Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Диаграмма состояния железо - углерод

30.01.2019

Основоположниками современного металловедения являются П.П. Аносов и Д.К. Чернов.

К важнейшим работам П.П. Аносова относится изучение структуры травленых шлифов с помощью микроскопа, раскрытие утерянного секрета производства дамасской булатной стали, изучение влияния легирующих примесей на сталь.

Особенно велика роль Дмитрия Константиновича Чернова. Им были заложены основы современного представления о внутрикристаллическом изменении расположения атомов в процессе нагрева и охлаждения стали (полиморфизм железа). Критические температурные точки Д.К. Чернова, при которых происходит внутренняя перестройка кристаллической решетки, легли в основу учения о термической обработке стали и чугуна. He менее важны работы Д. К. Чернова по кристаллизации и строению слитка.

На рис. 42 дана диаграмма состояния Fe—Fe3C Чтобы понять эту диаграмму, необходимо сначала ознакомиться с основными фазами железоуглеродистых сплавов.

Железо имеет температуру плавления 1539° С.

В твердом состоянии железу свойственно явление аллотропии (переход из одного состояния в другое).

При температурах ниже 910 и выше 1400° С железо имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку. В первом случае оно называется а-Fe, во втором случае называется b-Fe. Между температурами 910 и 1400°С железо имеет кубическую гранецентрированную решетку и называется у-Fe.

а- и b-Fe очень мало растворяет углерода, максимальная растворимость углерода в b-Fe при 1490°С составляет 0.1%* а максимальная растворимость углерода в а-Fe при 723° С составляет 0,025%. Указанные растворы углерода в a-и b-Fe получили название феррит. На рис. 43 показана структура феррита.

Феррит очень пластичен (удлинение порядка 40%). мягок (в зависимости от размера кристаллов твердость по Бринелю колеблется 65HB—130HB) и сильно ферромагнитен ниже 768° С.

Железо с углеродом образует карбид железа Fe3C. получивший название цементита, последний содержит 6,67% С. Возможны некоторые отклонения от этого состава, но при этом сохраняется сложноромбическая решетка цементита. Цементит хрупок и очень тверд (около 700 HВ); при температуре выше 210° С цементит немагнитен. Цементит неустойчив, особенно при высоких температурах, и распадается на графит и твердый раствор, феррит или аустекит в зависимости от температуры.
Диаграмма состояния железо - углерод

Однако в малоуглеродистых сплавах цементит и при высоких температурах является устойчивой фазой, а поэтому его можно условно считать самостоятельным компонентом, образующим с железом систему Fe—Fe3C Данная система представлена на диаграмме железо — углерод сплошными лилиями. Эта диаграмма называется метастабнльной диаграммой, поскольку она отражает относительно устойчивое равновесие системы.

Аустенит — твердый раствор углерода в у-Fe (отмечается так же символом у) — существует при высоких температурах (не ниже 723° С). Максимальная растворимость углерода в у-Fe при 1130°C составляет 2%. Аустенит мягок и пластичен, немагнитен, хуже, чем феррит, проводит тепло. При сильном переохлаждении можно получить аустенит и при температуре много ниже 723° С; твердость его при низкой температуре 200—250 HB.

Кроме указанных фаз, имеются структурные составляющие, представляющие собой композицию из нескольких фаз.

Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита с цементитом — образуется при затвердевании жидкого раствора, имеющего температуру 1130°С и концентрацию 4,3% С.

Перлит — эвтектоидная смесь феррита с цементитом— образуется при распаде аустенита, имеющего концентрацию 0,8% С и температуру 723°С. Поскольку при 723° С аустенит превращается в перлит, то и в ледебурите ниже 723° С присутствует не аустенит, а перлит. Такой ледебурит называют превращенным ледебуритом, или ледебуритом перлитным в отличие от ледебурита аустенитного.

Метастабильная диаграмма железо — углерод состоит из нескольких областей, окаймленных различными линиями.

Буквами ABCD обозначена линия ликвидус и буквами AHIECF линия солидус. Между указанными линиями сплав состоит из двух фаз: между линиями AB и AHB находится жидкий раствор плюс твердый раствор b-Fe, Между линиями BC и IEC — жидкий раствор плюс твердый раствор у. Между линиями CD и CF — жидкий раствор плюс первичный цементит.

В области NIESGN расположена аустенитная область. Горизонтальная линия ECF характеризует эвтектическое превращение, протекающее при 1130°С, а горизонтальная линия PSK характеризует эвтектоидное превращение, протекающее при 723° С.

В области GSPG находится феррит плюс аустенит; в области ESOE — аустенит плюс вторичный цементит; в области ECLOE — аустенит плюс вторичный цементит и плюс ледебурит; в области CFKLC — ледебурит плюс вторичный цементит; в областях AHN и GPQ находится феррит.

Соответственно с диаграммой по условиям происхождения цементит разделяется на первичный, выделяющийся из жидкого раствора по линии CD (линия равновесия жидкого раствора с цементитом); эвтектический (составная часть эвтектики); вторичный, выделяющийся из аустенита по линии ES (линия равновесия аустенита с вторичным цементитом); эвтектоидный (составная часть перлита); третичный, выделяющийся из феррита по линии PQ (линия равновесия феррита с третичным цементитом).

Температура (точки) превращения железа из одной модификации в другую, эвтектоидного и магнитного превращений называются критическими.

Точка А1 соответствует температуре превращения перлита в аустенит (723° С) и обратно; точка A2 — температуре превращения магнитного a-Fe в немагнитное a-Fe (768° С) и обратно.

Точка A3 соответствует температуре превращения a-Fe —> y-Fe (910° С) и обратно.

Точки A1 и A3 называются также точками Чернова.

Реальные температуры превращения при охлаждении и при нагреве отличаются друг от друга, поэтому при нагреве пишут, например Ae1, а при охлаждении Ar1.

Температура 910° С для точки A3 соответствует превращению чистого железа. Если в T-Fe содержится углерод, то положение точки A3 на диаграмме Fe—Fe3C снижается (линия GS). При температуре 768° С точка A3 сливается с A2, а при температуре 723°С — с A1.

Сплавы, содержащие до 2,0% С, называются сталями, а содержащие больше 2,0% С — чугунами.

Рассмотрим последовательно характер образования структур для сталей и чугунов в процессе их охлаждения от жидкого состояния до комнатных температур.

На рис. 44 приведен левый участок диаграммы и кривые охлаждения для сталей с 0,6; 0,8 и 1,2% С.

При достижении сплавом (0,6% С) температуры ликвидус начинают выделяться кристаллы аустенита. Между температурами ликвидус и солидус присутствуют жидкий раствор и аустенит. При достижении температуры солидус весь жидкий раствор превращается в аустенит. При дальнейшем охлаждении аустенит достигает линии равновесия GS (равновесия аустенита с ферритом) у-Fe начинает пересыщаться ферритом и из него выделяются феррит с концентрацией, соответствующей равновесной линии GP. По мере выделения феррита остаток аустенита становится богаче углеродом, а при температуре A1 приобретает концентрацию 0,8% С и распадается, образуя механическую смесь из феррита и цементита, получившую название перлит. Эта механическая смесь называется эвтектоидом в отличие от эвтектики, поскольку она образовалась при распаде не жидкого, а твердого раствора. Конечная структура состоит из феррита и перлита.

При 0,8% С по мере охлаждения сплава и достижении температуры ликвидус из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы аустенита. Между ликвидусом и солидусом одновременно находится жидкий раствор и аустенит. При достижении температуры солидус весь сплав затвердевает и получается однофазная аустенитная структура. Дальнейшее охлаждение вплоть до 723° С ничего не изменяет, а при достижении 723° С аустенит распадается на смесь, состоящую из феррита и цементита, т. е. превращается в перлит (рис. 45).

По мере охлаждения сплава с 1,2% С и при достижении линии ликвидус из жидкого раствора начинают выделяться кристаллы аустенита. Между ликвидусом и солидусом одновременно находится жидкий раствор и аустенит. При достижении линии солидус сплав полностью затвердевает, образуя однофазную аустенитную структуру.

При дальнейшем охлаждении и достижении линии ES, являющейся линией равновесия аустенита с цементитом, из аустенита по мере его охлаждения и пересыщения выделяется вторичный цементит. Остаток аустенита становится беднее углеродом и при достижении температуры 723°С достигает концентрации 0,8% и превращается в перлит. Окончательная структура — перлит плюс вторичный цементит.

Стали, содержащие углерода менее 0,8%, называются доэвтектоидными; содержащие 0,8% С — эвтектоидными, а более 0,8% С — заэвтектоидными.

