Учебное пособие: Металлы и сплавы
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода
в a-железе. Феррит имеет кубическую
объемно центрированную кристаллическую решетку. Растворимость углерода в Fea также зависит от температуры.
Максимальная растворимость углерода в Fea равна 0,02% при температуре 727°С, максимальная растворимость при
комнатной температуре – 0,006%. Феррит (при 0,006% С) имеет следующие механические
свойства sв = 250 МПа,
s0,2 = 120 МПа, d = 50% , y = 80%, НВ 80…90.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с
углеродом Fe3C, содержащее 6,67% углерода. Он обладает сложной
кристаллической решеткой, тепло- и электропроводностью, слабыми магнитными
свойствами, высокой твердостью НВ 800, отличается хрупкостью. До температуры
210°С цементит ферромагнитен. Температура
плавления цементита – 1260°С.
Различают: первичный
цементит ЦI, который
выделяется из жидкой фазы во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих углерода
более
2,14 %; вторичный
цементит ЦII, который
выделяется из аустенита в железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,8%
углерода, в интервале температур от 1147 до 727°С; третичный цементит ЦIII – выделяется из феррита в
железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,006% углерода, в интервале
температур от 727 до 0°С.
Если в железоуглеродистом сплаве находятся одновременно несколько
разновидностей цементита, то все они являются одной фазой, т.е. химическим
соединением, так как имеют один и тот же состав, строение и свойства.
Графит. Кристаллическая
решетка графита -
гексагональная слоистая. Он мягкий, обладает низкой прочностью и электропроводностью.
В железоуглеродистых
сплавах могут присутствовать следующие двухфазные структуры:
Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь,
состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Перлит образуется из аустенита
определенного состава (0,8% С) при температуре 727°С. Содержание углерода в перлите для
всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и составляет 0,8%. В
равновесии перлит имеет пластинчатое строение (см. микроструктуру). В
результате термообработки можно получить перлит зернистый, но такая структура
будет неравновесной. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности
частичек цементита и формы цементита. Сталь со структурой пластинчатого перлита
имеет такие свойства: sв = 820 МПа,
d = 15%, НВ 220; сталь с зернистым перлитом
- sв
= 630 МПа, d = 20%, НВ 160.
Ледебурит (Л) – эвтектическая смесь, образующаяся
при постоянной температуре 1147°С из жидкой фазы определенного состава (4,3% С). При температуре 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз –
аустенита и цементита; ниже 727°С ледебурит состоит из двух структур – перлита и цементита, т.е. также из
двух фаз, но только уже из феррита и цементита. Содержание углерода в ледебурите
всегда постоянно и равно 4,3%.
Диаграмма состояния «железо–цементит»
На диаграмме состояния
«железо–цементит» приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией
углерода от 0 до 6,67% (рис. 6.2).
Область перитектического
превращения в районе температуры плавления чистого железа условно не показана.
Линия АСD – линия ликвидус, линия начала
кристаллизации сплавов. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком
состоянии.
Линия АECF – линия солидус, линия конца
кристаллизации сплавов. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом
состоянии.
Линии АС и DС показывают температуры начала кристаллизации аустенита (АС) и
первичного цементита (DС).
При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет
обогащаться углеродом и по мере снижения температуры изменяться по линии АС.
Состав твердой фазы (аустенита) при этом будет обогащаться углеродом и
изменяться по линии АE. При
выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет
обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии DС. Состав твердой фазы (цементита)
остается постоянным. Количество углерода в цементите – 6,67%.
При достижении
температуры 1147°С
состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от
точки Е (2,14% С) до точки F
(6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре
оставшаяся часть жидкой фазы данного состава кристаллизуется при постоянной
температуре с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же
количество углерода, что и жидкость, т.е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом.
Она состоит из аустенита состава точки Е (2,14% С) и цементита состава точки F (6,67% С) Ж.ФС « ЛС(АЕ + Fe3C). Линия ЕСF
обозначает постоянную температуру образования эвтектики ледебурита и
температуру конца кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%. Эта
линия называется линией эвтектического превращения. Структура сплава,
содержащего 4,3% углерода, будет состоять только из ледебурита. В сплавах,
расположенных левее точки С, в избытке будет находиться аустенит и структура их
после затвердевания будет состоять из первичных кристаллов аустенита и
ледебурита; для сплавов, расположенных правее точки С в избытке будет
находиться цементит, поэтому структура этих сплавов после затвердевания состоит
из первичных кристаллов цементита и ледебурита.
Сплавы, расположенные
левее точки Е, после окончания процесса кристаллизации (область АESG) имеют структуру аустенита.
При дальнейшем охлаждении
затвердевших железоуглеродистых сплавов ниже линии АECF (линия солидус) происходят процессы, связанные с
изменением растворимости углерода в железе a и g, а
также процессы, которые обуславливаются полиморфным превращением железа.
Линия GS показывает температуру начала превращения аустенита в феррит.
В сплавах, находящихся левее точки S, при понижении температуры ниже линии GS из аустенита будут выделяться кристаллы феррита.
