Лекція 1.3 Діаграма стану залізо - вуглець. Будова, властивості та застосування вуглецевих сталей і чавунів

Мета: Ознайомити студентів із значенням діаграми стану залізо-цементит, властивостями основних компонентів залізовуглецевих сплавів, особливостями побудови діаграми та її фазовими і структурними складовими.

1 Призначення діаграми стану залізо – цементит.

2 Характеристика компонентів: заліза і вуглецю.

3 Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових.

4 Особливості діаграми стану. Характеристика крапок і діаграми.

5 Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні.

6 Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів.

7 Практичне застосування діаграми.

8 Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) хімічним складом; б) призначенням; в) якістю; г) способом виробництва; д) будовою; е) способами розкислення.

9 Поняття про вуглецеві сталі. Їх класифікація, будова, властивості, позначення, застосування.

10 Переваги і недоліки вуглецевих сталей.

11 Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою.

12 Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості.

13 Сірі чавуни, їх хімічний склад, будова, властивості, застосування.

14 Ковкий та високоміцний чавуни. Способи їх виготовлення, хімічний склад, будова, властивості, позначення, застосування.

15 Поняття про спеціальні чавуни.

16 Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей.

Рекомендована література

[1. с. 142 – 160, 160 –198; 3. с. 71 – 83; 4. с. 58 – 61, 62 – 65; 5. с. 90 – 102, 102 – 105, 111 – 120; 6. с. 75 – 88 ]

Призначення діаграми стану залізо – цементит. Діаграма стану або діаграма фазової рівноваги у зручній формі показує фазовий склад і структуру сплаву в залежності від температури та концентрації. Спрощена діаграма стану сплаву заліза з вуглецем побудована в інтервалі концентрацій вуглецю 0...6,67%, тобто до утворення хімічної сполуки карбіду заліза Fe₃C, який поводить себе як самостійний компонент. То ж можна вважати компонентами залізовуглецевих сплавів залізо і карбід заліза.

Діаграми стану дозволяють визначити фазові перетворення в умовах дуже повільного охолодження та нагрівання. Ці діаграми характеризують кінцевий стан сплавів, коли всі перетворення в них закінчилися. Цей стан сплаву залежить від зовнішніх умов (температура, тиск) і характеризується числом і концентрацією утворених фах.

Як правило, діаграми стану одержують експериментально і будують в координатах температура – концентрація у відсотках за масою. При цьому використовують криві охолодження застосовуючи термічний аналіз.

Характеристика компонентів сплаву: заліза і вуглецю. До залізо-вуглецевих сплавів належать сталі та чавуни. Для одержання заданих властивостей в сталь та чавун вводять легуючі елементи.

Чисте залізо – метал сріблястого кольору, порівняно м’який і пластичний, з густиною γ = 7,86 г/см³ та температурою плавлення t _пл =1539 ^оС. Міцність заліза складає 250 МПа, твердість НВ 60...80, пластичність δ = 45 %.

При атмосферному тиску в інтервалі температур від абсолютного нуля до 911 ^оС залізо має ОЦК кристалічну решітку (α-Fe). При температурі 911 ^оС відбувається поліморфне перетворення (утворюється ГЦК кристалічна решітка γ-Fe) стійке до 1392 ^оС (слайд 1.3-1); вище 1392 ^оС залізо знову переходить в фазу α-Fe, яку нерідко позначають як δ-залізо. Таким чином, критична температура перетворення α ↔ γ становить 1392 ^оС, а критична температура перетворення γ ↔ α – 911 ^оС.

Вуглець являється неметалевим поліморфним елементом. Температура плавлення вуглецю t _пл =1539 ^оС. У звичайних умовах він знаходиться у вигляді модифікації графіту.

Вуглець розчиняється в залізі у рідкому і твердому станах, а також може знаходитися у вигляді хімічної сполуки Fe₃C – цементиту, а у високовуглецевих сплавах і у вигляді графіту.

Взаємодія заліза з вуглецем та характеристика фазових і структурних складових. В системі Fe – C розрізняють наступні фази: рідкий сплав, тверді розчини – ферит і аустеніт, а також цементит і графіт.

Твердий розчин вуглецю в α-Fe і δ-Fe називається феритом (слайд 1.3-2), а в γ-Fe – аустенітом (слайд 1.3-3). Розчинність вуглецю в α-Fe досить мала і тому властивості фериту близькі до властивостей чистого заліза. Аустеніт має ГЦК решітку з крупними (в центрі куба) порами, зручними для розміщення атомів вуглецю, тому в γ-Fe розчиняється від 0,765 до 2,14 % С. Аустеніт – парамагнітна пластична фаза і його властивості залежать від вмісту вуглецю. Ферит і аустеніт, як і чисті метали, мають зернисту будову.

Цементит – хімічна сполука Fe₃C (карбід заліза), що містить 6,67 % С, відрізняється високою твердістю (≥800 НВ) крихкістю, температура плавлення 1600 ^оС. Кристалізується цементит по лінії ліквідусу СD (разом з тим, по лінії ліквідусу АС кристалізується аустеніт). В точці С при температурі 1147 ^оС і вмісту в розплаві 4,3 % С одночасно кристалізуються аустеніт і цементит, утворюючи при цьому евтектику – ледебурит.

Сплави заліза з вуглецем, в яких в результаті первинної кристалізації в рівновазі утворюється аустенітна структура, називають сталями. Отже сталі – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю до 2,14 % C.

Сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 %, в яких при кристалізації утворюється евтектика ледебурит, називають чавунами. Отже, чавуни – це залізовуглецеві сплави з вмістом вуглецю більше 2,14 % C.

Особливості діаграми стану. Характеристика крапок діаграми. Лінії ліквідусу АСD та солідуса AECF та їх відповідні відрізки GC, SE i PSK відображають перетворення в сплавах після затвердіння. Точка Е, що відповідає концентрації 2,14 % С, є критичною точкою і вертикаль, проведена через цю точку, поділяє залізовуглецеві сплави за структурою на дві групи (рис. 1.3-1 – діаграму стану залізо-цементит).

Зліва від вертикалі через цю точку розташовані сплави, які тверднуть з утворенням твердого розчину вуглецю в γ-залізі, що зветься аустенітом (А). Ці сплави досить пластичні, здатні оброблюватися тиском, їх звуть сталями.

Сплави, що праворуч від вертикалі через точку Е, з вмістом вуглецю більше 2,14 % С, тверднуть з утворенням евтектики (ледебуриту), що зменшує пластичність цього сплаву, але покращує ливарні властивості. Ці сплави називають чавунами.

Зазначені сплави (сталі і чавуни) є основними сплавами на основі заліза в системі Fe-C.

Рисунок 1.3-1 – Діаграма стану залізо-цементит

Перетворення в сталях і чавунах при нагріванні та охолодженні. Користуючись діаграмою стану залізо-цементит (рис. 1.3-1) аналізуємо та коментуємо фазовий склад та ті фазові перетворення які відбуваються при відповідних температурах для доевтектоїдної (0,3 % С), евтектоїдної (0,8 % С) та заевтектоїдної (1,2 % С) сталях при їх нагріванні та охолодженні.

Такий же аналіз з коментарями проводимо, користуючись зазначено діаграмою, і для чавунів – доевтектичного білого (3,0 % С), евтектичного білого (4,3 % С) та заевтектичного білого (5,0 % С) відповідно при нагріванні та охолодженні.

Взаємозв’язок будови і властивостей сплавів. Діаграми склад – властивість (слайд 1,3-4, Л.3 с. 74) є найцінніший додаток до діаграм стану сплавів: вони характеризують зміну властивостей сплаву в залежності від складу сплаву.

Ці діаграми дають інформацію про характер змін твердості та електропровідності в залежності від виду діаграм стану. Поряд із визначенням твердості, міцності, електропровідності діаграми стану дають можливість визначати ливарні властивості, здатність піддаватися обробці тиском, різанням тощо.

Практичне застосування діаграми. Діаграма стану сплавів системи залізо – цементит використовується практично для визначення температури плавлення та початку і кінця кристалізації для різних марок сталей та чавунів, визначати їх фазовий склад, температури фазових перетворень, оцінювати режими їх термічної обробки.

Класифікація сталей за наступними ознаками:

а) за хімічним складом (вмістом вуглецю) сталі поділяють на низьковуглецеві (до 0,3 % С), середньовуглецеві (0,3...0,6 % С) та високовуглецеві (понад 0,6 % С). Крім того, сталі містять крім вуглецю до 0,4 % Si, 0,5…0,8 % Mn і по 0,2...0,6 % S і P. Кремній і марганець є корисними домішками, розчиняючись у фериті, зміцнюють сталь. Сірка і фосфор – небажані домішки, від них намагаються позбутися. Сталі, в яких містяться спеціально введені домішки (легуючі елементи), що змінюють їх властивості називаються легованими.

б) за призначенням всі вуглецеві сталі поділяють на конструкційні (С≤ 0,8 %) та інструментальні (С ≥ 0,8 %). Існують також леговані сталі. У легованих сталях легуючі елементи змінюють їх властивості. Легуючі елементи підвищують міцність сталі. Найбільше зміцнюють кремній, марганець і нікель.

У якісних конструкційних сталях міститься менше сірки та фосфору (≤0,04 %). Ці сталі маркують числами 08, 10, 15, 20,..., 85, що вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка.

Число на початку марки конструкційної сталі вказує на вміст вуглецю у сотих долях відсотка, цифри після букв – середній вміст позначеного буквами елемента у відсотках, наприклад, 18Х2Н4В (0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni, 1 % W).

Інструментальні сталі поділяють на якісні: У7, У8...У12, У13 та високоякісні: У7А, У8А...У12А, У13А. Числа в марці сталі вказують на вміст вуглецю у десятих долях відсотка. Інструментальні сталі використовують для виготовлення різальних, вимірювальних та інших інструментів.

в) за якістю та способами розкислення сталі поділяють в залежності від вмісту в них шкідливих домішок – сірки та фосфору. До сталей звичайної якості відносять сталі з вмістом до 0,04...0,06 % сірки та фосфору. Позначають їх буквами Ст і цифрою – номером сталі, наприклад Ст1, Ст3, а таж вказується ступінь розкислення сталі: кипляча (кп), напівспокійна (пс), спокійна (сп), наприклад, Ст2кп, Ст4сп.

г) способом виробництва вуглецеві сталі звичайної якості випускаються гарячо- та холоднокатаними, у вигляді заготовок з установок безперервного лиття, труб, поковок, штамповок, стрічки, дроту. Вуглецева якісна сталь випускається гарячекатаною і кованою.

д) будовою сталі можуть бути відповідно перлітні, карбідні, феритні, аустенітні та мартенситні. Вони відрізняються механічними та технологічними властивостями.

Поняття про чавуни, їх класифікація за видом зламу і структурою. Як вуглецеві сталі чавуни містять постійні домішки, але в більших кількостях (3...3,5 % С; 1,5...3,0 % Si; біля 0,5 % Mn; до 0,12 % S та 0,3 % P). Графіт у сірому чавуні виділяється у вигляді пластинок, пластівців та кульок.

Чавуни з пластинчастим графітом називають звичайними сірими. Механічні властивості чавунів обумовлені їх структурою, що визначається не тільки хімічним складом, але й умовами затвердіння. Тому в марках чавунів зазначається їх властивості. Наприклад, марка сірого чавуну СЧ15 визначається: звичайний сірий чавун (СЧ) з межею міцності на розтяг 15 МПа.

Ковкі чавуни одержують з білих. При тривалому відпалюванні цементит розпадається з виділенням графіту у вигляді пластівців. Такі включення роблять чавун міцнішим і пластичнішим сірого чавуну і збільшують ударну в’язкість. Позначають ковкий чавун буквами КЧ, перше число в марці вказує межу міцності на розтяг, друге – відносне видовження, наприклад, КЧ 33-8.

Високоміцні чавуни містять графітні включення кулястої форми. Механічні властивості таких чавунів значно вищі: межа міцності на розтяг досягає 1200МПа, відносне видовження складає 2...17 %, а ударна в’язкість – 0,2...0,6 МДж/м². такий чавун у ряді випадків може замінювати сталь. Позначають його буквами ВЧ і числом – межею міцності на розтяг, наприклад, ВЧ 80.

Вплив домішок чавуну на його структуру і властивості. Більша частина вуглецю в сірому чавуні знаходить у вигляді пластинок (луски) графіту, що частково розмежовує металічну суцільність сплаву (звідси крихкість). До складу чавуну входить кремній (масовий вміст – 0,8...3,6 %) як компонент, що сприяє утворенню сірого чавуну. Утворюючи з залізом силіциди сприяє виділенню графіту. Зменшення таким чином в чавуні цементиту покращує оброблюваність його різальними інструментами. При цьому також знижується температура плавлення і покращення формоутворенню відливок.

Марганець збільшує стійкість карбіду заліза при затвердінні і охолодженні чавуну.

Сірка знижує рідкотекучість чавуну, роблячи його густим, що погано заповнює форму, надає чавуну крихкість. Максимально допустимий вміст сірки в ливарному чавуні до 0,07 %.

фосфор створю в чавуні тверду і крихку фосфідну евтектику. Фосфор також знижує температуру плавлення, збільшує його рідкотекучість і зменшує усадку. Це дає можливість одержувати із фосфористого чавуну тонкі відливки з чистою і гладкою поверхнею, що використовують при художньому литті.

Вплив домішок на властивості вуглецевих сталей. Крім вуглецю у складі вуглецевої сталі завжди присутні кремній, марганець, сірка і фосфор, які певним чином впливають на властивості сталі. З підвищення масового вмісту вуглецю твердість, часовий опір σ_в і межа пружності σ_пр зростають, разом з тим відносне видовження δ зменшується.

Постійні домішки сталі звичайно містяться в межах (%): кремній – до 0,5; сірка – до 0,05; марганець – до 0,7; фосфор – до 0,05.

Кремній і марганець в зазначених межах суттєво на властивості сталі не впливають. З підвищенням їх масового вмісту спостерігається зростання твердості і міцності сталі. Це вже вважаються сталі легованими.

Сірка являється шкідливою домішкою, бо утворені нею хімічні сполуки з залізом підвищують червонокрихкість сталі, знижується пластичність і міцність, опір стиранню і корозійна стійкість.

Фосфор придає сталі холодноламкість (крихкість при звичайній та пониженій температурі).

Дата добавления: 2014-01-07