Сплавы железа. Сплавы на основе железа

4.1. Компоненты и фазы в системе железо – углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0, 127 нм. Температура плавления железа 1539˚С. Железо имеет две полиморфные модификации α и γ. Модификация α-железа существует при температурах ниже 910˚С и выше 1392˚С (рис. 17). В интервале температур 1392-1539˚С α-железо нередко обозначают как δ-железо.

Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см 3 , температура плавления 3500˚С, атомный радиус 0,077нм. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может быть в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы – феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, имеющий объемноцентрированную кубическую решетку (ОЦК). Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный δ-феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Феррит имеет следующие механические свойства: σ в = 250 МПа, σ т = 120 МПа, δ = 50%, ψ = 80%, НВ 800.

Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, имеющий гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК). Предельная растворимость углерода в γ-железе – 2,14%. Он имеет твердость НВ 1600-2000; δ = 40…50%.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe 3 C), содержит 6,67% С, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается равной 1550 0 С. Цементит магнитен и характеризуется высокой твердостью НВ 8000.

Графит представляет собой свободный углерод. Кристаллическая решетка графита гексагональная. Он мягок, электропроводен, химически стоек, малопрочен.

4.2. Диаграммы состояния железо-углеродистых сплавов.

Существует две диаграммы железоуглеродистых сплавов: железо-цементит и железо-графит. Эта двойственность обусловлена тем, что в зависимости от внешних условий в равновесии с жидким раствором и твердыми растворами железа могут находиться как цементит (карбид железа Fe 3 C), так и графит.

Цементит является неустойчивым химическим соединением, которое в случае длительного пребывания при достаточно высоких температурах диссоциирует с выделением графита. Неустойчивость цементита возрастает с повышением содержания углерода в сплавах. В сталях цементит отличается высокой устойчивостью; графит в них может появляться лишь в результате длительного пребывания (тысячи часов) при температурах 500 0 -700 0 С. В чугунах графит часто образуется уже при медленном охлаждении или при нагревах и относительно кратковременных выдержках при повышенной температуре.

Рис. 22. Фазовый анализ диаграммы состояния железо-цементит (а); верхний левый угол диаграммы (б)

Однако диаграмму состояний железоуглеродистых сплавов изображают двумя системами линий: сплошными, отражающими состояние равновесия в присутствии в сплавах цементита, и пунктирными – графита.

Наибольшее практическое значение имеет метастабильная диаграмма состояний Fe-Fe 3 C, т. к. появление графита в чугунах объясняется протеканием вторичной реакции графитизации: цементит → железо + графит, а в сталях графит встречается чрезвычайно редко

Диаграмма состояний Fe-Fe 3 C представлена на рис. 22.

На диаграмме Fe-Fe 3 C точка А (1539 0 С) отвечает температуре плавления железа, а точка D (~1550 0 С) – температуре плавления цементита. Точки N (1392 0 С) и G (910 0 С) соответствуют полиморфному превращению α ↔ γ.

Концентрация углерода (по массе) для характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe 3 C следующая: В – 0,51% С в жидкой фазе, находящейся в равновесии с δ-ферритом и аустенитом при перитектической температуре 1499 0 С; Н – 0,1% С предельное содержание в δ-феррите при 1499 0 С; J – 0,16% С – в аустените при перитектической температуре 1499 0 С; Е – 2,14% С предельное содержание в аустените при эвтектической температуре 1147 0 С; S – 0,8% С – в аустените при эвтектоидной температуре 727 0 С; Р – 0,02% С – предельное содержание в феррите при эвтектоидной температуре 727 0 С.

Кристаллизация сплавов Fe-Fe 3 C. Линии диаграмм состояния Fe-Fe 3 C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл: АВ – линия ликвидус, показывает температуру начала кристаллизации δ-феррита (Ф) из жидкого сплава (Ж); ВС – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD – линия ликвидус, соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Ц I) из жидкого сплава (Ж); АН – линия солидус, является температурной границей области жидкого сплава (Ж) и кристаллов δ-феррита (Ф); ниже этой линии существует только δ-феррит; HJB – линия перитектического превращения (1499 0 С), на ней происходит перитектическая реакция:

(жидкость состава т. В взаимодействует с кристаллами δ-феррита состава т. Н с образованием аустенита состава т. J). Линия ECF – линия солидус, соответствует кристаллизации эвтектики – ледебурита.

Ледебурит – эвтектика, представляющая собой механическую смесь кристаллов аустенита и цементита, полученную в процессе их одновременной кристаллизации из жидкого сплава, состоящая на момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. В сплавах, содержащих 0,1-0,16% С, по достижении температур, отвечающих линии АВ из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным Ж + δФ. Состав δФ при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав Ф – по линии ликвидус. При температуре 1499 0 С в равновесии находятся δФ состава точки Н (0,1% С) и Ж состава точки В (0,51% С). При этой температуре протекает перитектическое превращение:

в результате которого образуется двухфазная структура δФ и А состава точки J (0,16% С).

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,51% С, при перитектической температуре в результате взаимодействия между δФ и Ж образуется А, но часть жидкой фазы остается неизрасходованной:

Процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидус JE. После затвердевания сплавы приобретают однофазную структуру – аустенит.

При температуре 1147 0 С аустенит достигает предельной концентрации, соответствующей т. Е (2,14% С), а оставшаяся жидкость – эвтектического состава т. С (4,3% С).

При температуре эвтектики (линия ECF) существует нонвариантное (С = 0) равновесие аустенита состава т. Е (А Е), цементита (Fe 3 C) и жидкой фазы состава т. С (4,3% С). В результате кристаллизации жидкого сплава состава т. С (4,3% С) образуется эвтектика – ледебурит, состоящая в момент образования из аустенита состава т. Е и цементита:

Доэвтектические сплавы после затвердевания имеют структуру аустенит + ледебурит (А + Fe 3 C). Эвтектический сплав (4,3% С) затвердеет при постоянной температуре с образованием только эвтектики – ледебурита.

Заэвтектические сплавы (4,3-6,67% С) начинают затвердевать с понижением температуры до линии ликвидус CD, когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита. Концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147 0 С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3% С (т. С) и затвердевает с образованием ледебурита. После затвердевания заэвтектические сплавы состоят из первичного цементита и ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14% С – чугуном. Стали после затвердевания не содержат хрупкой составляющей – ледебурита – и при высоком нагреве имеют только аустеничную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и повышенных температурах, т. е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.

По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами, что объясняется присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики.

Фазовые и структурные изменения в сплавах Fe-Fe 3 C после затвердевания связаны с полиморфизмом железа и изменением углерода в аустените и феррите с понижением температуры. Превращения, протекающие в твердом состоянии, описываются следующими линиями: NH – начало полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; NJ – окончание полиморфного превращения δ-феррита в аустенит; GS – начало полиморфного превращения аустенита в феррит; GP – при охлаждении соответствует окончанию превращения аустенита в феррит; SE – линия предельной растворимости углерода в аустените, при охлаждении соответствует температурам начала выделения из аустенита вторичного цементита. Линия эвтектоидного превращения PSK при охлаждении соответствует распаду аустенита (0,8% С) с образованием эвтектоида – феррито-цементитной структуры, получившей название перлит

Изменение растворимости углерода в феррите в зависимости от температуры соответствует линии PQ. При охлаждении эта линии соответствует температурам начала выделения третичного цементита, а при нагреве – полному его растворению.

Ниже GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении по достижении температур, соответствующих линии PQ, из феррита выделяется цементит третичный, который резко снижает пластичность феррита.

При понижении температуры состав аустенита меняется по линии GOS, а феррита – по линии GP.

Чем выше концентрация углерода в стали, тем меньше образуется феррита. По достижению температуры 727 0 С (А 1) содержание углерода в аустените достигает 0,8% (т. S). Аустенит, имеющий эвтектоидную концентрацию углерода, распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих перлит.

