Сплавы на основе железа

ЛЕКЦИЯ 7 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Железо - серебристо-серый металл, принадлежащий к VIII группе периодической системы, имеет температуру плавления 1536ºС. Чистое лабораторное железо содержит не более 0,0001% (или 10-4%) примесей, технически чистое - около 0,1-0,15% примесей. Прочность технического железа невелика: σв = 250МПа при довольно высокой пластичности δ = 50% , ψ = 80%. Железо в твердом состоянии может находиться в двух полиморфных модификациях: с ОЦК решеткой и ГЦК решеткой. Ниже 911°С и выше 1392°С устойчиво α -железо с ОЦК решеткой (обозначается Feα). Высокотемпературную модификацию (выше 1392°С) α-железа иногда называют δ-железом, хотя оно не представляет собой новой кристаллической фазы. В интервале температур 911-1392°С железо имеет модификацию γ-железо с ГЦК решеткой (обозначается Feγ ). Кривая охлаждения железа фиксирует два полиморфных и одно магнитное превращение (рис.7.1). При магнитном превращении температурная остановка при 768°С (точка Кюри) связана не с перестройкой кристаллической решетки, а с внутриатомными изменениями внешних и внутренних электронных оболочек, которые и приводят к изменениям магнитных свойств. Углерод принадлежит к IV группе периодической системы. Углерод встречается в природе в виде двух основных модификаций: алмаза и графита. Температура плавления графита 3500°С. Графит имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит - мягкий материал и обладает низкой прочностью. Прочность графита с увеличением температуры аномально растет: при 20°С σв = 20МПа, при 2500°С графит прочнее всех тугоплавких металлов. На этом основаны современные методы создания сверхпрочных материалов, упрочненных углеродными волокнами и графитовыми включениями. Рис.7.1. Кривая охлаждения железа. Углерод образует с железом твердые растворы внедрения. Растворимость углерода в железе зависит от его кристаллической решетки. Диаметр поры кристаллической решетки ОЦК значительно меньше, чем диаметр поры решетки ГЦК. Поэтому α-Fe способно растворять углерод в очень малом количестве, а растворимость углерода в γ-Fe существенно больше. При взаимодействии в твердом состоянии железо и углерод могут образовывать различные структурные составляющие. СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ К железоуглеродистым сплавам относятся стали и чугуны. Сталь – сплав железа с углеродом при содержании углерода не более 2,14%. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2,14% до 6,67%. Максимальное содержание углерода в железоуглеродистых сплавах составляет 6,67%. В структуре сталей могут образовываться следующие составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит. Аустенит - твердый раствор углерода в γ-Fe. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации. Может присутствовать в структуре сталей только при высоких температурах (выше 727оС). Максимальная растворимость углерода в γ-Fe, следовательно максимальное содержание углерода в аустените 2,14% при 1147 оС. Аустенит имеет невысокую прочность и твердость и достаточно пластичен. Является однородной однофазной структурой. Обозначается буквой А. Формула аустенита Feγ (С). Феррит – твердый раствор углерода в α-Fe. Образуется из аустенита при вторичной кристаллизации. Растворимость углерода в α-Fe при комнатной температуре равна 0,006%. Максимальная растворимость углерода в феррите, следовательно максимальное содержание углерода в феррите 0,02% при 727оС. Феррит является самой мягкой структурной составляющей. Имеет незначительную прочность и твердость, но высокую пластичность. В структуре проявляется в виде зерен правильной округлой формы. Является однородной однофазной структурой. Может присутствовать в структуре при комнатной температуре. Обозначается буквой Ф. Формула феррита Feα (С). Цементит – химическое соединение железа и углерода. Формула цементита Fe3C. В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1240 -1250 оС. Цементит имеет очень высокую твердость, но обладает при этом высокой хрупкостью и практически нулевой пластичностью. Цементит является самой твердой структурной составляющей. Имеет пластинчатое строение. Является однофазной структурой. В сталях может образовываться только цементит вторичный. Обозначается буквой Ц II. Перлит – механическая смесь феррита и цементита вторичного. Образуется из аустенита при температуре 727оС. Называется эвтектоидом (аналогично эвтектике, но образуется из твердой фазы). Перлит содержит 0,8% углерода. Является двухфазной структурой. Имеет пластинчатое строение (чередование пластин феррита и цементита), либо зернистое строение (после термической обработки). Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727оС, вплоть до комнатной. Является основной структурной составляющей сталей. Есть в структуре всех сталей независимо от содержания углерода. Обозначается буквой П. Формула перлита (Feα (С) + Fe3C ). В структуре чугунов могут образовываться следующие структурные составляющие: аустенит (также как и в сталях образуется из жидкости при первичной кристаллизации), перлит (также как и в сталях образуется из аустенита при 727оС и может присутствовать при комнатной температуре), цементит первичный ( то же, что и в сталях, но образуется из жидкости при первичной кристаллизации, обозначается Ц I), ледебурит. Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита первичного. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации при температуре 1147 оС. Содержит 4,3% углерода. Является эвтектикой. Может присутствовать в структуре при температурах выше 727оС. Является двухфазной структурой. Обозначается буквой Л. Ледебурит превращенный – механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита первичного в результате превращения аустенита в перлит (в составе ледебурита) при температуре 727оС. Содержит также 4,3% углерода, является также эвтектикой и двухфазной структурой. Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727оС. Обозначается буквой Лпр. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД ( ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ) Диаграмма состояния железо - цементит приведена на рис.7.2. Линия ABCD - линия ликвидус, линия АН JECF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536ºС), точка D - температуре плавления цементита (1250°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа (1392°С и 911°С ). Рис.7.2. Диаграмма состояния железо-углерод. В системе Fe-Fe3C при различных температурах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при 1147ºС происходит эвтектическое превращение: (А + ЦI). Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита первичного, содержащая 4,3 % углерода. По линии PSK при 727°С происходит эвтектоидное превращение: (Ф + Ц ), в результате которого из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит. В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода менее 2,14% (в сталях) образуется однофазная структура – аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (в чугунах) при первичной кристаллизации образуются аустенит (по линии АВС), цементит первичный (по линии СD) и ледебурит первичный, эвтектика (по линии ECF). Вторичная кристаллизация (превращения в твердом состоянии) происходит по линиям GSE и PSK. Образование феррита из аустенита по линии GS происходит вследствие полиморфного превращения γ в α. Образование цементита вторичного из аустенита по линии SE происходит вследствие изменения растворимости углерода в аустените. При понижении температуры по линии ES растворимость углерода уменьшается и происходит выделение цементита. По линии PQ уменьшается растворимость углерода в феррите с понижением температуры. От максимального значения в точке P (0,02%) до точки Q (0,006%) при комнатной температуре. Избыточный углерод в очень малых количествах выделяется из феррита в виде цементита третичного. Такую структуру имеет технически чистое железо. В точке S при содержании углерода 0,8% и температуре 727°С весь аустенит превращается в механическую смесь феррита и цементита вторичного (перлит). Такое превращение происходит по всей линии PSK, поэтому ее называют линией перлитного превращения. Анализируя линии и точки диаграммы состояния железо – углерод можно определить структурные составляющие сталей и чугунов при любом содержании в них углерода и при определенной температуре. Таким образом, диаграмма состояния железо – углерод имеет большое практическое значение. Ее применяют для назначения режимов термической обработки сталей определенного состава, для назначения режимов горячей механической обработки, для прогнозирования свойств стали по ее структуре в соответствии с диаграммой состояния. ЛЕКЦИЯ 8 УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С и малое количество других элементов (примеси), называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали выплавляются в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Считается, что наиболее высокими свойствами обладают стали более чистые по содержанию вредных примесей серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Такие стали используются для изготовления наиболее ответственных деталей. Влияние углерода и примесей на свойства стали Углерод оказывает значительное влияние на свойства стали. Даже при малом изменении содержания углерода в стали, изменяются механические свойства. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности, твердости и понижению пластичности. Кроме того, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода приведена на рис.8.1. Рис. 8.1. Влияние углерода на свойства стали. С увеличением содержания углерода в структуре стали возрастает количество цементита. При содержании в стали углерода до 0,8% структура состоит из феррита и перлита, однако при увеличении содержания углерода в этих сталях соотношение феррита и перлита изменяется: ферритная составляющая уменьшается, количество перлита - возрастает. Так как в состав перлита входит цементит, то его количество также возрастает, что приводит к увеличению прочности и понижению пластичности. При содержании углерода более 0,8% в структуре сталей кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит. Как