Тема 5 Сплави заліза  з вуглецем

Діаграма стану системи залізо-вуглець.

Структурні складові залізо-вуглецевих сплавів.

Залізовуглецеві сплави - сталі та чавуни - широко застосовуються в сучасній техніці.  Сплави  заліза з вуглецем в залежності від вмісту ввуглецю, температури  нагрівання розплава та швидкості його охолодження можуть мати різні структурні складові :  тверді розчини,  хімічні сполуки,  механічні суміші.

Залізо - поліморфний метал. Температура плавлення 1539 оС. Твердість  НВ 75..90,  d в=250..300 МПа,  d 0,2=120..150 МПа,  D=40..50 %, y=80..85 %, g=7,8 г/см3.

Вуглець - неметалічний елемент. Температура плавління - 3500оС. g=2,5 г/см3.  Зустрічається у вигляді алмаза та графіта. Залізо та вуглець є компонентами залізо-вуглецевих сплавів.  Фазами є  ферит, аустеніт, цементит.

Ферит - твердий розчин вуглецю в a-залізі.  При 727оС ферит містить близько  0,02 %  вуглецю,  а при кімнатній температурі - близько 0,06 %.  Ферит має кристалічну решітку ОЦК.  Твердість ферита НВ 80.

Аустеніт - твердий розчин вуглецю в g-залізі .  При 1147оС  в аустеніті розчиняється  2,14 % С, при 727оС -0,8 % С.  Аустеніт не має магнітних властивостей ,  твердість його НВ 170..200.

Цементит - хімічна сполука заліза з вуглецем Fe3C.  Цементит (карбід заліза)  містить 6,67 % вуглецю, він твердий  (НВ 800)  та крихкий .

Ледебурит  - евтектична суміш аустеніта та цементита.  Утворюється при кристалізації рідкого розплаву,  що містить 4,3 % С при температурі 1147 оС.  Ледебурит  як структурна складова  присутній в сплавах,  які містять вуглецю більше 2 %.  Він твердий (НВ 700)  та крихкий. 

Перліт  - евтектична суміш ферита  та цементита,  яка утворилася при розпаді аустеніта,  що містить 0,8 %  С  при 727оС.  Твердість перліта НВ  160..200.

Лінія ACD діаграми стану залізо-цементит  відповідає початку кристалізації,  вона називається  ліквідус.  Відрізок АС показує температуру початку кристалізації  аустеніта,  відрізок СД -  первинного цементита.

Лінія  AECF - солідус - температура кінця кристалізації. Відрізок AE - показує температуру кінця кристалізації аустеніта .  Відрізок ECF - 1147оС - температура  кристалізації  евтектики-ледебурита. 

ЖС ®АE+ЦF  ледебурит

Так  як  залізо- поліморфний метал,  то після затвердівання  відбуваються поліморфні перетворення.

Лінія  GS - температура  початку,  а GP - кінця перетворення аустеніту в ферит.  По лінії  ES  при охолодженні відбувається процес виділення цементиту з  аустеніту  (при нагріванні,  навпаки,  розчинення  цементиту).

По лінії PSK (727оС),  відбувається евтектоідний  розпад аустеніта на ферито-цементитну суміш - перліт.

АS®Фр+Цк  перліт

Перетворення  в сталях.

Сплави заліза з вуглецем, які містять до 2,14 %  вуглецю називаються  сталями.  Кристалізація сталей починається  по лінії АС,  з рідкого розплаву утворюються кристали аустеніту. Кінець кристалізації  відбувається при температурах,  що відповідають лінії  АЕ.  В сталях, що містять  до 0,8 % С, аустеніт зберігається до лінії GS,  нижче якої починається перетворення Feg  в Fea ,  сталь попадає в двохфазну область,  де існує  ферит і аустеніт. При охолодженні кількість аустеніта зменшується,  а ферита збільшується. При температурі 727оС  залишки аустеніта розпадаються на ферито-цементитну суміш  -  перліт.  Структура сталі стає  ферит і перліт і не змінюється  при охолодженні нижче 727оС.  В сталях, що містять від 0,8 до 2,14 %  С,  аустеніт зберігається до лінії ES.  Нижче  цієї лінії з  аустеніту  почне виділятися вуглець у вигляді цементита вторинного  (ЦII) .  Цей процес відбувається до лінії  727оС,  в аустеніті залишається 0,8 % С  і він розпадається на перліт. Структура сталі стає перліт і цементит вторинний,  який у вигляді сітки розміщений навкруг перлітних зерен.