Эвтектоидное превращение аустенита происходит при постоянной температуре 727 0 С, при наличии трех фаз: феррит (0,02% С), цементит (6,67% С) и аустенит (0,8% С). При этом система нонвариантна: С = К – Ф + 1 = 2 – 3 + + 1 = 0.

Вариантность системы будет рассмотрена ниже.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + перлит.

Чем больше в стали углерода, тем меньше в структуре феррита и больше перлита. При содержании в стали 0,6-0,7% С феррит выделяется в виде оторочки вокруг зерен перлита (ферритная сетка).

Стали, содержащие от 0,8% до 2,14% С, называют заэвтектоидными. Выше линии ES в этих сплавах будет только аустенит. При температурах, соответствующих линии ES, аустенит оказывается насыщенным углеродом, и при понижении температуры из него выделяется вторичный цементит, т. е. сплавы становятся двухфазными (А + Ц II). По мере выделения цементита концентрация углерода в аустените уменьшается по линии ES. При снижении температуры до 727 0 С (линия PSK) аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные стали состоят из перлита и вторичного цементита, который выделяется в виде сетки по границам бывшего зерна аустенита и делает сталь хрупкой.

В доэвтектических чугунах, содержащих 2,14-4,3% С, при понижении температуры, вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените (линия SE), происходит частичный распад аустенита – как первых его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в ледебурит. Это приводит к выделению кристаллов вторичного Fe 3 C и уменьшению содержания углерода в аустените. При температуре 727 0 С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру: перлит, ледебурит (перлит + цементит) и вторичный цементит; чем больше в чугуне углерода, тем меньше перлита и больше ледебурита. Эвтектический чугун содержит 4,3% С, при температурах ниже 727 0 С состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше, чем 4,3%, и после затвердевания состоит из цементита и ледебурита (аустенит + Fe 3 C).

При понижении температуры эвтектический аустенит обедняется углеродом вследствие выделения избыточного цементита и при температуре 727 0 С распадается с образованием перлита. После охлаждения заэвтектические чугуны состоят из первичного цементита, имеющего форму пластин, и ледебурита (перлит + цементит). С повышением содержания углерода количество цементита возрастает.

Цементит третичный в сталях и чугунах, а также цементит вторичный в эвтектическом и заэвтектических чугунах как самостоятельные структурные составляющие при микроструктурном анализе обычно не обнаруживаются.

Следует отметить, что все описанные изменения структуры, происходящие при охлаждении сплавов, обратимы, т. е. они совершаются и при нагреве сплавов (в обратном порядке).

О фазовых превращениях, происходящих в сплавах, можно судить по кривым охлаждения или нагревания. К числу фазовых превращений относятся плавление или кристаллизация, перестройка кристаллической решетки, полиморфизм, перитектическое, эвтектическое и эвтектоидное превращение и перекристаллизация.

Система характеризуется параметрами своего фазового состояния: температурой, давлением и объемом. В двух- и многокомпонентных системах вместо объема указывается относительное содержание (массовая доля) компонентов.

Фазовое состояние системы, характеризующееся числом сосуществующих фаз (Ф), зависит от числа компонентов (К) и числа степеней свободы С. Эти три фактора связаны уравнением С = К – Ф + 1, которое называется правилом фаз, где за 1 принят параметр температура.

Правило фаз используется для фазового анализа кривых охлаждения.

Весовое соотношение структурных составляющих (или фаз), присутствующих в сплавах, а также соотношение кристаллических фаз в структурных составляющих – эвтектиках и эвтектоидах, можно определить по правилу отрезков.

Количества твердой и жидкой фаз данного сплава при рассматриваемой температуре обратно пропорциональны отрезкам горизонтали, проведенной через данную точку до пересечения с линией ликвидуса и с линией солидуса (или с линией ликвидуса и осью ординат).

Например, определим количество аустенита и жидкого расплава в сплаве с содержанием углерода 2% при температуре 1300 0 С (рис. 23). Отрезок «ас» характеризует весь сплав, тогда количество аустенита Q A и количество жидкой фазы Q Ж определяются по формулам:

,

Значит в точке «b» аустенита по отношению ко всему сплаву находится 63,1%, а жидкого сплава 36,9%.

Определим весовое соотношение структурных составляющих в белом доэвтектическом чугуне с 3% С при 900 0 С (рис. 23).

При 900 0 С в белов доэвтектическом чугуне имеются три структурные составляющие: эвтектика, аустенит и вторичный цементит.

Поскольку весовая доля эвтектики не изменяется с температуры ее образования до комнатной (20 0 С) температуры, подсчитаем, сколько в нашем сплаве было эвтектики (т. е. ледебурита) при эвтектической температуре 1147 0 С, т. е. тогда, когда присутствовали только две структурные составляющие: ледебурит и аустенит. Содержание углерода в эвтектике равно 4,3%, содержание углерода в аустените при 1147 0 С равно 2,14%. Таким образом, отношение веса эвтектики к весу всего сплава равно отношению отрезка ЕО к отрезку ЕС:

.

Остальная доля веса приходится на аустенит, которую при эвтектической температуре будет около 60%.

При охлаждении чугуна от эвтектической температуры до 900 0 С из аустенита выделяются кристаллы вторичного цементита, согласно линии предельной растворимости ES, т. е. содержание углерода в аустените соответствует точке «е», что составляет 1,3%.

Подсчитаем теперь, сколько по весу вторичного цементита должно выделяться из аустенита при охлаждении с 1147 0 С до 900 0 С. Содержание углерода в аустените при 900 0 С равно 1,3%, содержание углерода в цементите 6,67%. Следовательно, отношение веса кристаллов вторичного цементита к весу всего сплава соответствует отношению отрезков «ek» к «el»:

.

В качестве примера рассмотрим процесс структурообразования в охлажденной стали с 0,4% С (рис. 23). Выше точки t 1 сталь находится в жидком состоянии и охлаждается. В интервале температур t 1 – t 2 из жидкой фазы, концентрация углерода (состав) в которой изменяется по ликвидусу АВ, образуются кристаллы δФ. Их состав определяется по солидусу АН. При кристаллизации выделяется теплота и на участке кривой t 1 – t 2 охлаждение сплава замедляется.

При температуре t 2 (1499 0 С) происходит перитектическое превращение:

Избыточный жидкий расплав кристаллизуется при охлаждении в интервале температур t` 2 – t 3 с образованием аустенита. В интервале температур t 3 – t 4 происходит охлаждение аустенита. При температурах t 4 – t 5 происходит полиморфное превращение, т. е. аустенит, имеющий решетку ГЦК, превращается в феррит, имеющий решетку ОЦК. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии 4S, а массовая доля аустенита уменьшается. Содержание же углерода в феррите изменяется по линии 4 / P, а массовая доля феррита увеличивается.

При температуре t 5 (727 0 С) концентрация углерода в аустените будет соответствовать точке S (0,8% С), а в феррите – точке Р (0,02% С), т. е. происходит эвтектоидное превращение:

,

когда из аустенита, не превратившегося в феррит, образуется перлит.

В процессе последующего охлаждения сплава из феррита, согласно линии предельной растворимости PQ, выделяется Ц III , который наслаивается на цементит входящий в состав перлита и структурно не обнаруживается.

Массовые доли феррита и перлита, как структурных составляющих стали определим для температуры 700 0 С по правилу отрезков:

,

.

Массовая доля феррита как фазы, существующей вместе с цементитом, определяется как:

.

Остальные 4,3% приходятся на долю цементита.

Итак, структурный состав медленно охлажденной стали, содержащей 0,4% С, состоит из 51,3% феррита и 48,7% перлита, а фазовый состав будет соответствовать 95,7% феррита и 4,3% цементита.

Типовые примеры кривых охлаждения с указанными структурами представлены на рис. 24.

Вопросы для повторения раздела.

1. Какие фазы образуются в системе Fe – Fe 3 C?

2. Укажите изотермические реакции, происходящие при охлаждении на линиях HIB, ECF, PSK.