На рис. 46 представлен участок диаграммы Fe—Fe3C для сплавов, содержащих более 2,0% С, и кривые охлаждения для чугуна с 3,0; 4,3 и 5,0% С.

Для сплава с 3% С при достижении температуры ликвидус начинает выделяться аустенит; этот процесс продолжается вплоть до линии солидус. Однако при достижении солидуса часть жидкой фазы остается и тем в большем количестве, чем ближе была концентрация углерода в исходном сплаве к эвтектической (4,3% С). Ho поскольку выделялся аустенит, концентрация остатка жидкого раствора стала богаче углеродом до 4,3% и распалась на аустенит и цементит, т. е. превратилась в сплав эвтектического состава (ледебурит). При дальнейшем охлаждении кристаллы первичного аустенита пересыщаются и из них выделяется вторичный цементит в соответствии с линией равновесия ES. При достижении точки A1 в аустените остается 0,8% углерода и он превращается в перлит.

Окончательная структура чугуна: перлит плюс вторичный цементит плюс ледебурит.

При охлаждении сплава с 4,3% С до 1130°С жидкий сплав, затвердевает и образуется ледебурит (смесь цементита с аустенитом). При дальнейшем охлаждении из аустенитной части ледебурита выделяется цементит, аустенит обедняется углеродом и, когда охлаждение достигает точки A1, превращается в перлит. Окончательная структура: ледебурит, состоящий из цементита и перлита.

При охлаждении сплава с 5,0% С и достижении им линии CD из жидкого раствора выделяется первичный цементит, жидкий раствор обедняется углеродом и при эвтектической температуре (1130°С) затвердевает, превращаясь в ледебурит. Окончательная структура: первичный цементит и ледебурит.

Чугуны, содержащие до 4,3% С, называются доэвтектическими; 4,3% С — эвтектическими, а более 4,3% С — заэвтектическими.

Углеродистые стали


По структуре стали делят на феррито-перлитные (доэвтектоидные), перлитные (эвтектоидные) и перлитно-цементитные (заэвтектоидные).

Поскольку железоуглеродистые сплавы по структуре представляют собой механические смеси феррита с цементитом, то и свойства этих сплавов в значительной степени определяются этими структурными особенностями.

Феррит имеет большую пластичность (относительное удлинение 30—35%), малую прочность (ob = 30—35 кг/мм2) и малую твердость (80—90 HB).

Цементит весьма тверд (700—800 HB) и хрупок. Пластинчатый перлит имеет ob 80—90 кг/мм2, относительное удлинение 5—8% и твердость 240—260 HB.

По мере того, как в структуре возрастает количество перлита, растет прочность, но с появлением структурно-свободного цементита прочность начинает снижаться, твердость же продолжает расти.

В соответствии с правилом отрезков для стали с содержанием до 0,8% С количество перлита и феррита может быть определено по формуле

где П — % перлита;

Ф — % феррита;

С — содержание углерода в определяемом образце стали.

Поскольку механические свойства определяются их структурой, они могут быть представлены следующей схемой (рис. 47).

Между пределом прочности при растяжении оb и твердостью по Бринелю (HB) существует примерная зависимость:

По назначению стали делятся на строительные, конструкционные и инструментальные.

Чем ниже содержание углерода, тем сталь мягче, легче куется и сваривается.

В нелегированных сталях содержится в известных количествах кремний (до 0,37%) и марганец (до 0,7%). Это полезные примеси, они раскисляют сталь и улучшают ее качество.

Наряду с полезными примесями в сталях содержатся и вредные примеси, которые очень сильно сказываются на ее качестве. Так, сера вызывает красноломкость (металл легко разрушается при деформации в раскаленном состоянии). Фосфор вызывает хладноломкость (металл становится хрупким при температурах ниже нуля градусов). Существует еще явление синеломкости (металл приобретает хрупкость в нагретом состоянии при 200—300°С). Синеломкость обычно бывает в нераскисленных «кипящих» сталях. У кипящей стали снижается ударная вязкость при температурах ниже нуля градусов.

Качество стали зависит от способа производства и определяется содержанием примесей. Стали обыкновенного качества выплавляются в конвертерных и мартеновских печах, в них допускается до 0,065% S и до 0,085% Р, обычно перед маркой стали пишется буква Б, T или М, что означает соответственно: бессемеровская, томасовская, мартеновская.