Перетворення в чавунах.

Сплави заліза з вуглецем, які містять від 2,14 % до 6,67 % С називають чавунами.  Чавуни, які містять до 4,3 % вуглецю,  починають кристалізуватись по лінії ВС,  з рідкого розплаву виділяються кристали аустеніту.  В інтервалі температур  між лініями ліквідус  (АС)  і солідус  (EF) відбувається кристалізація аустеніту.  При 1147оС  (лінія  EF)  залишки рідкої фази кристалізуються  з  утворенням  суміші кристалів аустеніта  та цементита (ледебурита).  В інтервалі температур +147оС..+727оС  відбувається  виділення цементиту  вторинного з аустеніту.  При температурі 727оС  (лінія PSK)  аустеніт містить 0,8 % С  і  розпадається на суміш фериту і цементиту,  яку називають перлітом.  При подальшому охолодженні структура не міняється і складається з перліту , цементиту вторинного та ледебуриту.

Чавуни, які містять більше 4,3 %  С  починають кристалізуватися по лінії CD,  при цьому утворюються кристали первинного цементиту.  При температурі 1147оС  (лінія ECF) кристалізується евтектина - ледебурит. При подальшому охолодженні з аустеніту виділяється  цементит, а при 727оС  утворюється перліт. Структура сплаву після охолодження - ледебурит та цементит  первинний.

По структурі сталі поділяють на доевтектоідні (вміст вуглецю від 0,02 до 0,8 % ), евтектоідні (0,8 % С)  та заевтектоідні (вуглецю від 0,8 до 2,14 %).

Чавуни по структурі ділять на доевтектичні (вміст вуглецю від 2,14 до 4,3%),  евтектичні (вміст вуглецю 4,3%)  та заевтектичні (вміст вуглецю від  4,3 до 6,67 %).

Чавуни,  в  яких вуглець  міститься у вигляді хімічної сполуки - цементиту,  називаються білими.

 Чавуни,  в яких  вуглець міститься у вигляді графіту, називаються сірими. Білі чавуни мають підвищену твердість, крихкість  і  застосовуються переважно для переробки  в сталь. Сірі чавуни менш тверді і крихкі,  вони містять підвищену кількість кремнію,  який сприяє розпаду цементиту  та утворенню графіту.  Сірі чавуни в залежності від форми  графіту  поділяються на сірий звичайний,  високоміцний та ковкий.

Форма графітних включень в  сірих  звичайних чавунах - пластинчаста,  в  високоміцних - кулеподібна,  а  в  ковких  чавунах  - пластівчаста.  Графітні  включення  знаходяться  в металевій  основі  і  подібно  тріщинам роз’єднують  її ,  погіршують  механічні  властивості  сплава.  Чавун  з  кулеподібною формою графіту  більш міцний,  ніж  звичайний  сірий чавун  та  ковкий.

На міцність чавунів помітно впливає будова сталистої основи.  Чавун може  мати  феритну, ферито-перлітну  або  перлітну  структуру сталистої  основи.  Отже,  міцність сірих  чавунів  залежить  від  форми  графітних  включень  та від  структури сталистої  основи.

Характеристика сталей та чавунів.

Класифікація  сталей.

Сталі  класифікують  за  хімічним складом,  способом виплавки,  структурою,  якістю  та призначенням.

За  хімічним складом  сталі поділяють на вуглецеві та леговані.  В  залежності від  вмісту вуглецю сталі поділяють на  низьковуглецеві (<0,3 % С),  середньовуглецеві (0,3..0,7 %),  високовуглецеві  (>0,7 % С).

В залежностівід легуючих елементів сталі бувають: хромісті, хромонікелеві,  марганцовисті  і т.д.

По  кількості легуючих  елементів  леговані сталі поділяють на низьколеговані  (вміст легуючих елементів  2,5 .. 5 %),  середньолеговані (легуючих елементів до 10 %) та  високолеговані  (легуючих  елементів  більше 10 %).

В  залежності від вмісту  шкідливих  домішок  -  сірки  та  фосфору,  сталі поділяють на  сталі  звичайної  якості,  якісні  та  високоякісні.

За  призначенням  розрізняють  сталі  конструкційні,  інструментальні  та  з  особливими властивостями.

Вуглецеві  сталі.

Сталі  звичайної  якості  (вміст  сірки до 0,05 %,  фосфору  0,04..0,07%)  виготовляються в мартенівських печах та кисневих  конверторах.  Сталь  випускають у вигляді прокату  (листів,  балок,  прутків)  і в  залежності  від  призначення  та гарантованих властивостей  постачають за  механічними  властивостями ( група  А),  хімічним складом  (група Б), механічними  властивостями та  хімічним складом  (група В).

До групи А  входять сталі марок Сталь Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6; до групи Б -  БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6;  до  групи В  -  ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.  Ступінь  розкислення позначається індексами:  в спокійних сталях - «сп»,  напівспокійних - «пс»,  кип’ячих - «кп».  Наприклад,  Сталь Ст2кп;  Ст3сп.  Букви Ст означають  сталь, а цифри від 0 до 6 умовний номер марки сталі залежно  від  хімічного складу  і  механічних  властивостей.  Букви  Б і В перед  позначкою марки  означають групи  сталі .  Група А в  позначці  сталі  не  зазначається. 

Якісні сталі виплавляють в мартенівських або  в  електропечах.  Ці  сталі містять  менше 0,04 %  сірки та  фосфору,  в них  менше неметалічних включень.  В залежності від хімічного складу  якісну конструкційну сталь випускають двох груп : першу  -  з нормальним вмістом марганцю ( наприклад,  08 кп,  08, 20кп, 20,70,75),  другу  -  з  підвищеним вмістом  марганцю (наприклад,  30Г, 65Г).  Цифри показують середній вміст вуглецю в  сотих  долях  відсотків.  Наприклад,  сталь 45 містить 0,45 % С.  Буква Г  свідчить про підвищений вміст  марганцю  в сталі - до 0,7..1,0 %.

Якісні конструкційні сталі використовують для виготовлення деталей машин.

Iінструментальні вуглецеві  сталі. 

Ці  сталі  поділяють на якісні  і  високоякісні.  Маркують  ці  сталі  літерою У  (вуглецеві)  і  цифрами,  які  відповідають  вмісту вуглецю  в  десятих  долях  відсотків.  Наприклад,  сталь  У8 містить 0,8 % С,  Сталь  У10 - 1 % .  Якщо  в  позначці  марки  стоїть буква А -  сталь У10А,  то це  означає,  що сталь  високоякісна  (вміст  сірки  та  фосфору до 0,02%).

Високоякісні  сталі  більш  міцні,  краще чинять  опір дії  ударних навантажень.

Сталі  У7,  У7А,  У8,  У8А  використовуют для виготовлення слюсарних інструментів,  штампів, деревообробних інструментів.

Сталі У10,  У11,  У10А, У11А  використовують  для  виготовлення різців,  фрезувальних метчиків,  ковочних полотен, напильників та ін.

Сталі У12, У12А, У13, У13А  використовують для інструментів,  від яких  вимагають високу  твердість  (напильники).

Сірі чавуни.

Маркування  сірих  чавунів.

Сірі  чавуни  маркують  буквами СЧ  (сірий  чавун)  і  цифрами,  які  показують середню  межу  міцності на  розтяг,  наприклад,  СЧ15, СЧ20, СЧ40  мають  відповідно  межу  міцності  sв=150 МПа, 200 МПа, 400МПа.

Високоміцні  та  ковкі  чавуни  позначають Буквами  ВЧ та КЧ відповідно, і  цифрами,  які  показують  середню  межу  міцності  на  розтяг,  наприклад ВЧ60-2 -  високоміцний  чавун,  межа  міцності  sв=600 МПа,  КЧ45-6 - ковкий  чавун,  межа  міцності на  розтіг sв=450 МПа.

Звичайний  сірий  чавун  використовують  в  основному для  виготовлення  складних  за  формою  деталей,  які  працюють без  ударних  навантажень на  стискання :  блоки циліндрів  двигунів,  корпуси,  маховики,  кришки,  плити та  фундаменти  металооброблювальних  верстатів,  поршневі  кільця  та  ін.

З  ковкого чавуна виготовляють  фланці,  муфти,  коромисла,  підшипники,  кронштейни,  скоби,  колінчасті  вали  та  багато  інших.