3. Постройте кривую охлаждения и опишите превращения, происходящие в доэвтектоидной стали и заэвтектическом чугуне.

4. Как структурный и фазовый состав стали у чугуна зависят от содержания углерода и температуры?

5. Определите содержание углерода в структурных составляющих сплава, содержащего 1,3% С, при температуре 800ºС.

Основные понятия теории термической обработки.

5.1. Факторы, влияющие на термическую обработку.

Термической обработкой называют процессы, заключающиеся в тепловом воздействии на сплав по определенным режимам для изменения его структуры и свойств. От термической обработки за­висят качество и стойкость деталей и инструмента.

На результат термической обра­ботки влияют следующие факторы: время (скорость) на­грева, температура нагрева, время (продолжительность) выдержки, время (скорость) ох­лажде­ния. Таким образом, ос­новными фак­торами термической обработки явля­ются температура и время. По­этому процесс термической обработки обычно изображают в виде гра­фика в координатах «температура t – время τ». Если термическая обра­ботка состоит только из одной операции, то она называется простой, а если из нескольких опера­ций - сложной.

К операциям термической и химико-термической обработки относят: отжиг (полный, неполный, изотермический, на зернистый перлит, диффузионный и рекристаллизационный); нормализацию; закалку (непрерывную в одной среде, прерывистую, ступенчатую, изотермическую, различные виды поверхностной закалки); отпуск; старение; обработку холодом; термомеханическую обработку; цементацию; азотирование; цианирование; нитроцементацию и др.

5.2. Термическая обработка и диаграммы состояния.

Основные виды термической обработки - отжиг (с фазовой пе­рекристал­лизацией) и закалка с отпуском - применимы только для тех сплавов, которые образуют диаграмму состояния с ограничейной раство­римостью компонентов в твердом состоянии уменьшающейся с пониже­нием температуры (рис. 25, а)или с полиморфными превращениями (рис. 25,б).В первом случае (см. рис. 25,а) при нагреве сплавов с концентрацией компонента В от точки S до точки E можно получить однородный

твердый раствор αи быстрым охлаждением зафиксировать его при температуре 20˚ С (закалка) с получением пересыщенного твердого раствора. При этом наиболее часто прочность несколько повышается, а пластич­ность не изменяется. При последующем нагреве (отпуске) будет происходить выделение из пересыщенного раствора α избыточной фазы В. При этом резко повышаются прочность и твердость и не­сколько снижается пластичность. Во втором случае (см. рис. 25, б)из исходного состояния α+ В-фаз при нагреве можно получить γ-фазу. При последующем медленном охлаждении вновь образуются α + В-фазы (отжиг с фазовой перекристаллизацией), а при быстром охлаждении (закалке) будет фиксироваться
фаза, называе­мая мартенситом, обладающая высокой твердостью и прочностью.

5.3. Превращения в стали при нагреве.

Превращение перлита в аустенит. Согласно нижней левой части диаграммы состояния железо-цементит (рис. 26) при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре критиче­ской точки А 1 (линия PSK, температура 727° С). В действитель­ности превращение перлита в аустенит (а также и обратное пре­вращение аустенита в перлит) не может происходить при

727° С, так как при этой температуре свободная энергия перлита равна свободной энергии аустенита (рис. 27). Поэтому для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше равновесной температуры 727° С, т. е. должен быть так называемый перенагрев, так же как для превращения аусте­нита в перлит должно быть обязательно некоторое переохлаждение.

Процесс превращения перлита в аустенит в эвтектоидной стали (содержащей 0,8% С) при нагреве происходит следующим образом (рис. 28). Сталь в исходном состоянии представляет смесь фаз феррита (α-железо) и цементита (рис.28.а). При нагреве несколько выше критической точки А 1 (727° С) на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение α→ γ,приводящее к образованию низкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется це­ментит (рис. 28.б).Образующийся аустенит химически неоднороден. Концентрация углерода на границе с цементитом значи­тельно выше, чем на границе с ферритом. Превращение α→ γ про­текает быстрее, чем растворение цементита, и поэтому, когда все α-железо (феррит) превратится в γ-железо (аустенит), цементит еще остается (рис.28.д). После растворения всего цементита превращение заканчивается (рис.28.е),но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода по объему, уменьшаю­щуюся от центра к периферии зерна. Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объему.

На скорость превра­щения перлита в аустенит влияют многие факторы: температура превращения, скорость нагрева, дисперсность исходной структуры, химический состав стали.

Рост зерна аустенита при нагреве. Зерна аустенита, обра­зующиеся при нагреве стали выше критической точки А 1 , полу­чаются

мелкими (начальное зерно аустенита). При повышении температуры происходит рост зерен, заключающийся (как один из механизмов роста зерна аус­тенита) в слиянии и погло­щении более мелких зерен более крупными. При росте зерна атомы переходят (в ре­зультате самодиффузии) от соседнего зерна к растущему через границу, вследствие чего границы зерен перемещаются.

От размера зерна аустенита, образовавшегося при нагреве (действительного зерна), зависит размер зерна продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими. От размера действительного зерна зависят также механические свойства стали, главным обра­зом вязкость, значительно понижающаяся с увеличением размера зерна.

Размер наследственного (природного) зерна влияет на техно­логические свойства стали. Если, например, сталь наследственно мелкозернистая, то ее можно нагревать до высокой температуры (950-1000° С), не опасаясь получения крупного зерна.

5.4. Превращения в стали при охлаждении.

Распад переохлажденного аустенита (диаграмма изотермиче­ского превращения аустенита). Распад аустенита может происхо­дить только при температурах ниже 727° С (критическая точка А 1). Следова­тельно, для распада аустенит должен быть переохлажден. От степени переох­лаждения, т. е. от температуры, при которой происходит распад аустенита, зависят скорость пре­вращения и строение продуктов распада аустенита. Законо­мерности этого про­цесса характеризу­ются диа­граммой изотермического превращения аустенита, т. е. распадом аустенита при постоянной температуре.

Если нагретую до состояния аустенита сталь быстро охладить до температуры ниже температуры в критической точке А 1 и затем выдер­жать при данной температуре, то превращение аустенита в ферри­тоце­ментитную смесь будет проходить в течение определен­ного времени. Та­кой процесс превращения аустенита при постоян­ной температуре (изо­термический процесс) можно охарактери­зовать зависимостями, приве­денными на рис. 29. После охлажде­ния стали до температуры t ниже тем­пературы в критической точке А 1 аустенит сохраняется нераспавшимся некоторое время (отре­зок о -а на рис. 29). Этот период времени называ­ется инкубацион­ным периодом. По исте­чении инкубационного пе­риода начинается рас­пад ау­стенита на фер­рито-це­ментитную смесь. С те­чением вре­мени аусте­нит распада­ется все больше (отрезок а -б ). Полный распад аусте­нита заканчивается по истечении времени, рав­ного отрезку а -в (рис. 29).Следова­тельно, для распада ау­стенита на феррито-це­ментитную смесь при какой-то оп­ределенной темпе­ратуре требуется определенное время.

По эксперимен­тальным кривым, полу­ченным для многих тем­пе­ра­тур переохлаждения (t 1 , t 2 , и т. д.), можно построить диаграмму изо­термического превращения аустенита. Построе­ние такой диа­граммы производится следующим образом. Эксперимен­тальные кривые совмещают на одной диаграмме (рис. 30.а). По осям ко­ординат диаграммы (рис. 30.б) откладывают время (ось абсцисс) и темпе­ратуру распада аустенита (ось ординат). В связи с тем, что время распада аустенита может изменяться от несколь­ких секунд до нескольких часов, для удобства построения приме­няется логарифмическая шкала времени (ln τ). Затем проводят ли­нии, соответствующие температуре в точке А 1 и температуре начала мартенситного превращения (точка М н *). Точки а (начала распада аустенита) и б (окончания распада) для каждой температуры превращения переносят на соответствующие горизон­тали темпе­ратур. Затем точки а 1 а 2 и т. д. соеди­няют, в результате чего полу­чается левая кривая диаграммы. После пере­носа соединения то­чек б 1 , б 2 и т. д. получается пра­вая кривая диаграммы. Получив­шиеся кривые похожи на русскую букву С, поэтому их и называют С-кривыми. Левая кривая характеризует начало распада, а пра­вая - окончание распада аусте­нита на феррито-цемен­титную смесь. В области между вертикальной осью и левой кривой аустенит находится в переохлажденном состоянии (инку­бационный пе­риод).