Линия ЕS представляет собой линию изменения
предельной растворимости углерода в аустените в зависимости от температуры. При
охлаждении ниже этой линии происходит выделение из аустенита вторичного
цементита, а при нагреве на этой линии заканчивается распад вторичного
цементита и растворение углерода в аустените. Состав аустенита при понижении
температуры будет все время изменяться: в сплавах, находящихся левее точки S, - обогащаться углеродом и
изменяться по линии GS; в сплавах,
находящихся правее точки S, -
обедняться углеродом и изменяться по линии ES.
Ниже линии SECF во всех сплавах при охлаждении из
аустенита будет выделяться вторичный цементит по закону линии ES.
При достижении в процессе
охлаждения сплавов температуры 727°С состав аустенита для всех сплавов будет соответствовать
точке S (0,8% С). При этой температуре
аустенит будет превращаться в эвтектоидную механическую смесь, состоящую из
феррита и цементита, которая называется перлитом: АS « ПS (ФP
+ Fe3C).
Следовательно, линия PSK показывает постоянную температуру образования
перлита (эвтектоида) при охлаждении. Линия PSK называется линией эвтектоидного, или перлитного, превращения.
Образование перлита протекает
при строго определенной постоянной температуре (727°С). Структура сплава, содержащего
0,8% углерода, ниже 727°С
будет состоять из перлита. В сплавах, расположенных левее точки S, в избытке будет находиться феррит. Структура
таких сплавов состоит из феррита и перлита. Количество феррита увеличивается с
уменьшением содержания углерода в сплаве. В сплавах, расположенных правее точки
S, в избытке будет находиться
цементит. С увеличением содержания углерода количество цементита будет расти.
Структура этих сплавов будет состоять из перлита и вторичного цементита (от 0,8
до 2,14% С), при этом вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде
цементитной сетки; перлита, вторичного цементита и ледебурита (от 2,14 до 4,3%
С); ледебурита (4,3% С); первичного цементита и ледебурита (от 4,3 до 6,67% С).
Линия GP показывает температуру конца превращения аустенита в феррит.
При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK из феррита при понижении температуры будет выделяться
третичный цементит. Это связано с уменьшением растворимости углерода в a-железе.
Линия PQ показывает температуру начала выделения третичного цементита
из феррита. Третичный цементит может присутствовать во всех сплавах, содержащих
более 0,006% С, однако как отдельная фаза он находится только в сплавах,
содержащих от 0,006 до 0,02% С.
На рис. 6.2 показана
диаграмма состояния системы «железо-цементит»
и приведен ряд сплавов с различной концентрацией углерода. Описание процессов,
протекающих в сплавах при их охлаждении из жидкого состояния, приведено в табл.
6.1.
Рис. 6.2. Диаграмма
состояния системы «железо-цементит»
Влияние углерода на
строение и свойства сталей
Сталями называются сплавы
железа с углеродом, содержащие углерода до 2,14%. Углерод является важнейшим
элементом, определяющим как структуру, так и свойства углеродистых сталей, ее
прочность и поведение при производстве деталей и их эксплуатации.
Классификация сталей по
структуре. Стальная
часть диаграммы состояния «железо-цементит» (до 2,14% С) соответствует структуре стали в
отожженном (равновесном) состоянии, т.е. после медленного охлаждения сплавов.
По структуре в равновесном состоянии стали подрезделяются:
1) на доэвтектоидные,
содержащие от 0,02 до 0,8% углерода. Структура этих сталей состоит из феррита и
перлита (табл. 6.1, К2);
2) эвтектоидную,
содержащую 0,8% углерода. Структура этой стали состоит из перлита. Зерна
перлита состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита (табл. 6.1, К3);
3) заэвтектоидные, содержащие
от 0,8 до 2,14% углерода. Структура этих сталей состоит из перлита и вторичного
цементита (табл. 6.1, К4).
Сплавы железа с
углеродом, содержащие углерода до 0,02%, называются техническим железом.
Структура их состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита
(табл. 6.1, К1).