Стали обыкновенного качества, согласно ГОСТ 380—50 по механическим свойствам маркируются следующим образом (табл. 7).

Котлы, топки работают в нагретом состоянии и у них может возникнуть синеломкость, поэтому стали для этих целей должны быть дегазированы, т. е. содержать минимальные количества кислорода и особенно азота.

Марки с малым содержанием углерода Ст. 1, Ст. 2 и особенно Ст. 3 применяют для сортового проката (строительные конструкции, мосты, краны, крюки, плуги и т. п.), а с более высоким содержанием углерода — для изготовления деталей машин, при этом их подвергают термической обработке.

Качественные стали получают в мартеновских печах; поставляют их по химическому составу и большей частью изделия из них подвергают термической обработке для улучшения механических свойств.

Качественные стали (ГОСТ В—1050—41) выпускают следующих марок: 08, 10,15,20,25,30, 35, 40,45,50,55, 60, 65. Эти марки характеризуют среднее содержание сотых долей процента углерода. В качественных сталях допускается до 0,045% P и S (каждого в отдельности), 0,17—0,37% Si, до 0,8% Mn.

Получают качественные стали с повышенным содержанием марганца (до 1,0%); в этих случаях они маркируются с буквой Б(15Г, 20Г, 30Г, 40Г, 50Г).

Кипящие (нераскисленные) стали содержат следы кремния (до 0,03%), мало марганца (менее 0,5%) и бывают только малоуглеродистые (08кп, 10кп, 15кп); они хорошо пластически деформируются.

В общем виде можно указать следующее применение сталей в зависимости от содержания углерода:

В ряде случаев сложные по конфигурации изделия производят не штамповкой, а методом литья, для чего применяют несколько иную маркировку: 15—4020, 25—4518, 35—5019, 45— -5512, 35—6010. Первые две цифры характеризуют содержание углерода в сотых долях процента, средние две цифры — ob, кг/мм2, а последние две цифры — о, %.

Для инструментов применяется инструментальная сталь. Инструмент всегда подвергают специальной термической обработке.

Для ударного инструмента применяется сталь с содержанием 0,65—0,90% С, а для режущего инструмента — 0,8—1,4% С.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—54) — это высококачественные стали. Они выплавляются в мартеновских и электрических печах и бывают следующих марок: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. В этих сталях номер марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Они содержат до 0,03% S и до 0,035% P. Буква А в конце марки (например, У8А) указывает на особую чистоту по сере и фосфору (до 0,02% S и до 0,03% Р). Буква Г на конце (например, У8Г) означает, что сталь содержит до 0,35—0,6% Mn, вместо 0,15—0,4%.

Чугуны


Чугунами, как мы уже указывали, называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,0% С.

Чугуны, у которых углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, весьма тверды и хрупки, не поддаются механической обработке и имеют ограниченное применение. Наибольшее практическое значение имеют чугуны, у которых углерод находится частично или полностью в свободном состоянии в виде графита. Благодаря этому чугун приобретает требуемые конструктивные свойства.

Графит может получаться как непосредственно в процессе остывания отливки в формах вследствие медленного охлаждения и содержания достаточного количества графитообразующих элементов Si и С, так и вследствие специального графитизирующего отжига, благодаря которому распадается цементит по реакции

Графит с железом образует систему, несколько отличающуюся от системы Fe—Fe3C. Если наложить диаграмму Fe—Fe3C на диаграмму Fe—Cгр, получается сдвиг линии. Пунктирные линии (рис. 45) характеризуют устойчивое (стабильное) равновесие, а сплошные — неустойчивое (метастабильное) равновесие. Диаграмма служит основой для изучения чугунов, поскольку последние образуются как по стабильной, так и по метастабильной системе.

Практически чугуны содержат углерода в пределах 2,5—3,8%; они обладают более низкими температурами плавления и лучшими литейными свойствами по сравнению со сталью.

По состоянию и формам углерода чугуны разделяют на белые, половинчатые, серые, высокопрочные и ковкие.

Белые чугуны от остальных видов чугуна отличаются тем, что почти весь углерод у них находится в связанном состоянии Fe3C. Вероятность получения последнего тем больше, чем быстрее остывает отливка, чем меньше она содержит графитизирующих примесей и больше карбидообразующих.