Приведенная на рис. 31 диаграмма изотермического распада: аусте­нита характерна для эвтектоидной стали.

В зависимости от степени переохлаждения аустенита различают три температурные области превращения: перлитную, промежу­точного превращения и мартенситную.

Перлитное превращение. Перлитная область распространяется на интервал температур от кри­тической точки А 1 до изгиба С-кривой (~550° С). Распад аустенита с образованием перлита (эвтектоидный рас­пад) является диффузион­ным процессом и развива­ется в результате флуктуа­ции состава (неоднородно­сти в распределении угле­рода в аустените). Перед распадом углерод диффун­дирует внутри аустенитаи скапливается на границах зерен аустенита, в результате чего образуются зародыши цементита. Рост зародышей цементита происходит из-за диффузии углерода из при­легающего аустенита, что приводит к обеднению угле­родом аустенита, окружаю­щего образовав-шиеся пла­стинки цементита, и способ­ствует превращению его в феррит. Поэтому рядом с пластинками цементита об­разуются пластинки феррита. Таким образом, возникают участки перлита, в которых пластинки цементита и фер­рита расположены параллельно.

Структура, состоящая из чередующихся параллельных пластинок феррита и цементита, характерна для всей перлитной области (от точки А 1 до изгиба С-кривой). Разница заключается только в том, что с увеличением переох­лаждения ниже 727° С (с понижением температуры превращения) пластинки феррита и цементита становятся более тонкими и искривленными, что характеризуется межпластиночным расстоянием l 0 , под которым понимают сумму толщин двух соседних пластинок феррита и цементита. С уменьшением межпластиночного расстояния значительно изменяются механические свойства - повышается прочность и твердость и уменьшается пластичность. Под перлитом понимают продукты эвтектоидного распада аустенита, образующиеся при темпе­ратурах 650-700° С (l 0 = 0,6÷1,0 мкм; НВ 180-250). Если аустенит переохлажден до 600-650° С и при этих темпера­турах распадается, то образующаяся более мелкая феррито-цементитная смесь называется сорбитом (l 0 = 0,25÷0,3 мкм; НВ 250–350). При переохлаждении аустенита до 500-600° С образуется еще более мелкая феррито-цементитная смесь, назы­ваемая трооститом (l 0 = 0,1÷0,15 мкм; НВ 350-450).

Мартенситное превращение. Мартенсит имеет совершенно отличную от других структур природу и образуется не так, как феррито-цементитные смеси. Характерной особенностью аустенито-мартенситного превращения является его бездиффузионный ха­рактер.

При большом переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Ре­шетка γ-железа перестраивается в решетку α-железа. Углерод остается внутри решетки α-железа, в результате чего получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе.

Значительное пересыщение α-железа углеродом вызывает изме­нение объемно-центрированной кубической решетки в тетраго­нальную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед (рис. 32). Атомы углерода в такой ячейке распола­гаются в межузлиях (что характерно для твердого раствора вне­дрения) или в центре основания (сторона а ), или в середине удли­ненных ребер (сторона с ). Степень тетрагональности, характеризу­ющаяся отношением осей с/а, увеличивается с повышением содержания углерода в твердом растворе, достигая в стали, содержащей 1,7% С, величины 1,08.

Из изложенного следует, что мартенсит является пересыщен­ным твердым раствором внедрения углерода в α-железе. Превраще­ние аусте-

нита в мартенсит протекает в определенном интервале температур. При охлаждении оно начинается при некоторой температуре в точке М н (см. рис. 30), кото­рая в отличие от начала перлитного пре­вращения не зависит от скорости охлажде­ния (для данной стали). Все большее пре­вращение аустенита в мартенсит происхо­дит по мере понижения температуры и заканчивается при температуре в точке М к (см. рис. 31).

Характерным для мартенситного превращения является то, что даже при температуре конца мартенситного превращения (точка М к) не происходит полного образования мартенсита. Аустенит частично остается не превращенным в мартенсит и назы­вается остаточным аустенитом.

Если в мартенситном интервале охлаждение приостановить и дать выдержку, то превращение аустенита в мартенсит почтисразу же прекращается. Эта особенность резко отличает мартенситное превращение от перлитного, которое полностью протекает при постоянной температуре ниже А i . При выдержке при темпе­ратурах, близких температуре в точке М к , не только прекращается образование мартенсита, но уве

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

3. Конструкционные стали

4. Инструментальные стали

Заключение

Список литературы

сталь сплав чугун металл

Введение

Так как технически чистые металлы сравнительно редко применяются в машиностроении из-за недостаточных прочностных свойств, в качестве конструкционных материалов главным образом применяют сплавы. Сплав представляет собой вещество, состоящее из двух и более компонентов, полученное в процессе смешивания этих компонентов в жидком виде. Компонентами могут быть металлы и неметаллы. Кроме главных компонентов в сплаве могут содержаться примеси, которые могут быть полезными, улучшающими эксплуатационные свойства сплава, или вредными, ухудшающими эти свойства. Так же примеси делятся на случайно попадающие в сплав при его приготовлении и специально добавляемые с целью придать сплаву нужные свойства.

После отвердения сплава компоненты образовывают твердый раствор, химическое соединение или механическую смесь. В твердом растворе один из компонентов (основа) обычно сохраняет свою кристаллическую решетку, а другой в виде отдельных атомов распределяется внутри этой решетки. В химическом соединении компоненты вступают в химическое взаимодействие с образованием новой кристаллической решетки. В механической смеси компоненты обладают полной нерастворимостью и сохраняют каждый свою кристаллическую решетку, и сплав состоит из смеси кристаллов этих компонентов.

Сплавы всегда имеют конкретную основу, по которой их разделяют на группы, так, например, сплавы на основе железа называются черными, к ним относятся стали и чугуны, а сплавы на основе алюминия, магния, титана и бериллия имеют малую плотность и называются легкими цветными сплавами, сплавы на основе меди, свинца, олова и ряда других - тяжелыми цветными сплавами, сплавы на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута - легкоплавкими цветными сплавами, сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и ряда других металлов - тугоплавкими цветными сплавами.

1. Сплавы на основе железа. Общие сведения

Наиболее распространены в промышленности сплавы на основе железа с добавлением углерода, которые называют железоуглеродистыми сплавами и делят стали и чугуны. При содержании углерода меньше 2,14% сплавы являются сталями, больше - чугунами. Стали и чугуны - важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство их по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в 10 раз.

По назначению стали подразделяют на следующие группы:

1) Конструкционные стали (машиностроительные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов, а строительные стали - для конструкций и сооружений).

2) Инструментальные стали (обладают высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента).

3) Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (стали и сплавы, для которых основным предъявляемым к ним требованием является обеспечение определенного уровня физических свойств. Механические свойства этих сталей и сплавов чаще не имеют основного значения. Многие из этих сплавов являются прецизионными в смысле высокой точности химического состава и технологии производства).

В процессах получения черных металлов чугун занимает особо важное место, так как является первичным продуктом плавки из руд в доменных печах. По назначению доменные чугуны делятся на:

1) Передельные чугуны, то есть идущие в переработку на сталь.

2) Литейные чугуны - для производства фасонного литья.

3) Специальные чугуны, или доменные ферросплавы.

Чугун отличается от стали: по составу - более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам - более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

Белый чугун (углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белы цвет и металлический блеск);

Серый чугун (весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8% углерода, из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет);

Половинчатый (часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не более 2% углерода находится в форме цементита, мало используется в технике).

2. Стали. Общие сведения

Одним из важнейших классификационных признаков сталей является их химический состав, так как для получения заданных свойств в них вводят дополнительные - легирующие компоненты.

Так по химическому составу стали разделяют на:

1) Углеродистые стали:

низкоуглеродистые с 0,09 - 0,2% содержания углерода,

среднеуглеродистые с 0,2 - 0,45% углерода,

высокоуглеродистые с более 0,5% угерода;

2) Легированные стали:

низколегированные, содержащие легирующих элементов до 2,5%,

среднелегированные, содержащие легирующих элементов 2,5 - 10%,

высоколегированные, содержащие легирующих элементов более 10%.

Под легированием понимают ввод в основной металл добавок других металлов для улучшения его свойств.

Свойства сталей определяются количеством углерода и примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

С ростом содержания углерода в структуре стали уменьшается пластичность и увеличивается прочность и твердость. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, потом она начинает уменьшаться. С увеличением содержания углерода также увеличивается порог хладоломкости (при этом снижается ударная вязкость), электросопротивление, коэрцитивная сила, снижается магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции. Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4%), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на 4 группы:

1) Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Фосфор искажает пластическую решетку, увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость, вызывает хладоломкость. Сера - вредная примесь, попадает в сталь из чугуна, вызывает красноломкость (повышение хрупкости при высоких температурах), снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание фосфора и серы в стали нежелательно выше 0,03% каждого.

2) Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) - попадают в сталь при выплавке. Примеси внедрения (азот и кислород) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов. Флокены - тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3) Специальные примеси специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированными сталями. Марганец и кремний так же могут считаться легирующими элементами, если их содержание более 1,0 и 0,8% соответственно. Фосфор и сера - крайне редко, но все же тоже используются в виде легирующих элементов в некоторых специальных сталях.

4) Случайные примеси.

Основным легирующим элементом является хром. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали.

Бор и марганец увеличивают прокаливаемость, а также повышают порог хладоломкости.

Титан вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости, увеличивает статистическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Никель повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется молибденом). Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным металлом и применение таких сталей ограничено. Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают стали - хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетаниемпрочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием. Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости. Добавка свинца, кальция улучшает обрабатываемость резанием.

Все конструкционные материалы маркированы, то есть имеют марку (своего рода ярлык), зачастую отражающую в их составе наличие наиболее важных химических элементов.

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей. И по типу обозначений стали так же делятся на несколько групп:

1) Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380)

Ст - индекс данной группы сталей.

Цифры от 0до 6 - условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность.

По гарантиям при поставке существуют 3 группы сталей: А, Б и В. А - гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Б - гарантируется химический состав. В - гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс и сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

2) Качественные углеродистые стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали маркируются 2-значным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Сталь 08кп, сталь 10пс, сталь 45.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь У8, сталь У13.

Инструментальные высококачественные углеродистые стали маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали.

Сталь У10А.

3) Качественные и высококачественные легированные стали.

Легирующие элементы имеют условные обозначения буквами русского алфавита: Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, К - кобальт, Т - титан, А - азот (указывается в середине марки), Г - марганец, Д - медь, Ф - ванадий, С - кремний, П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, Ц - цирконий, Ю - алюминий.

Легированные конструкционные стали (сталь 15Х25Н19ВС2). В начале марки указывается 2-значное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах. Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5%. В указанной марке стали содержится 0,15% углерода, 35% хрома, 19% никеля, до 1,5% вольфрама, до 2% кремния. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали (сталь 9ХС, сталь ХВГ). В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1% число не указывается. Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания. Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

4) Быстрорежущие инструментальные стали (сталь Р18).

Р - индекс данной группы сталей. Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента - вольфрама. Здесь - 18%. Если стали содержат легирующий элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

5) Шарикоподшипниковые стали (сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС).

Ш - индекс данной группы сталей, Х - указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях соответственно 0,6% и 1,5%. Также указываются входящие в состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1%.

3. Конструкционные стали

К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин, предъявляют следующие требования:

Сочетание высокой прочности и достаточной вязкости;

Хорошие технологические свойства;

Экономичность;

Недефицитность.

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин. Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести, являющимся основной характеристикой при расчете деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью, сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости. Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости, износу и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали. Высокая конструктивная прочность стали достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества. Решающую роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6%.

Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна. Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств. Металлургическое качество также влияет на конструкционную прочность. Чистая сталь при одних и тех же прочностных свойствах имеет повышенные характеристики надежности. Машиностроительные конструкционные стали предназначены для изготовления различных деталей машин и механизмов. Они классифицируются:

По химическому составу (углеродистые и легированные);

По обработке (цементуемые, улучшаемые);

По назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).

Углеродистые стали различаются по качеству (стали обыкновенного качества и качественные углеродистые стали), содержанию углерода.

Стали обыкновенного качества используют для изготовления горячекатаного рядового проката: балок, швеллеров, уголков, прутков, а также листов, труб и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и другие) и поступают по особым техническим условиям. Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладоломкости понижен закалкой в воде с прокатного нагрева.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования и по химическому составу и структуре.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода менее 0,25%) обладают малой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяются для малонагруженных деталей - шайб, прокладок и т.п. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5 % углерода) применяются после нормализации, термического улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. В отожженном состоянии стали хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость невелика, в связи с чем их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу.

Высокоуглеродистые стали (0,6 - 0,8 % углерода) обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после термической обработки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статистических вибрационных нагрузок. Из этих деталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. Достоинства углеродистых качественных сталей - дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм.

Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, в тяжелом и транспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали широко применяют для тяжелонагруженных металлоконструкций. Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Цена калиброванной и шлифованной стали выше. Наибольшее распространение в строительстве получили низколегированные стали(из-за своей хорошей свариваемости, то есть свойства сварного соединения и участков, прилегающих к нему - зон термического влияния, близки к свойствам основного металла), а в машиностроении - легированные. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные).

Цементуемые стали используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся воздействию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 %. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35%). С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации. Цементуемые углеродистые стали используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки). Твердость на поверхности составляет 60-64 HRC, сердцевина остается мягкой. Цементуемые легированные стали используются для изготовления деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки). Режимы термической обработки и свойства сталей, утвержденные ГОСТ 4543-71, характерны только для образцов (при приемке стали) и не могут быть использованы применительно к изделиям. Свойства стали (детали) определяет конечная термическая и химико-термическая обработка, принятая на конкретном заводе.

Многие детали машин, работающие в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических), такие как коленчатые валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин, изготавливают из среднеуглеродистых сталей и подвергают термическому улучшению. Такие стали хорошо воспринимают ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению. Улучшаемые углеродистые стали дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения, и детали, требующие повышенной прочности. Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях с помощью соответствующей термической обработки, в мартенситно-стареющих сталях и трип- или пнп-сталях. Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают безуглеродистые (менее 0,03%) мартенситно-стареющие стали, упрочняемые закалкой с последующим старением. Мартенситно-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, ракетной технике, судостроении, приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике. Мартенситно-стареющие стали превосходят по конструктивной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением к хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа. Однако эти стали довольно дорогие. Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТРИП-сталями (TRIP от начальных букв - Transformation Induced Plasticity) или ПНП-сталями (пластичность, наведенная превращением). Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости. При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие или легированные высокопрочные стали. Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Пружины, рессоры и другие упругие элементы в работе испытывают многократные переменные нагрузки. Особенностью работы является то, что при значительных статистических и ударных нагрузках детали должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям - обеспечение высоких значений пределов упругости, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений. Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке. Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором. В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности. Кроме пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяют пружинные стали и сплавы специального назначения. Кроме высоких механических свойств и сопротивления релаксации напряжений они должны обладать высокой коррозионной стойкостью, немагнитностью, теплостойкостью и другими особыми свойствами. К этим сталям относятся высоколегированные мартенситные (высокохромистые коррозионно-стойкие стали), мартенситно-стареющие, аустенитные (коррозионно-стойкие, немагнитные, жаропрочные) стали и др.

