

1.3 За якістю:

1.4 За способом виробництва:

1.5 За ступенем розкислення:

1.6 За структурою:

1.7 За вмістом вуглецю:

2. Які компоненти - домішки, крім заліза й вуглецю мають вуглецеві сталі?

3. Як впливають на властивості сталі домішки:

3.1 вуглецю?

3.2 марганцю?

3.3 кремнію?

3.4 фосфору?

3.5 сірки?

4. Як маркують конструкційні сталі:

4.1 Звичайної якості?

4.2 Якісні сталі?

4.3 Високоякісні сталі?

4.4 Автоматні сталі?

5. Як класифікують і маркують інструментальні сталі?

6. Охарактеризуйте сталі:

6.1 Ст3кп; Ст5сп;

6.2 сталь 05кп; сталь 20; сталь 65;

6.3 сталь 40А; сталь 65А;

6.4 А12; А20; А30;

6.5 сталь У7; сталь У10;

6.6 сталь У9А; сталь У12А.

Дата добавления: 2017-02-01