книги / Технология металлов
..pdfниже 723° С; твердость его при низкой температуре 200—250 НВ. ♦Кроме указанных фаз, имеются структурные составляющие,
представляющие собой композицию из нескольких фаз.
Л е д е б у р и т — э в т е к т и ч е с к а я с м е с ь а у с т е н и т а
с ц е м е н т и т о м — образуется |
при затвердевании жидкого рас |
||
твора, имеющего температуру |
1130° С и концентрацию 4,3% |
С. |
|
П е р л и т — э в т е к т о и д н а я с м е с ь ф е р р и т а с |
це |
||
м е н т и т о м — образуется при |
распаде |
аустенита, имеюще |
|
го 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 на
зывают |
п р е в р а щ е н н ы м л е д е б у р и т о м , |
или л е д е б у |
ритом |
п е р л и т н ы м в отличие от ледебурита |
аустенитного. |
Метастабильная диаграмма железо — углерод состоит из не скольких областей, окаймленных различными линиями.
Буквами ABCD обозначена линия ликвидус и буквами AHIECF линия солидус. Между указанными линиями сплав со стоит из двух фаз: между линиями АВ и АНВ находится жид кий раствор плюс твердый раствор б-Fe, Между линиями ВС и IEC — жидкий раствор плюс твердый раствору. Между ли ниями CD и CF — жидкий раствор плюс первичный цементит.
В области NIESGN расположена аустенитная область-. Горизбнтальная линия ECF характеризует эвтектическое превраще ние, протекающее при 1130° С, а горизонтальная линия PSK ха рактеризует 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 обла сти CFKLC — ледебурит плюс вторичный цементит; в областях AHN и GPQ находится феррит.
Соответственно с диаграммой по условиям происхождения цементит разделяется на пе р в ич ный, выделяющийся из жид кого раствора по линии CD (линия равновесия жидкого раство
ра с цементитом); э в т е к т и ч е с к и й (составная часть эвтекти |
|||
ки); в т о р и ч н ы й , |
выделяющийся из аустенита по линии ES |
||
(линия равновесия аустенита с вторичным цементитом); |
эвтек- |
||
т о и д н ы й |
(составная часть перлита); т р е т и ч н ый , |
выделя |
|
ющийся из |
феррита |
по линии PQ (линия равновесия феррита |
с третичным цементитом).
Температура (точки) превращения железа из одной модифи кации в другую, эвтектоидного и магнитного превращений назы ваются критическими.
Точка А\ соответствует температуре превращения перлита а
аустенит (723° С) |
и обратно; точка А2— температуре превраще |
ния магнитного |
a-Fe в немагнитное a-Fe (768° С) и об |
ратно. |
|
Точка А3 соответствует температуре превращения a-Fe-> -^Y-Fe (910° С) и обратно.
Точки А хи А3называются также точками Чернова.
Реальные температуры превращения при охлаждении и при нагреве отличаются друг от друга, поэтому при нагреве пишут, например Aelf а при охлаждении Агх.
Температура 910° С для точки А3 соответствует превращению чистого железа. Если в y-Fe содержится углерод, то положе ние точки А3 на диаграмме Fe—Fe3C снижается (линия GS). При температуре 768° С точка А3 сливается с А2, а при температуре 723°С — с А\.
Рис. 44. Левый участок диаграммы Fe — РезС и кривые охлаждения для сплавов с 0,6; 0,8 и 1,2% С
Сплавы, содержащие до 2,0% С, называются сталями, а со держащие >2,0% С — чугунами.
Рассмотрим последовательно характер образования структур для сталей и чугунов в процессе их охлаждения от жидкого со стояния до комнатных температур.
На рис. 44 приведен левый участок диаграммы и кривые ох лаждения для сталей с 0,6; 0,8 и 1,2% С.
При достижении сплавом (0,6% С) температуры ликвидус начинают выделяться кристаллы аустенита. Между температу рами ликвидус и солидус присутствуют жидкий раствор и аусте нит. При достижении температуры солидус весь жидкий раствор превращается в аустенит. При дальнейшем охлаждении аусте нит достигает линии равновесия GS (равновесия аустенита с фер ритом) 7-Fe начинает пересыщаться ферритом и из него выде ляются феррит с концентрацией, соответствующей равновесной линии GP. По мере выделения феррита остаток аустенита стано вится богаче углеродом, а при температуре А\ приобретает кон-
жидкой фазы остается и тем в большем количестве, чем ближ-е была концентрация углерода в исходном сплаве к эвтектической (4,3% С), Но поскольку выделялся аустенит, концентрация ос татка жидкого раствора стала богаче углеродом до 4,3% и рас палась на аустенит и цементит, т. е. превратилась в сплав эвтек тического состава (дедебурит). При дальнейшем охлаждении кристаллы первичного аустенита пересыщаются и из них выде ляется вторичный цементит в соответствии с линией равновесия ES. При достижении точки А\ в аустените остается 0,8% углеро да и он превращается в перлит.
Окончательная структура чугуна: перлит плюс вторичный цементит плюс ледебурит.
Рис. 46. Правый участок диаграммы F e — Fe3C и кривые охлаждения для сплавов с 3,0; 4,3 и 5,0% С
При охлаждении сплава с 4,3% С до 1130°С жидкий сплав, затвердевает и образуется ледебурит (смесь цементита с аусте нитом). При дальнейшем охлаждении из аустенитной части ле дебурита выделяется цементит, аустенит обедняется углеродом и, когда охлаждение достигает точки 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, жид кий раствор обедняется углеродом и при эвтектической темпера
туре |
(1130° С) затвердевает, превращаясь |
в ледебурит. Оконча |
тельная структура: первичный цементит и ледебурит. |
||
Чугуны, содержащие до 4,3% С, называются доэвтектически- |
||
ми; |
4,3% С — эвтектическими, а более |
4,3% С — заэвтектиче- |
скими.
Углеродистые стали
По структуре стали делят на феррито-перлитные (доэвтектоидные), перлитные (эвтектоидные) и перлитно-цементитные (заэвтектоидные).
Поскольку железоуглеродистые сплавы по структуре пред ставляют собой механические смеси феррита с цементитом, то и свойства этих сплавов в значительной степени определяются эти ми структурными особенностями.
Феррит имеет большую плас тичность (относительное удли нение 30—35%), малую проч ность (оь„ = 30—35 кг/мм2) и
малую твердость (80—90 НВ). Цементит весьма тверд (700— 800 НВ) и хрупок. Пластинча тый перлит имеет Оь 80—
.90 кг/мм2, относительное удли нение 5—8% и твердость 240— 260 НВ.
По мере того, как в структу ре возрастает количество пер лита, растет прочность, но с по явлением структурно-свободно го цементита прочность начи нает 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
Я = о | *100; Ф = 1 0 0 -Я ,
где П — % перлита;
Ф— % феррита;
С— содержание углерода в определяемом образце стали. Поскольку механические свойства определяются их структу
рой, они могут быть представлены следующей схемой (рис. 47). Между пределом прочности при растяжении аь. и твердостью
но Бринелю {НВ) существует примерная зависимость:
оь = 1/3 НВ.
По назначению стали делятся на строительные, конструкци онные и инструментальные.
Чем ниже содержание углерода, тем сталь мягче, легче ку ется и сваривается.
В нелегированных сталях содержится в известных количест вах 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 вред ные примеси, которые очень сильно сказываются на ее качестве. Так, с е р а вызывает к р а с н о л о м к о с т ь (металл легко раз
рушается |
при деформации в раскаленном состоянии). |
Фо с ф о р |
вызывает |
х л а д н о л о м к о с т ь (металл становится |
хрупким |
при температурах ниже нуля градусов). Существует еще явление с и н е л о м к о с т и (металл приобретает хрупкость в нагретом состоянии при 200—300°С). Синеломкость обычно бывает в не-
раскисленных «кипящих» сталях. У кипящей стали снижается |
||
ударная вязкость при температурах ниже нуля градусов. |
|
|
Качество стали зависит от способа производства и определя |
||
ется |
содержанием примесей. Стали о б ы к н о в е н н о г о |
к а ч е |
с т в а |
выплавляются в конвертерных и мартеновских |
печах, & |
них допускается до 0,065% S и до 0,085% Р, обычно перед мар |
кой стали пишется буква Б, Т или М, что означает соответствен но: бессемеровская, томасовская, мартеновская.
Стали обыкновенного качества, согласно ГОСТ 380—50 по механическим свойствам маркируются следующим образом- (табл. 7).
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 7 |
Марка |
ofo, к г /м м 2 |
os , к г / м м 2 |
% |
С, % |
|
Ст. |
1 |
32—40 |
| |
23 |
0,07—0,12 |
Ст. |
2 |
34—42 |
21 |
26 |
0,09—0,15 |
Ст. |
3 |
38—47 |
22 |
24 |
0,12—0,22 |
Ст. |
4 |
42—50 |
24 |
20 |
0,17—0,27 |
Ст. |
5 |
50—60 |
29 |
16 |
0,28—0,37 |
Ст. |
6 |
60—70 |
34 |
12 |
0,38—0,5 |
Котлы, топки работают в нагретом состоянии и у них может возникнуть синеломкость, поэтому стали для этих целей долж ны быть дегазированы, т. е. содержать минимальные количества кислорода и особенно азота.
Марки с малым содержанием углерода Ст. 1, Ст. 2 и особен но Ст. 3 применяют для сортового проката (строительные кон струкции, мосты, краны, крюки, плуги и т. п.), а с более высоким
содержанием углерода — для |
изготовления деталей машин, при |
этом их подвергают термической обработке. |
|
К а ч е с т в е н н ы е с т а л и |
получают в мартеновских печах; |
поставляют их по химическому составу и большей частью изде лия из них подвергают термической обработке для улучшения механических свойств.
Качественные стали (ГОСТ В—1050—41) выпускают следу ющих марок: 08,10,15,20,25,30, 35, 40,45,50,55, 60, 65. Эти мар ки характеризуют среднее содержание сотых долей процента углерода. В качественных сталях допускается до 0,045% Р и S (каждого в отдельности), 0,17—0,37% Si, до 0,8% Мп.
Получают качественные стали с повышенным содержанием марганца (до 1,0%); в этих случаях они маркируются с буквой i:t(15r, 20Г, ЗОГ, 40Г, 50Г).
Кипящие (нераскисленные) стали содержат следы кремния '(до 0,03%), мало марганца (менее 0,5%) и бывают только ма лоуглеродистые (08кп, Юкп, 15кп); они хорошо пластически деформируются.
Вобщем виде можно указать следующее применение сталей
взависимости от содержания углерода:
До 0,12% . |
Кровельное |
железо, заклепки |
0, 1— 0,2% |
Котельное |
железо |
0,25-0,4% |
Валы, оси, |
шестерни |
0,15—0,25% |
Балки |
|
0,45—0,85% |
Железнодорожные стали |
В ряде случаев сложные по конфигурации изделия произво дят не штамповкой, а методом литья, для чего применяют не сколько 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 — с„, кг!мм2, а последние две цифры — а, %.
Для инструментов применяется инструментальная сталь. Ин струмент 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 мартенов ских и электрических печах и бывают следующих марок: У7, У8* У9, У10, У11, У12, У13. В этих сталях номер марки означает сред нее содержание углерода в десятых долях процента. Они содер жат до 0,03% S и до 0,035% Р. 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) озна чает, что сталь содержит до 0,35—0,6% Мп, вместо 0,15—0,4%.
Чугуны
Чугунами, как мы уже указывали, называются железоуглеро дистые сплавы, содержащие более 2,0% С.
Чугуны, у которых углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, весьма тверды и хрупки, не подда ются механической обработке и имеют ограниченное применение
Наибольшее практическое значение имеют чугуны, у которых углерод находится частично или полностью в свободном состоя нии в виде графита. Благодаря этому чугун приобретает требуе мые конструктивные свойства.
Графит может получаться как непосредственно в процессе остывания отливки в формах вследствие медленного охлаждения и содержания достаточного количества графитообразующих эле ментов Si и С, так и вследствие специального графитизирующего отжига, благодаря которому распадается цементит по реакции
Fe3C 3Fe + Сгр.
Графит с железом образует систему, несколько отличающую ся от системы Fe—РезС. Если наложить диаграмму Fe—РезС на диаграмму Fe—Сгр, получается сдвиг линии. Пунктирные ли нии (рис. 45) характеризуют устойчивое (стабильное) равнове сие, 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 бе лые, половинчатые, серые, высокопрочные и ковкие.
Б е л ы е ч у г у н ы от остальных видов чугуна отличаются тем, что почти весь углерод у них находится в связанном состоя нии 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 це ментита и тем чугун более тверд и хрупок. Белый чугун почти не поддается обработке режушдм инструментом.
Все другие чугуны в отличие от белого графитизированы. У них значительная часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита Сгр. Поэтому по структуре графитизированные чугуны можно рассматривать как сталь, пронизан ную графитными включениями. Чем качественнее металлическая основа и чем меньше графит ослабляет данную основу, тем луч ше чугун. Не меньшее значение имеет и форма графита.
П о л о в и н ч а т ы м ч у г у н о м называется чугун, в струк туре которого наряду с перлитом, вторичным цементитом и не
которым количеством ледебурита имеется и эвтектический графит.
В серых, высокопрочных и ковких чугунах в структуре нет ледебурита, а углерода в связанном состоянии либо совсем нет,