Шарикоподшипниковые стали подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций. Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома, подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.

Обрабатываемость резанием является одной из важных технологических характеристик стали. Хорошая обрабатываемость резанием повышает производительность труда и сокращает расход инструмента, что имеет особо важное значение для массового производства (авто- и тракторостроения, сельскохозяйственного машиностроения, станкостроения и т.д.).

Поэтому в промышленности широко применяют так называемые автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности. Значительная анизотропия ударной вязкости в сталях повышенной обрабатываемости не позволяет рекомендовать их для деталей, работающих в сложнонапряженном состоянии, а также со значительными концентрациями напряжений.

Коррозией называют разрушение металлов под действие окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействий внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозии. Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550єС), называют окалиностойкой (жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллической и другим видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и внешней агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали, состоящие из основного слоя - низколегированной или углеродистой стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6 мм из коррозионно-стойких сталей или никелевых сплавов.

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-183єС) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специальные криогенные стали и сплавы с пониженным порогом хладоломкости. Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требование высокой коррозионной стойкости. В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладоломкости.

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью. Жаропрочные стали и сплавы применяют для изготовления многих деталей котлов, газовых турбин, реактивных двигателей, ракет и т.д., работающих при высоких температурах. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости (по сравнению со стоимостью других жаропрочных сплавов) широко применяются в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750єС. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность. Жаропрочные стали на основе никеля нередко называют нимониками. Эти сплавы находят широкое применение в различных областях техники (авиационные двигатели, стационарные газовые турбины, химическое аппаратостроение и т.д.). Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 850єС.

4. Инструментальные стали

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), то есть способность сохранять высокую твердость при нагреве.

Все инструментальные стали подразделяют на 3 группы: не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400-500єС (содержащие свыше 0,6-0,7% углерода и 4-18% хрома), и теплостойкие до 550-650єС (высоколегированные стали, содержащие хром, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, ледебуритного класса), последние получили название быстрорежущих. Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью. Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Стали для режущего инструмента после соответствующей термической обработки должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью, так как режущие кромки могут нагреваться до температуры 500-900єС.

Углеродистые инструментальные стали сдержат 0,65-1,35% углерода. Вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Легированные инструментальные стали содержат 0,9-1,4% углерода и подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью. Их используют для инструмента, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250єС. Легированные стали обладают большей прокаливаемостью. Стали повышенной прокаливаемости имеют большую теплостойкость, хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Высокая твердость и износостойкость в основном определяются высоким содержанием углерода. Общее содержание легирующих элементов до 5%. Эти стали используются для изготовления ударного и режущего инструмента.

Быстрорежущие стали получили свое название за свойства. Вследствие высокой теплостойкости, изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания. Стали содержат 0,7-1,5% углерода, до 18% основного легирующего элемента - вольфрама, до 5% хрома и молибдена, до 10% кобальта, который повышает теплостойкость. Основными вилами режущих инструментов из быстрорежущей стали являются резцы, сверла, долбяки, про тяжки, метчики машинные, ножи для резки бумаги. Часто из быстрорежущей стали изготавливают только рабочую часть инструмента.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью и износоустойчивостью, сохранять постоянство размеров в течение длительного времени и хорошо шлифоваться. Постоянство размеров обеспечивается минимальным температурным коэффициентом линейного расширения и сведением к минимуму структурных превращений во времени. Для изготовления измерительных инструментов применяются: высокоуглеродистые инструментальные стали, легированные и углеродистые после соответствующей температурной обработки; малоуглеродистые стали после цементации; нитралои после азотирования на высокую твердость.

Инструмент, применяемый для обработки металлов давлением (штампы, пуансоны, матрицы), изготавливают из штамповых сталей. Различают стали для штампов холодного и горячего деформирования.

Штампы для холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия (пластической деформации) и износа. Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующих металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200-350єС, поэтому стали этого класса должны быть и теплостойкими. Для штампов небольших размеров (до 25 мм) используют углеродистые инструментальные стали, для более крупных изделий применяют легированные стали, которое обладают лучшей прокаливаемостью. Если штамповый инструмент испытывает ударные нагрузки, то используют стали, обладающие большей вязкостью. Это достигается снижением содержания углерода, введением легирующих элементов и соответствующей термической обработкой. Довольно часто для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя (разрушаются) вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому стали, применяемые для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью и разгаростойкостью, то есть способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того стали должны иметь высокую прокаливаемость для обеспечения высокой прочности по всему сечению инструмента и теплопроводность для лучшего отвода теплоты от рабочих поверхностей штампа. Для изготовления молотовых штампов применяют хромоникелевые среднеуглеродистые стали.

Штампы горячего прессования работают в более тяжелых условиях, где разогрев поверхности при деформировании до 600-700єС.Для их изготовления применяются стали повышенной теплостойкости. В качестве материалов для инструментов используются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготавливаются методами порошковой металлургии.

5. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами подразделяются на следующие группы:

v Магнитные стали и сплавы:

Ш Магнитно-твердые стали и сплавы применяют для изготовления постоянных магнитов. Для этого применяют высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 1%, легированные хромом или хромом и кобальтом.

Ш Магнитно-мягкие стали (электротехническая сталь) применяют для изготовления магнитопроводов постоянного и переменного тока. Они предназначены для изготовления якорей и полюсов машин постоянного тока, роторов и статоров асинхронных двигателей, для магнитных цепей крупных электрических машин, силовых трансформаторов, аппаратов, приборов и т.д. В качестве магнитно-мягкого материала широко применяют низкоуглеродистые железокремнистые сплавы (0,05-0,005% углерода, 0,8-4,8% кремния)

Ш Парамагнитные стали (немагнитные) применяются в электротехнике, приборостроении, судостроении и специальных областях техники. Недостатком этих сталей является низкий предел текучести, что затрудняет их использование для высоконагруженных деталей машин.

v Металлические стекла (аморфные сплавы) - область применения примерно та же что и у магнитно-мягких сталей.

v Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением для нагревательных элементов.

v Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения - широко применяют в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплавы железо-никель (инвары).

v Сплавы с эффектом «памяти формы». При напряжении выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно открыты сплавы, обладающие эффектом «памяти формы». Эти сплавы после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект «памяти формы»), или непосредственно после снятия нагрузки (сверхупругость). Наиболее распространенным железосодержащим сплавами являются железоникелевые сплавы.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим и изгибающим нагрузкам. В станкостроении - это базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.

Высокопрочные чугуны получают из серых в результате модифицирования магнием или церием. По сравнению с серыми чугунами механические свойства повышаются. Из высокопрочного чугуна изготавливают тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станков, изложницы, резцедержатели, планшайбы.

Ковкий чугун получают отжигом белого чугуна. По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига. Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью и достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.

Отбеленные чугуны - отливки, поверхность которых состоит из белого чугуна, а внутри серый или высокопрочный чугун. Они имеют высокую поверхностную твердость и очень высокую износостойкость. Используются для изготовления прокатных валов, вагонных колес с отбеленным ободом, шаров для шаровых мельниц.

Для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, используются белые чугуны, легированные хромом, хромом и марганцем, хромом и никелем. Отливки из такого чугуна отличаются высокой твердостью и износостойкостью.

Заключение

Мы рассмотрели основные особенности и характеристики, пожалуй, самого употребляемого на настоящий момент промышленностью материала. С давних времен люди использовали железо и его сплавы для создания орудий труда, украшений, оружия, предметов быта. На сегодняшний день в промышленности используется более 10 000 сплавов на основе железа. Ни один металл не способен к таким превращениям, как железо, и только железо широко применяет свои свойства при легировании и термической обработке. Диапазон свойств его сплавов необычайно велик: от мягкого как свинец чистого железа до твердой как алмаз инструментальной стали, от динамного и трансформаторного листа с особыми магнитными свойствами до немагнитных сплавов железа, от износостойких специальных сталей до коррозионностойких и нержавеющих. Легированием и термической обработкой с использованием давления и излучения удается получать железные материалы с невероятными свойствами. И это отнюдь не конец, а лишь начала грандиозного пути развития металлургии железа. Ученые постоянно заняты получением новых данных, способствующих совершенствованию и созданию новых способов получения и обработки материалов на основе железа.

Список литературы

1. Беккерт М. Железо. Факты и легенды. Пер.с нем.Г.Г.Кефера. М.: Металлургия, 1984. 232 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник. 6-е изд., ООО «Издательство Альянс», 2011. 528 с.

3. Чечета И.А. Технологические процессы в машиностроении. Исходные параметры и определения: учебное пособие / И.А.Чечета. - Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2012. 200 с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Классификация, маркировка и области применения сталей. Сплавы с особыми физическими свойствами: прецизионные, магнитные, аустенитные. Химический состав электротехнических сталей. Натуральный и синтетический каучуки. Свойства резин специального назначения.

контрольная работа , добавлен 10.01.2013


Сущность пластической деформации металлов и влияние на неё химического состава, структуры, температуры нагрева, скорости и степени деформации. Определение легированных сталей, их состав. Литейные сплавы на основе алюминия: их маркировка и свойства.

контрольная работа , добавлен 19.11.2010


Эксплуатационные свойства металлов. Классификация металлических материалов. Черные и цветные металлы, их сплавы. Стали для режущих и измерительных инструментов. Стали и сплавы со специальными свойствами. Сплавы алюминия и меди. Сплавы с "эффектом памяти".

курсовая работа , добавлен 19.03.2013


Обзор состава простых конструкционных сталей. Получение чугуна и легированных сталей. Характерные особенности медно-никелевых сплавов. Применение алюминиевых бронз, нейзильбера, мельхиора в народном хозяйстве. Механические свойства сплавов меди с цинком.

презентация , добавлен 06.04.2014


Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.

реферат , добавлен 19.11.2007


Классификация сталей. Стали с особыми химическими свойствами. Маркировка сталей и области применения. Мартенситные и мартенсито-ферритные стали. Полимерные материалы на основе термопластичных матриц, их свойства. Примеры материалов. Особенности строения.

контрольная работа , добавлен 24.07.2012


Классификация углеродистых сталей по назначению и качеству. Направления исследования превращения в сплавах системы железо–цементит и сталей различного состава в равновесном состоянии. Определение содержания углерода в исследуемых сталях и их марки.

лабораторная работа , добавлен 17.11.2013


Формирование структуры и методы исследования свойств металлов; диаграмма состояния "железо-цементит". Железоуглеродистые сплавы; термическая обработка металлов и сплавов. Сплавы, применяемые в промышленности; выбор сплава на основе цветного металла.

контрольная работа , добавлен 13.01.2010


Назначение и особенности эксплуатации инструментальных сталей и сплавов, меры по обеспечению их износостойкости. Требования к сталям для измерительного инструмента. Свойства углеродистых и штамповых сталей для деформирования в различных состояниях.

контрольная работа , добавлен 20.08.2009


Механические свойства сталей. Основные механические свойства, определяемые для низкоуглеродистых сталей. Статические и динамические нагрузки. Влияние азота, кислорода и водорода. Легирующие элементы и примеси. Машиностроительные стали и сплавы.

Строго говоря, единственным представителем собственно черных металлов является железо, однако к этому классу металлов относят и так называемые железные сплавы: чугун, сталь, ферросплавы.

Железо – пластичный блестящий металл серо-белого цвета, способный растворять углерод и другие элементы, что создает условия для получения сплавов на его основе. Железо легко куется в холодном и нагретом состоянии, поддается различным способам механической обработки (прокатке, штамповке, резанию и др.). Это наиболее доступный и дешевый металл.

В твердом состоянии оно имеет несколько кристаллических модификаций, которые могут переходить одна в другую при нагревании или охлаждении. Изменившееся строение кристаллической решетки, приобретенное металлом при более низкой температуре, принято обозначать буквой α (α -железо), при более высокой – буквой β (β -железо), при дальнейшем повышении температуры – буквой γ (γ -железо). Так, при нагревании свыше 723 °C α -железо переходит в γ -железо. Это наиболее важное превращение широко используют в термообработке. Оно сопровождается перестройкой решетки с распадом существующих кристаллов и образованием новых. При этом резко увеличивается способность железа растворять углерод и улучшаются механические свойства его сплавов.

Железо образует сплавы со многими металлами и неметаллами. Наиболее разнообразные свойства имеют железоуглеродистые сплавы, что связано с их структурой. К структурным составляющим железоуглеродистых сплавов относятся: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

Феррит

Феррит – твердый раствор углерода (до 0,02 %) в a-железе. Поскольку α -железо растворяет углерод при комнатной температуре лишь в тысячных долях процента, то свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он имеет небольшую прочность и твердость, но очень пластичен. Эта структура преобладает у тонколистовой и низкоуглеродистой стали.

Аустенит

Аустенит – твердый раствор углерода (до 2 %) и легирующих элементов в α -железе. Твердость его в 2-2,5 раза больше, чем у феррита, при высокой пластичности. Такую структуру получают при термической и химико-термической обработке.

Цементит

Цементит – химическое соединение железа с углеродом (6,67 %), очень хрупкое, приближающееся по твердости к алмазу.

Перлит

Перлит – механическая смесь феррита с цементитом, образуемая при распаде аустенита, с содержанием 0,8 % углерода. Наиболее распространенная структурная составляющая сталей и чугунов.

Ледебурит

Ледебурит – одна из основных структурных составляющих железоуглеродистых сплавов. В момент образования состоит из цементита и аустенита, а после охлаждения – из цементита и перлита. Содержит 4,3 % углерода, отличается высокой твердостью и хрупкостью.

Чугун

Чугун – сплав железа с углеродом (2 – 4,3%), содержащий постоянные примеси кремния (до 4,5%), марганца (1,5%), фосфора (до 1,5%) и серы (0,08%), а в ряде случаев и легирующие элементы (обычно металлы, например никель, хром, медь, алюминий), включаемые в сплавы для придания последним требуемых свойств.

Различают чугун передельный (как правило, белый), используемый для передела в сталь, и литейный (серый), служащий для получения отливок. Доля передельного чугуна в общем объеме выплавляемых чугунов составляет около 80 %.

Для улучшения свойств серый чугун модифицируют или легируют. Разновидностью легированных чугунов являются специальные чугуны, к которым относятся антифрикционные, жаростойкие, износостойкие и др. Более высокими механическими свойствами и меньшей по сравнению с серым чугуном хрупкостью обладает ковкий чугун, занимающий промежуточное положение между чугуном и сталью.

Как уже говорилось, сплавы железа с углеродом делятся на стали и чугуны. Стали, в свою очередь, подразделяются на группы по своему химическому составу и по назначению, а чугуны - по тому, в каком состоянии находятся в них углерод.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, причем содержание последнего не превышает . Однако в углеродистой стали промышленного производства всегда имеются примеси многих элементов. Присутствие одних примесей обусловлено особенностями производства стали: например, при раскислении (см. стр. 661) в сталь вводят небольшие количества марганца или кремния, которые частично переходят в шлак в виде оксидов, а частично остаются в стали. Присутствие других примесей обусловлено тем, что они содержатся в исходной руде и в малых количествах переходят в чугун, а затем и в сталь. Полностью избавиться от них трудно. Вследствие этого, например, углеродистые стали обычно содержат фосфора и серы.

Механические свойства медленно охлажденной углеродистой стали сильно зависят от содержания в ней углерода. Медленно охлажденная сталь состоит из феррита и цементита, причем количество цементита пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита намного выше твердости феррита. Поэтому при увеличении содержания углерода в стали ее твердость повышается. Кроме того, частицы цементита затрудняют движение дислокаций в основной фазе - в феррите. По этой причине увеличение количества углерода снижает пластичность стали.

