Материаловедение

Тема 3: Железоуглеродистые сплавы.

Вопросы темы:

1. Железо и его свойства.

2. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

3. Зависимость свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода и постоянных примесей.

4. Влияние легирования на свойства железоуглеродистых сплавов.

1. Железо и его свойства.

Сплавы железа с углеродом являются основой, так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, кото­рые служат важнейшими конструкционными материа­лами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят, прежде всего, от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодей­ствия.

Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; тугоплавкий, Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации, α и γ.

При температурах ниже 910°С железо имеет объем­но-центрированную кубическую решетку. Эту модифи­кацию называют α-железо; α-железо магнитно до температуры 768°С (точка Кюри).

При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при 910°С превращается в гранецентрированную кубическую решетку α-железо превраща­ется в γ-железо; γ-железо существует при температуре 910—1392⁰С.

Углерод и его свойства

Углерод является неметаллическим элементом. Тем­пература плавления углерода 3500°С. Углерод в приро­де может существовать в двух полиморфных модифика­циях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде уг­лерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом со­стояниях, может образовывать химическое соедине­ние - цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

2. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов.

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в α-железе. Имеет объемно-центриро­ванную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатыва­ется давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей су­ществования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с уг­леродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержит­ся 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решет­ку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоугле­родистых сплавов.

Чем больше цементита в железоуглеродистом спла­ве, тем выше его твердость.

Трафит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влия­ет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при пере­кристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а пер­лит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочно­стью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется, в резуль­тате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

Присутствие эвтек­тики в высокоуглеродистых сплавах делает их нековкими, но позволяет применять в качестве литейных материа­лов, так как эти сплавы имеют низкую температуру плавления.

Низкоуглеродистые сплавы не содержат хрупкой структурной составляющей — ледебурита после затвер­девания и при высоком нагреве обладают высокой пластич­ностью. Поэтому они легко деформируются при нормаль­ных и повышенных температурах.

Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называют сталями.

Различают три группы сталей:

— эвтектоидные, содержащие около 0,8 % углерода, структура которых состоит из перлита;

— доэвтектоидные, содержащие углерода меньше 0,8 %, структура которых состоит из феррита и перлита;

— заэвтектоидные, содержащие углерода от 0,8 до 2,14 %, структура которых состоит из перлита и цементита.

Сплавы, содержащие более 2,14 % углерода, называ­ют чугунами.

3. Зависимость свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода и постоянных примесей.

Промышленные стали и чугуны — это многокомпонен­тные сплавы, в состав которых помимо железа и углерода входят так называемые постоянные примеси. Постоянны­ми примесями являются марганец, кремний, наличие ко­торых обусловлено технологическими особенностями про­изводства; фосфор и сера, а также газы — кислород, азот, водород, которые невозможно полностью удалить из ме­талла. Содержание углерода и примесей оказывает влия­ние на свойства железоуглеродистых сплавов.

Углерод оказывает большое влияние на механические свойства сталей. Чем выше содержание углерода в ста­ли, тем больше в ее структуре содержится цементита. Так как цементит обладает высокой твердостью и хрупкостью, увеличение его количества приводит к повыше­нию прочности и твердости стали, к уменьшению ее пластичности и вязкости. С увеличением содержания углерода в стали снижаются плотность, электропровод­ность, теплопроводность, магнитная проницаемость, растет электросопротивление.

Кремний и марганец считают полезными примесями. При выплавке стали их добавляют для раскисления. Соединяясь с кислородом закиси железа FeO, они в виде окислов переходят в шлак. В результате раскисле­ния свойства стали улучшаются.

Кремний, оставшийся в стали после раскисления, повышает предел текучести, что снижает ее способность к холодной обработке давлением. Поэтому в сталях для штамповки содержание кремния должно быть снижено.

Марганец заметно повышает прочность стали, не снижая ее пластичности, резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость), удаляя серу из расплава.

Фосфор и сера являются вредными примесями. Фос­фор уменьшает пластичность, и вязкость стали, увели­чивает ее склонность к образованию трещин при низ­ких температурах (хладноломкость). Сера снижает ударную вязкость, пластичность, предел выносливости, свариваемость и коррозионную стойкость сталей. Сера вызывает охрупчивание стали при высоких температу­рах. Содержание серы и фосфора в стали строго огра­ничивается.

Кислород, азот и водород отрицательно влияют на свойства сталей.

В машиностроительных чугунах углерод присутству­ет в виде графита. Графит обладает очень низкими ме­ханическими свойствами. Поэтому чем больше графи­та присутствует в структуре чугуна и чем грубее его включения, тем хуже свойства чугуна. Но он способству­ет повышению обрабатываемости чугунов резанием, придает им антифрикционные свойства при трении и гасит влияние вибраций и ударов.

Кремний существенно влияет на структуру чугуна, усиливая его графитизацию. Марганец повышает меха­нические свойства чугуна и препятствует их графитизации. Фосфор повышает износостойкость, но охрупчивает чугуны. Сера свойства чугуна ухудшает.

4. Влияние легирования на свойства железоуглеродистых сплавов.

Элементы, специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств, называют легирую­щими, а данный сплав легированным.

Легирующие элементы оказывают влияние на поли­морфные превращения железа. При введении в сталь никеля и марганца выше определенного содержания область существования γ-фазы расширяется от комнат­ной температуры до температуры плавления. Такие сплавы называют аустенитными. Другие элементы, на­пример, хром, ванадий, молибден, кремний и др., дела­ют феррит устойчивым до температуры плавления. Та­кие сплавы называют ферритными.

Влияние легирующих элементов на свойства сталей про­является в изменении свойств феррита, аустенита, характера включений карбидной фазы, размера зерна и т. д.

Влияние легирующих элементов на свойства чугунов проявляется в процессе графитизации. Путем легирова­ния изменяются размеры и форма графитовых включе­ний. Наиболее часто чугуны легируют хромом, никелем, медью, титаном для придания им специальных свойств.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется сплавом железа с углеродом?

2. Назовите структурные составляющие железоуглеродистых сплавов;

3. Как подразделяют стали по процентному содержанию углерода?