Таблица 6.1 Процессы и микроструктуры
железоуглеродистых сплавов при охлаждении
Сплав
|
Процессы,
происходящие при
охлаждении
сплава
|
Конечная микроструктура
|
К1
С£0,02%
техническое
железо,
х1000
|
1-2 Охлаждение жидкого сплава
2-3 Выделение из жидкого сплава кристаллов
аустенита: Ж®А (перитектическое
превращение условно не учитывается)
3-4 Охлаждение аустенита
4-5 Превращение аустенита в
феррит: А®Ф
5-6 Охлаждение феррита
6-7 Выделение из феррита третичного
цементита: Ф+ЦIII
|
|
Сплав
|
Процессы,
происходящие при
охлаждении
сплава
|
Конечная микроструктура
|
К3
С=0,8%
эвтектоидная
сталь,
х500
|
1-2 Охлаждение жидкого сплава
2-3 Кристаллизация жидкого сплава с
образованием аустенита: Ж®А
3-4 Охлаждение аустенита
4 Эвтектоидное
превращение:
А0,8% С ® П0,8% С (Ф0,02% С +
Ц6,67% С)
4-5 Выделение из феррита третичного
цементита: Ф+ЦIII
|
|
К4
С=0,8…2,14%
заэвтектоидная
сталь,
х500
|
1-2 Охлаждение жидкого сплава
2-3 Кристаллизация жидкого сплава с
образованием аустенита: Ж®А
3-4 Охлаждение аустенита
4-5 Выделение из аустенита кристаллов
вторичного цементита: А+ЦII
5 Эвтектоидное
превращение:
А0,8% С ® П0,8% С (Ф0,02% С +
Ц6,67% С)
5-6 Выделение из феррита третичного цементита:
Ф+ЦIII
|
|
Классификация сталей по
содержанию углерода. Чем
больше углерода в стали (до 0,9% С), тем выше твердость, прочность, но ниже
пластичность. По содержанию углерода стали подразделяют:
1) на низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2%(08кп,
10, 15, 20). Они обладают высокой пластичностью и используются для деталей
сложной формы, штампуемых из листа, а также для сварных конструкций. Стали марок
10, 15, 20 применяют для изготовления цементуемых деталей;
2) среднеуглеродистые стали с содержанием углерода от 0,2 до
0,65%. Их используют в термообработанном состоянии для изготовления осей,
валов, плунжеров, муфт, бандажей и других аналогичных деталей.
Стали марок 55, 60 с содержанием углерода 0,5...0,6% применяют для
изготовления пружин и пружинных деталей (закалка и средний отпуск);
3) высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,7% и более
(У7, У8, У10, У12) термически обрабатывают на высокую прочность и твердость
(закалка и низкий отпуск) и применяют для мерительного и режущего инструментов.
Структура, свойства и применение чугунов
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называются
чугунами.
В зависимости от условий кристаллизации и последующей обработки
углерод в чугунах может находиться в виде цементита либо в виде графита. В
соответствии с этим различают две группы чугунов - белые и серые.
Белые чугуны по структуре могут состоять из перлита и ледебурита
(доэвтектические чугуны с содержанием углерода до 4,3%), ледебурита (эвтектический
белый чугун) и ледебурита и цементита (заэвтектические белые чугуны, содержащие
более 4,3% С).
Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита
они тверды и хрупки и для изготовления деталей машин практически не используются.
Иногда на некоторых участках чугунных деталей (коренные шейки коленчатых валов,
прокатные валки и т.д.) специально получают отбеленный поверхностный слой в целях
повышения твердости и износостойкости.
Серые чугуны содержат большую часть углерода в виде графита. По форме
графитовых включений они подразделяются на серые, ковкие и высокопрочные.
Наличие графита в свободном состоянии приводит к уменьшению прочности, коэффициента
трения и амплитуды резонансных колебаний (при этом гасится вибрация).
Серый чугун маркируется буквами: С - серый, Ч - чугун, например: СЧ10,
СЧ15, СЧ18. Цифры обозначают предел прочности чугуна в кгс/мм2. В
сером чугуне ледебурит отсутствует, а углерод частично или полностью находится
в виде пластинчатого графита (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Серый чугун с пластинчатым графитом: перлитоферритографитная микроструктура,
х200
Основная металлическая матрица серого чугуна может состоять из
феррита, смеси феррита и перлита или перлита. Соответственно этому подобные чугуны
часто называются ферритными, ферритно-перлитными и перлитными. Серые Ф-П чугуны
используют для изготовления деталей, испытывающих средние динамические нагрузки
(блоки цилиндров двигателей, головки цилиндров, корпуса гидронасосов и др.) и
работающих в условиях трения (гильзы цилиндров, барабаны сцепления и др.).
Перлитные серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих
при достаточно высоких динамических нагрузках и в условиях трения (шестерни, звездочки,
храповики, шпиндели, поршневые кольца и др.).
Ковкий чугун отличается тем, что углерод в нем находится в свободном состоянии
в форме хлопьевидного графита (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Ковкий чугун с хлопьевидным
графитом: ферритографитная микроструктура, х250
Ковкие чугуны получают путем специального отжига белого чугуна. В
зависимости от режима отжига основная металлическая матрица может быть
ферритной, ферритно-перлитной и перлитной. Образующиеся участки графита имеют
вид крупных пятнистых включений неправильной формы с глубоко изрезанными границами.
Ковкий чугун маркируется буквами: К - ковкий, Ч - чугун, например: КЧ 30-6, КЧ 35-10. Первая цифра
обозначает предел прочности чугуна в кгс/мм2, вторая - относительное удлинение
в %. Ферритно-перлитные
и перлитные ковкие чугуны применяют для изготовления деталей, работающих при
высоких статических и динамических нагрузках и в тяжелых условиях износа
(муфты, звездочки и звенья приводных цепей, тормозные колодки, коленчатые валы,
лопасти центробежных дробеметных барабанов и др.).
Высокопрочный чугун характеризуется тем, что углерод в нем в значительной
степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного
графита (рис. 6.5).
Такие чугуны получают путем добавки в жидкий чугун перед разливкой
небольших количеств определенных элементов (Mg, Zr, Ge и др.), которые изменяют условия
кристаллизации. Графит имеет почти правильную шаровидную форму с четко
очерченными границами.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16
|