Чем больше в чугуне углерода, тем больше в структуре цементита и тем чугун более тверд и хрупок. Белый чугун почти не поддается обработке режущим инструментом.

Все другие чугуны в отличие от белого графитизированы. У них значительная часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита Cгр. Поэтому по структуре графитизированные чугуны можно рассматривать как сталь, пронизанную графитными включениями. Чем качественнее металлическая основа и чем меньше графит ослабляет данную основу, тем лучше чугун. He меньшее значение имеет и форма графита.

Половинчатым чугуном называется чугун, в структуре которого наряду с перлитом, вторичным цементитом и некоторым количеством ледебурита имеется и эвтектический графит.

В серых, высокопрочных и ковких чугунах в структуре нет ледебурита, а углерода в связанном состоянии либо совсем нет, либо имеется, но не более 0,8%. По этой причине твердость этих чугунов обычно не превышает 250—270 HB и они легко обрабатываются резцами.

Серым чугуном называется чугун, в котором графит разветвлен и имеет пластинчатую форму (рис. 48).

Обычные серые чугуны содержат от 2,8 до 3,8% С, из которых не более 0,8% С находится в связанном состоянии, в виде цементита, остальное количество углерода находится в свободном состоянии в виде графита.

Наилучшими являются серые чугуны с перлитной структурой.

Обыкновенный серый чугун имеет феррито-перлитную структуру с наличием пластинчатого разветвленного графита.

Малоуглеродистый (сталистый) серый чугун имеет преимущественно перлитную структуру с наличием мелко-пластинчатого графита.

Модифицированный серый чугун имеет перлитно-сорбитную структуру с дисперсным графитом.

Ковким чугуном называется чугун, имеющий хлопьевидную форму графита (рис. 49); такой графит называется углеродом отжига.

Хлопьевидная форма графита получается путем графитизирующего отжига ковкого чугуна.

Высокопрочным чугуном называется чугун, имеющий графит шаровидной формы (рис. 50). Из всех видов графита наиболее благоприятен шаровидный, он меньше ослабляет металлическую основу и тем самым лучше сохраняет присущие ей свойства (прочность и пластичность).

Шаровидная форма графита получается благодаря модифицированию жидкого чугуна перед заливкой в формы магнием, церием или их лигатурами (например, 80% FeSi и 20% Mg).

Производят пять марок высокопрочного чугуна (ГОСТ 7293—54), свойства которых приведены в табл. 8.

Металлическая основа высокопрочных Тугунов большей частью перлито-ферритная. Ho в зависимости от требуемых свойств она может быть или только перлитной, Или только ферритной.

Получение требуемой структуры металлической основы различных видов чугуна в первую очередь зависит от толщины стенок и содержания кремния.

Прочность отливок из серого чугуна можно ориентировочно найти:

Количество марганца в чугунах должно быть всегда достаточным, чтобы связать и нейтрализовать серу. Это количество выражается формулой Mn = 2S + 0,2. Чем больше марганца сверх этого количества (но не более 1,0—1,5%), тем легче получить перлит и тем труднее получить феррит. При большом количестве марганца чугун отбеливается.

Фосфор вызывает хрупкость, поэтому более 0,2% P не допускается ни в ковком, ни в высокопрочном чугуне, поскольку эти чугуны должны обладать пластичностью.

Весьма низкое содержание серы у высокопрочных чугунов объясняется обессеривающим действием магния.

Легированные чугуны получают для улучшения свойств чугуна, добавкой специальных примесей. Чаще всего в шихту дают для этого природнолегированные доменные чугуны. Легирование 0,8—1,0% Ni, 0,6—0,8% Cr увеличивает стойкость чугуна в щелочах. Для специальных целей применяют высоколегированные чугуны. Большое распространение получили феррито-карбидные высокохромистые чугуны Х-28 и Х-34, содержащие до 36% Cr. Эти чугуны жаростойки до 1100°C, стойки в азотной кислоте, против паров серы и сернистых соединений, в крепкой серной кислоте, фосфорной кислоте, в большинстве органических кислот и т. п.

Значительный интерес представляют никельмедистые чугуны (12—15% Ni, 5—8% Cu). Последний чугун известен под названием нирезист.

Преимуществом указанных чугунов по сравнению с хромистыми является меньшая твердость и лучшая обрабатываемость, но они менее доступны из-за дефицитности никеля.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: