Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.

Компоненты, фазы и структурные составляющие сплавов железа с углеродом. Железо — пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления - 1539 °С, плотность 7,83 г/см³. Ниже температуры плавления (1539^oС) железо может находиться в ОЦК или ГЦК структурной модификации. ОЦК решетка железа реализуется ниже 911^oС (α-фаза) и от 1392^oС до температуры плавления (δ-фаза). В интервале 911-1392^oС энергетически выгодна γ-фаза с ГЦК-решеткой. При 768^oС железо испытывает магнитное превращение: ниже оно является ферромагнетиком, а выше – парамагнитным.

С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы внедрения.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe₃С. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α- железе. Содержание углерода в феррите очень невелико - максимальное 0,02% при температуре 727 °С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твер­дость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Fe_α (т. е. в Fe_δ) часто называют δ- ферритом или высокотемпературным ферритом.

Аустенит - это твердый раствор внедрения углерода в γ- железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14 % (при температуре 1147 °С). Имеет твердость НВ 220.

Перлит - это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом. Эвтектоид - это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

Ледебурит представляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3 % углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147 °С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

Диаграмма Fе-Fе₃С. На рисунке приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100 % содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67 % углерода) соответствует 100 % содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

Линия АВСД диаграммы является линией ликвидус - начало кристаллизации: на участке АВ - феррита, ВС - аустенита и СД - первичного цементита. Линия AHJECF является линией солидус диаграммы.

Эвтектика образуется из аустенита и цементита и называется ледебуритом. По линии из жидкости начинает выделяться аустенит, в области располагается жидкость + аустенит. В процессе кристаллизации состав аустенита изменяется по кривой , а состав жидкости – по кривой . Относительное содержание этих фаз для любой точки можно определить по правилу отрезков.

По линии из жидкости начинает выделяться цементит, называемый первичным. Состав жидкости в процессе кристаллизации изменяется по линии и к концу кристаллизации соответствует точке . В треугольнике находятся жидкость + первичный цементит. По достижении температуры, соответствующей горизонтали , происходит эвтектическая реакция:

.

Все сплавы правее точки называются чугунами, а левее (2,14%) – сталями. Из диаграммы видно, что их строение и фазовый состав должны быть отличны. Существенно различаются также их свойства: стали гораздо пластичнее, что обусловило их широкое применение в технике.

Теперь рассмотрим “стальную” часть диаграммы. В верхней части (выше 1392 ^oС) имеется перитектическое превращение. Из жидкости по линии начинают выделяться кристаллы твердого раствора -феррита. В процессе кристаллизации состав (содержание углерода) в жидкости изменяется по линии , а состав - феррита – по АН. К концу кристаллизации жидкость имеет состав, соответствующий точке В, а - феррит – точке Н. По линии НВ происходит перитектическая реакция, в результате которой образуются кристаллы нового твердого раствора – аустенита с составом по реакции:

.

По правилу отрезков легко увидеть, что для этого необходимо жидкости и феррита. Для сплавов, соответствующих отрезку , имеется избыток жидкости, сплав представляет собой жидкость + аустенит, и кристаллизация будет продолжаться. Сплавы отрезка имеют избыток феррита, в треугольнике находятся феррит + аустенит, а по линии оставшийся феррит переходит в аустенит. Линия показывает предельную растворимость углерода в феррите.

Обширную область на диаграмме занимает аустенит. - линия предельной растворимости углерода в аустените. Однако для углеродистых сталей аустенит может существовать только выше температуры, соответствующей горизонтали (для легированных сталей, в которые введены дополнительные легирующие элементы, дело обстоит иначе).

При достижении горизонтали РК происходит эвтектоиднаяреакция, аналогичная образованию эвтектики, но в твердом состоянии. В этом случае речь идет о фазовом превращении, в результате которого из аустенита образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита. По линии из аустенита начинается выделяться феррит. При этом состав аустенита изменяется по линии , а состав феррита – по линии . По линии из аустенита выделяется цементит, называемый вторичным, и в конце превращения его состав соответствует точке . Далее весь оставшийся аустенит одновременно переходит в эвтектоидную смесь феррита и цементита

Эта смесь имеет состав 0,83% (точка ) и называется перлитом.

Таким образом, стали в равновесном состоянии (допустим, после отжига) могут иметь следующие структуры: до линии - феррит; далее, до концентрации 0,83%С – доэвтектоидные стали, содержащие зерна феррита (светлые) и перлита (темные). Чем больше содержание углерода, тем больше зерен перлита. 0,83%С - стали эвтектоидного состава имеют микроструктуру пластинчатого перлита, состоящего из пластинок феррита и цементита. Встречается также другое расположение фаз – зернистый перлит.

Содержание углерода более 0,83%С соответствует заэвтектоидным сталям (в практике используются стали с содержанием углерода до 1,2-1,3%). Их микроструктура представляет собой зерна перлита, окаймленные избыточным цементитом.

Микроструктура доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоиднй стали.

Значение диаграммы железо - цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.

Стали

Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится не более 2,14%. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5 %.

Влияние углерода и примесей на свойства стали. Углерод существенно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. В стали имеются две фазы - феррит и цементит (частично в виде перлита). Количество цементита возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Как уже говорилось, феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью, а цементит, напротив, очень низкой пластичностью и высокой твердостью. Поэтому с повышением содержания углерода до 1,2 % снижаются пластичность и вязкость стали и повышаются твердость и прочность.

Повышение содержания углерода влияет и на технологические свойства стали. Ковкость, свариваемость и обрабатываемость резанием ухудшаются, но литейные свойства улучшаются.

Кроме железа и углерода в стали всегда присутствуют постоянные примеси. Наличие примесей объясняется технологическими особенностями производства стали (марганец, кремний) и невозможностью полного удаления примесей, попавших в сталь из железной руды (сера, фосфор, кислород, водород, азот). Возможны также случайные примеси (хром, никель, медь и др.).

Марганец и кремний вводят в любую сталь для раскисления, т.е. для удаления вредных примесей оксида железа FеО. Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа. При этом содержание марганца обычно не превышает 0,8 %, а кремния - 0,4 %. Марганец повышает прочность, а кремний упругость стали.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажает кристаллическую решетку, снижая при этом пластичность и вязкость, но повышая прочность. Вредное влияние фосфора заключается в том, что он сильно повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние, т.е. вызывает ее хладноломкость. Вредность фосфора усугубляется тем, что он может распределяться в стали неравномерно. Поэтому содержания фосфора в стали ограничивается величиной 0,045 %.

Сера также является вредной примесью. Она нерастворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который образует с железом легкоплавкую эвтектику. Эвтектика располагается по границам зерен и делает сталь хрупкой при высоких температурах. Это явление называется красноломкостью. Количество серы в стали ограничивается 0,05 %.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах. Они являются вредными примесями, ухудшающими свойства стали.

Классификация сталей. По химическому составу стали могут быть углеродистыми, содержащими железо, углерод и примеси и легированными (подробнее в следующей лекции), содержащими дополнительно легирующие элементы, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода стали делятся на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25 … 0,7 % С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений, инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента, а также стали специального назначения с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др..

По показателям качества стали классифицируются на обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Качество стали характеризуется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим составом, содержанием газов и вредных примесей (серы и фосфора). В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны содержать не более 0,045 % Р и 0,05 % S, качественные - не более 0,035 % Р и 0,04 % S, высококачественные - не более 0,025 % Р и 0,025 % S и особо высококачественные - не более 0,025 % Р и 0,015 % S.

Углеродистые конструкционные стали могут быть только обыкновенного качества и качественными.

Качественные конструкционные углеродистые стати маркируются цифрами 08, 10, 15, 20, 25, ..., 85, которые обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Эти стали отличаются от сталей обыкновенного качества большей прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Если для сталей обыкновенного качества максимальная прочность составляет 700 МПа, то для качественной она достигает 1100 МПа.

Чугуны

Чугуном называют сплав железа с углеродом, содержащий от 2,14 до 6,67 % углерода. Но это теоретическое определение. На практике содержание углерода в чугунах находится в пределах 2,5…4,5 %. В качестве примесей чугун содержит Si, Мn, S и Р.

Классификация чугунов. В зависимости от того, в какой форме содержится углерод в чугунах, различают следующие их виды. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Структура белого чугуна соответствует диаграмме Fе-Fе₃С. В сером чугуне большая часть углерода находится в виде графита, включения которого имеют пластинчатую форму. В высокопрочном чугуне графитные включения имеют шаровидную форму, а в ковком - хлопьевидную. Содержание углерода в виде цементита в сером, высоко­прочном и ковком чугунах может составлять не более 0,8%.

Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как предельный чугун, т.е. идет на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой - белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изго­товление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.

Таким образом, структура машиностроительных чугунов состоит из металлической основы и графитных включений. По металлической основе они классифицируются на ферритный чугун (весь углерод содержится в виде графита), феррито-перлитный и перлитный (содержит 0,8% углерода в виде цементита). Характер металлической основы влияет на механические свойства чугунов: прочность и твердость выше у перлитных, а пластичность — у ферритных.

Серый чугун имеет пластинчатые графитные включения. Структура серого чугуна схематически изображена на рис. 1,а. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.

Рис. 1. Схематическое изображение структур чугунов: а) серого, б) высокопрочного, в) ковкого.

На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний.

Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5 %. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механические и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и размера графитных включений. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Поэтому графитные включения можно считать нарушениями сплошности, ослабляющими ме­таллическую основу. Так как пластинчатые включения наиболее сильно ослабляют металлическую основу, серый чугун имеет наиболее низкие характеристики, как прочности, так и пластичности среди всех машиностроительных чугунов. Уменьшение размера графитных включений улучшает механические свойства. Измельчению графитных включений способствует кремний.

Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности. Так, чугун СЧ 35 имеет σ_в=350 МПа. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20. ..., СЧ 45.

Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения. Структура высокопрочного чугуна изображена на рис. 1,б. Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03…0,07 %. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.

Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т. д.

Маркируется высокопрочный чугун буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности. Например, чугун ВЧ 60 имеет σ_в = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей - зубчатых колес, валов и др.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения (рис. 1, в). Его получают из белого чугуна путем графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950…970 °С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит из перлита и небольшого количества (до 20 %) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (720…760 °С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10 %). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.

Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σ_в = 450 МПа и δ= 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 33-8, КЧ 37-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Поиск по сайту: