Железоуглеродистые сплавы.

Лекция №3.

1.Железо и его свойства.

2.Углерод и его свойства.

3.Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

4.Зависимость свойств железоуглеродистых сплавов от содержания

углерода и постоянных примесей.

Железо и его свойства.

Чистое железо- металл серебристо-белого цвета, тугоплавкий. Температура плавления железа 1539ºС. Железо имеет две полиморфные модификации, α и γ.

При температурах ниже 910ºС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Эту модификацию называют α-железо., α-железо магнитно до температуры 768ºС (точка Кюри).

При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при 910ºС превращается в гранецентрированную кубическую решетку, α-железо превращается в γ-железо., γ-железо существует при температуре 910-1392ºС.

В интервале температур 1392-1539º существует α-железо, которое обозначают также δ-железо.

Углерод и его свойства.

Углерод является неметаллическим элементом. Температура плавления углерода 3500ºС. Углерод в природе может существовать в двух полиморфных модификациях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде углерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, может образовывать химическое соединение- цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф)- твердый раствор внедрения углерода и других элементов в α-железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005%. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А)- твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе. Существует только при высоких температурах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц)-химическое соединение железа с углеродом. В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600ºС. Имеет сложную кристаллическую решетку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоуглеродистых сплавов. Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше его твердость.

Графит- аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влияет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П)- механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727ºС. Этот распад называется эвтектоидным, а перлит- эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит- механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Образуется в результате эвтектического превращения при температуре 1147ºС. При температуре 727ºС аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

Зависимость свойств железоуглеродистых сплавов

от содержания углерода и постоянных примесей.

Промышленные стали и чугуны- это многокомпонентные сплавы, в состав которых помимо железа и углерода входят так называемые постоянные примеси. Постоянными примесями являются марганец, кремний, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства, фосфор и сера, а также газы- кислород, азот, водород, которые невозможно полностью удалить из металла. Содержание углерода и примесей оказывает влияние на свойства железоуглеродистых сплавов.

Углерод оказывает большое влияние на механические свойства сталей. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше в ее структуре содержится цементита. Так как цементит обладает высокой твердостью и хрупкостью, увеличение его количества приводит к повышению прочности и твердости стали, к уменьшению ее пластичности и вязкости. С увеличением содержания углерода в стали снижаются плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость, растет электросопротивление.

Кремний и марганец считают полезными примесями. При выплавке стали их добавляют для раскисления. Соединяясь с кислородом закиси железа, они в виде окислов переходят в шлак. В результате раскисления свойства стали улучшается.

Кремний, оставшийся в стали после раскисления, повышает предел текучести, что снижает ее способность к холодной обработке давлением. Поэтому в сталях для штамповки содержание кремния должно быть снижено.

Марганец заметно повышает прочность стали, не снижая ее пластичности, резко уменьшает хрупкость при высоких температурах, удаляя серу из расплава.

Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор уменьшает пластичность и вязкость стали, увеличивает ее склонность к образованию трещин при низких температурах. Сера снижает ударную вязкость, пластичность, предел выносливости, свариваемость и коррозионную стойкость сталей. Сера вызывает охрупчивание стали при высоких температурах. Содержание серы и фосфора в стали строго ограничивается.

Кислород, азот, водород отрицательно влияют на свойства сталей.

В машиностроительных чугунах углерод присутствует в виде графита. Графит обладает очень низкими механическими свойствами. Поэтому чем больше графита присутствует в структуре чугуна и чем грубее его включения, тем хуже свойства чугуна. Но он способствует повышению обрабатываемости чугунов резанием, придает им антифрикционные свойства при трении и гасит влияние вибраций и ударов.

Кремний существенно влияет на структуру чугуна, усиливая его графитизацию. Марганец повышает механические свойства чугуна и препятствует их графитизации. Фосфор повышает износостойкость, но охрупчивает чугуны. Сера свойства чугуна ухудшает.

Дата добавления: 2014-01-13