известно, феррит имеет низкую прочность, но сравнительно высокую пластичность. Цементит обладает высокой твердостью, но является хрупким. Таким образом, изменение структуры стали при увеличении содержания углерода приводит к увеличению твердости, прочности и снижению вязкости и пластичности. Заметный рост прочности происходит при содержании углерода до 1,0%. При большем содержании углерода твердость продолжает расти, но прочность даже снижается за счет охрупчивания вследствие образования сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Для устранения хрупкости сталей с высоким содержанием углерода используют специальную термическую обработку. Также углерод оказывает влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость. Считается оптимальным для возможности сварки содержание углерода до 0,22 - 0,25%. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к ухудшению деформации (механической обработки) в горячем и холодном состоянии. Обрабатываемость резанием считается наиболее хорошей у стали с содержанием углерода 0,3 - 0,4%. Стали с меньшим содержанием углерода являются слишком вязкими. Кроме того, они дают плохую поверхность обработки и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что затрудняет их обрабатываемость. В химическом составе стали всегда присутствуют постоянные примеси, к которым относятся: кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород. Обычно содержание примесей в процессе выплавки стали ограничивают. Особенно это относится к содержанию вредных примесей, таких как сера и фосфор. Так, количество этих элементов по верхнему пределу для неответственных сталей ограничивается не более 0,05%; для ответственных и специальных сталей - в тысячных долях %. Сера снижает пластичность и вязкость сталей, а также приводит к явлению красноломкости в процессе горячей механической обработки. Фосфор, попадая в сталь, способен растворяться в феррите, при этом уменьшает его пластичность и способствует охрупчиванию стали. Кислород, азот, водород находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо могут образовывать химические соединения. Кислород и азот загрязняют сталь хрупкими, неметаллическими включениями, уменьшают вязкость и пластичность стали. Водород, находясь в твердом растворе, также сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода приводит к образованию трещин – флокенов ( «водородное охрупчивание»). Марганец и кремний считаются полезными примесями. Их вводят в сталь специально в процессе выплавки для раскисления стали и связывания кислорода. Кроме того, марганец и кремний способны упрочнять составляющую феррита. Обычно в углеродистой стали присутствует до 0,8% марганца и до 0,4 - 0,5% кремния. Классификация углеродистых сталей Классификация углеродистых сталей проводится по различным признакам: по структуре и содержанию углерода (в соответствии с диаграммой железо-углерод); способу раскисления; по назначению; по качеству. По структуре различают: 1. Доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С со структурой Ф и П; 2. Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% С, со структурой П; 3. Заэвтетоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, со структурой П и Ц II. По способу раскисления различают: 1. Кипящие стали (полностью не раскисленные); 2. Полуспокойные стали (частично раскисленные); 3. Спокойные стали (раскисленные). По назначению различают: 1. Конструкционные стали; 2. Инструментальные стали. Углеродистые инструментальные стали, содержащие 0,7 - 1,3%С со структурой перлита и цементитной сетки, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Эти стали используются после термической обработки. Их обозначают буквой «У» и цифрой, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента. Например: У7; У8; У10; У12. Углеродистые конструкционные стали дополнительно принято различать по качеству: - стали обыкновенного качества; - качественные стали. Конструкционные стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% серы и фосфора, в сталях качественных содержание этих элементов ограничено до 0,04% серы и 0,03% фосфора. Также в них ограничено содержание неметаллических включений и газов. Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры - условный номер стали в зависимости от содержания углерода и примесей. В конце обозначения стоят буквы «кп» - кипящая сталь; «пс» - полуспокойная сталь; «сп» - спокойная сталь. Например: Ст1кп; Ст3пс; Ст3сп; Ст5сп; Ст6пс. Конструкционные стали качественные поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Качественные углеродистые стали обозначаются двузначными числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: 10; 15; 35; 40; 50; 65. По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на: 1. Низкоуглеродистые - до 0,25% С (обычно используются для неответственных деталей, для сварных конструкций ). 2. Среднеуглеродистые - 0,3 - 0,5% С (конструкционные стали, работающие под воздействием внешних нагрузок, используются после т/о). 3. Высокоуглеродистые - до 0,65% С (пружинные стали, используются после т/о).