Сплавы железа с углеродом

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — наиболее важные металлические сплавы современной техники. Достаточно сказать, что производство стали и чугуна по объему намного пре­восходит производство всех других металлов вместе взятых.

Максимальное содержание углерода в сплавах с железом составляет 6,67%. Это значение соответствует содержанию угле­рода в карбиде железа Fe₃C (цементит), который и будем рассмат­ривать дальше как самостоятельный компонент. Диаграмма со­стояния железоуглеродистых сплавов Fe-C (рис. 5.23) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое значение, и может быть представлена в системе железо-углерод (пунктирные линии) или железо-цементит (сплошные линии).

Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — цемен­тит (сплошные линии).

Железо — металл серебристо-белого цвета, обладающий очень высокой пластичностью (относительное удлинение состав­ляет около 50%) при невысокой прочности (180-250) МПа. Тем­пература плавления железа 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — Ре_о(объемноцентри-рованный куб) и Fe (гранецентрированный куб).

Цементит — это химическое соединение Fe_}C (карбид желе­за). Кристаллическая решетка цементита очень сложна. Темпе­ратура плавления цементита около 1250°С. Аллотропических пре­вращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо магнитен. Он имеет очень высокую твердость, соизме­римую с твердостью алмаза (НВ > 800), при этом его пластич­ность близка к нулю. Цементит — соединение неустойчивое и при высоких температурах распадается с образованием свобод­ного углерода в виде графита.

Помимо основных компонентов в структуре железоуглеро­дистых сплавов можно обнаружить следующие структурные со­ставляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо. Он обладает сравнительно невысокой твердостью НВ (65-130), пластичен (5 = 40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло, обладает хорошей электропроводностью.

Растворимость углерода в феррите очень мала и составляет при температуре 727°С всего 0,025%, при комнатной температу­ре она много ниже и составляет 0,006%.Твердый раствор углеро­да в 8-железе носит название 5-феррит или высокотемператур­ный феррит.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в у-железе, имеет решетку гранецентрированного куба. Аустенит не магнитен, об­ладает относительно невысокой твердостью НВ (170-200). Мак­симальная растворимость углерода 2,14% при температуре 1147°С. При температуре 727°С растворимость углерода состав­ляет 0,83%.

Перлит (П) — механическая смесь, состоящая из очень тон­ких пластинок или зерен цементита и феррита. Образуется в ре­зультате распада аустенита при температуре 727*С. Содержание углерода в перлите 0,83%. Поскольку превращение аустенита в пер­лит происходит в твердом состоянии, эта смесь называется эвтектоид (а не эвтектика, которая образуется при первичной кристал­лизации). Элементарная кристаллическая ячейка перлита представ­ляет собой композицию двух решеток — феррита и цементита, объединенных общими связями, поэтому свойства перлита будут представлять некую величину, лежащую между свойствами фер­рита и цементита. Так, твердость по Бринелю составляет около 250 НВ, относительное удлинение 5 = 12-15%.

Ледебурит — механическая смесь (эвтектика), образован­ная цементитом и аустенитом, содержащая 4,3% при температу­ре 727°С. В интервале температур от 1147 до 727°С ледебурит со­стоит из аустенита и цементита, при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Ледебурит характеризуется высокой твер­достью (НВ = 700 МПа) и, следовательно, высокой прочностью, но в то же время пластичность его близка к нулю.

Точка А на диаграмме (Рис. 5.23, стр. 165) показывает темпе­ратуру плавления чистого железа, точка D — температуру плав­ления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ABCD (линия ликвидус) и заканчивается на линии AHJECF (линия солидус). В температурном интервале кристал­лизации существуют одновременно две фазы — жидкий расплав и кристаллы избыточного компонента по отношению к составу эвтектики.

Ниже линии солидус в затвердевших сплавах при понижении температуры происходят дальнейшие изменения структуры. Это связано с аллотропическими превращениями железа и называет­ся вторичной кристаллизацией. Сплавы с содержанием углерода до 2,14% в области IV состоят из одного аустенита. При охлажде­нии сплава на линии GS начинается образование феррита, а на линии SE — вторичного цементита. Остающийся при этом аусте­нит при температуре 727°С полностью распадается на феррит и цементит, образуя при этом механическую смесь эвтектоидного состава (перлит).

Таким образом, сплавы с содержанием углерода до 0,83% называются доэвтектоидными и состоят при нормальной темпе­ратуре из феррита и перлита. Сплавы с содержанием углерода 0,83% называются эвтектоидными и состоят из перлита. Если кон­центрация углерода находится в пределах 0,83%-2,14%, сплав называют заэвтектоидным, и его состав — перлит и цементит вто­ричный.

Рассмотрим превращения в сплавах с содержанием углерода более 2,14%. В точке С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита с образованием сплава эвтектического со­става— ледебурита. При содержании углерода (2,14-4,3)% сплав называют доэвтектическим, и он состоит из цементита вторично­го, аустенита и ледебурита. При содержании углерода (4,3-6,67)% сплав называется заэвтектическим и состоит из цементита и леде­бурита. Сплав с содержанием углерода до 2,14% называется сталь, а больше 2,14% —чугун.

Чугуны по содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% уг­лерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и PSK (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит. превращается в перлит, а доэвтектические чу­гуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением коли­чества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увели­чивается — ледебурита.

Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в ко­личестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной темпе­ратуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектиче­ский чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.

Заэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристал­лов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшая­ся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтек­тические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрас­тает и содержание цементита.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Стали классифицируются по следующим признакам:

1. По химическому составу: 1 — углеродистые; 2 — легированные.

Углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3%; среднеуглеродистые (0,3-0,65) С% и высокоуглеродистые с содержанием углерода от 0,7 до 1,4%.

Легированные стали — стали, в состав которых входят различ­ные элементы, придающие сталям требуемые свойства. Сущность процесса легирования заключается во введении в сплав компонен­тов, которые изменяют структуру сплава и, следовательно, придают ему требуемые свойства. В зависимости от количества легиру­ющих компонентов в сплаве различают:

— низколегированные стали — до 5% легирующих компонен­тов; среднелегированные стали — 5-10% легирующих ком­понентов; высоколегированные стали с содержанием леги­рующих компонентов более 10%. Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Например: сталь 1X18Н9Т содержит 0,01 % углерода, 18% хрома, 9% никеля и около 1% титана

По назначению — стали подразделяются на конструкци­онные и инструментальные. Конструкционные стали должны обладать запасом пластично­сти, так как большинство строительных конструкций работает в области нестатических нагрузок, а в этом случае пластические ха­рактеристики должны быть на высоком уровне. В отличие от конструкционных инструментальные стали дол­жны быть твердыми и прочными. В качестве инструментальных сталей, как правило, применяют высокоуглеродистые или специ­альные легированные стали.

Дата добавления: 2014-01-20