Стали и чугуны

Сплавы железа с углеродом издавна разделяли на две большие группы: стали и чугуны.

Границей между этими двумя группами сплавов является точка E с содержанием углерода 2,14 % – предел растворимости углерода в железе. Но и задолго до появления точных методов анализа, и вообще материаловедения как науки, мастера плавильного и кузнечного дела прекрасно отличали сталь от чугуна, получали их и обрабатывали. Эти сплавы имеют совершенно разные технологические свойства: сталь можно ковать, прокатывать, вытягивать в тонкую проволоку, с чугуном же это проделать не удастся, он разрушается от ударных и растягивающих нагрузок. Зато чугун является одним из лучших литейных сплавов, позволяя получать тонкостенные фасонные отливки.

Эта разница в свойствах становится понятна, если проанализировать диаграмму состояния железо – углерод. Все стали (сплавы, содержащие менее 2 % углерода) при нагреве становятся однофазными. Фаза эта – аустенит, твердый раствор на базе железа с ГЦК решеткой. Металлы с таким типом решетки наиболее пластичны. Поэтому сталь – сплав деформируемый.

Чугун же до самой температуры плавления остается двухфазным, и одна из этих фаз – твердый хрупкий цементит, который не позволяет деформировать материал. Но чугуны кристаллизуются в относительно узком интервале температур, заканчивается кристаллизация образованием эвтектики при постоянной температуре. Это значит, что такие сплавы должны иметь хорошие литейные свойства (высокую жидкотекучесть, малую усадку) и не образовывать литейных дефектов. Поэтому чугуны – сплавы литейные.

Надо еще отметить, что фазовые превращения в твердом состоянии позволяют упрочнять сталь термической обработкой. Для чугуна термообработка неэффективна, так как эвтектика – ледебурит – остается неизменной до температуры плавления.

Классификация сплавов железа с углеродом по структуре

По структуре различают следующие группы сталей:

1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02 %. Структура сплава однофазная – феррит (рис. 65, а);

2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 %. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис. 65, б);

3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8 %. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис. 65, в);

4)
заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 %. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис. 65, г).

а б в г

Рис. 65. Микроструктура углеродистых сталей:

а – техническое железо; б – доэвтектоидная сталь;

в – эвтектоидная сталь; г – заэвтектоидная сталь

Чугуны, изображенные на диаграмме, относятся к группе белых чугунов. В них весь углерод находится в связанном виде – в виде цементита Fe₃C. По структуре различают следующие разновидности белых чугунов:

1) доэвтектические белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 %. Структура сплавов состоит из эвтектики (ледебурита) и участков перлита;

2) эвтектический белый чугун с содержанием углерода 4,3 %. Структура сплава – ледебурит, состоящий из цементита (светлая составляющая) и перлита (темные участки);

3) заэвтектический белый чугун с содержанием углерода от 4,3 до 6,69 %. Структура состоит из пластин первичного цементита и ледебурита.

а б в

Рис. 66. Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун;

в – заэвтектический белый чугун

Дата добавления: 2014-01-11