Углеродистая сталь имеет очень широкое применение. В зависимости от назначения применяется сталь с малым или с более высоким содержанием углерода, без термической обработки (в «сыром» виде - после проката) или с закалкой и отпуском.

Легированные стали. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной сталью. К важнейшим легирующим элементам относятся хром, никель, марганец, кремний, ванадий, молибден.

Различные легирующие элементы по-разному изменяют структуру и свойства стали. Так, некоторые элементы образуют твердые растворы в -железе, устойчивые в широкой области температур. Например, твердые растворы марганца или никеля в -железе при значительном содержании этих элементов стабильны от комнатной температуры до температуры плавления. Сплавы железа с подобными металлами называются поэтому аустенитными сталями или аустенитными сплавами.

Влияние легирующих элементов на свойства стали обусловлено также тем, что некоторые из них образуют с углеродом карбиды, которые могут быть простыми, например , а также сложными (двойными), например . Присутствие карбидов, особенно в виде дисперсных включений в структуре стали, в ряде случаев оказывает сильное влияние на ее механические и физико-химические свойства.

По своему назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машии, конструкций и сооружений. В качестве конструкционных могут использоваться как углеродистые, так и легированные стали. Конструкционные стали обладают высокой прочностью и пластичностью. В то же время должны хорошо поддаваться обработке давлением, резаиием, хорошо свариваться. Основные легирующие элементы конструкционных сталей - это хром (около ), никель и марганец .

Инструментальные стали - это углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущих и измерительных инструментов, штампов. Необходимую твердость обеспечивает содержащийся в этих сталях углерод (в количестве от 0,8 до ). Основной легирующий элемент инструментальных сталей - хром; иногда в вводят также вольфрам и ванадий. Особую группу инструментальных сталей составляет быстрорежущая сталь, сохраняющая режущие свойства больших скоростях резания, когда температура рабочей части резца повышается до .

Основные легирующие элементы этой стали - хром и вольфрам.

Стали с особыми свойствами. К этой группе относятся нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и некоторые другие стали. Нержавеющие стали устойчивы против коррозии в атмосфере, влаге и в растворах кислот, жаростойкие - в коррозионно-активных средах при высоких температурах. Жаропрочные стали сохраняют высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, что важно при изготовлении лопаток газовых турбин, детален реактивных двигателей на ракетных установок. Важнейшие легирующие элементы жаропрочных сталей - это хром , никель , вольфрам. Жаропрочные стали принадлежат к аустеннтным сплавам.

Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготовляют из низкоуглеродистых (менее С) сплавов железа с кремнием. Эти стали легко перемагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь.

Для обозначения марок легированных сталей используется буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н - никель, X - хром, Г - марганец и др. Первые цифры в обозначении показывают содержание углерода в стали (в сотых долях процента). Цифра, идущая после буквы, указывает содержание данного элемента (при его содержании около или менее цифра не ставится). Например, сталь состава углерода и марганца обозначается . Марка обозначает сталь, содержащую хрома и никеля. Кроме этой системы иногда применяют и нестандартные обозначения.

Чугун отличается от стали своими свойствами. Он в очень малой степени способен к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке), но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали.

Как уже говорилось (см. 657), при кристаллизации жидкого чугуна, а также при распаде аустенита содержащийся в этих фазах углерод обычно выделяется в виде цементита. Одиако в рассматриваемых условиях цементит термодинамически неустойчив. Его образование обусловлено только тем, что зародыши его кристаллизации образуются гораздо легче и требуют меньших диффузионных изменений, чем зародыши графита. Поэтому в условиях очей, медленного охлаждения жидкого чугуна углерод может кристаллизоваться не в виде цементита, а в виде графита. Образование графита сильно облегчается также в присутствии мелких частиц примесей (особенно примесей графита) в расплавленном чугуне.

Таким образом, в зависимости от условий кристаллизации, чугун может содержать углерод в виде цементита, графита или в виде их смеси. Форма образующегося графита также может быть различной.

Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита. Он обладает высокой твердостью, хрупок и поэтому имеет ограниченное применение. В основном он выплавляется для передела в сталь.

В сером чугуне углерод содержится главным образом в виде пластинок графита. Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Кроме углерода, серый чугун всегда содержит другие элементы.

Важнейшие из них - это кремний и марганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах , кремния и марганца до .

Высокопрочный чугун получают присадкой к жидкому чугуну некоторых элементов, в частности магния, под влиянием которого графит при кристаллизации принимает форму. Сферический графит улучшает механические свойства чугуна. Из высокопрочного чугуна нзотовляют коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станов, прокатные валки, насосы, вентили.

Ковкий чугун получают длительным нагреванием отливок из белого чугуна. Его применяют для изготовления детален, работающих ударных и вибрационных нагрузках (например, картеры, задний мост автомобиля). Пластичность и прочность ковкого чугуна обусловлены тем, что углерод находится в нем в форме хлопьевидного графита.

Железо и его сплавы. Железо - один из наиболее распространенных в природе металлических элементов.

Технически чистое железо - серебристо-белый тугоплавкий пластичный металл с довольно высокими прочностью и твердостью. Однако из-за высокой стоимости очистки металла от примесей применение железа в производстве товаров народного потребления ограничено. Используют, главным образом, железоуглеродистые сплавы стали и чугуны. Стали содержат углерода не более 2,14 %, а чугуны свыше 2,14 %. Стали по химическому составу подразделяют на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали, кроме углерода, содержат в небольших количествах только неизбежные примеси кремний, марганец, серу и фосфор. В легированные стали входят, кроме того, добавки цветных металлов хрома, никеля, молибдена, ванадия, вольфрама и др. Химический состав существенно влияет на свойства стали и ее применение в производстве товаров народного потребления. Так, по мере увеличения концентрации углерода возрастают твердость и хрупкость стали.

Поэтому практическое использование находят только стали, содержащие не более 1,3% углерода, так как при большем количестве его хрупкость металла возрастает настолько, что снижается надежность изделий в эксплуатации. Кремний - повышает твердость и улучшает упругие свойства металла. Из стали, содержащей до 2 % кремния, изготовляют пружины и рессоры. Марганец - увеличивает твердость и прочность стали, ее износостойкость. Поэтому из марганцевой стали изготовляют пилы особо высокого качества, хорошо сопротивляющиеся истиранию.

Сера и фосфор - вредные примеси. Сера вызывает красноломкость (растрескивание металла при механической обработке в горячем состоянии), ухудшает пластичность, снижает коррозионную стойкость стали. Фосфор обусловливает хладноломкость стали, т. е. растрескивание при механическом воздействии в условиях пониженной температуры. Хром - увеличивает твердость и износостойкость стали. При содержании хрома более 13 % сталь приобретает стойкость к коррозии. Из такой, сравнительно недорогой, нержавеющей стали изготовляют ножи и столовые приборы.

Никель - упрочняет сталь, повышает ее ударную вязкость и снижает хладноломкость. При совместном введении значительного количества хрома и никеля сталь приобретает жаропрочность и высокую коррозионную стойкость в кислой среде. Поэтому хромоникелевые стали применяют для изготовления посуды и столовых приборов. Молибден, ванадий и вольфрам - придают стали высокую твердость и красностойкость, т. е. способность сохранять твердость при нагреве докрасна.

Эти так называемые быстрорежущие стали используют для изготовления металлорежущих инструментов и резцов. Углеродистые стали, в зависимости от содержания углерода, подразделяют на конструкционные (углерода не более 0,75 %) и инструментальные (углерода 0,7-1,3 %). Конструкционные стали используют для изготовления посуды, приборов для окон и дверей, крепежных изделий, нагревательных и осветительных приборов и т. д. Инструментальные стали находят применение в производстве инструментов, ножей, ножниц и др. В зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора), различают углеродистые стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Для стали обыкновенного качества содержание вредных компонентов либо совсем не ограничивается (группа А), либо концентрация каждого из них должна быть не более 0,07 % (группы Б и В). В качественных сталях содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 %. Особенно сильно ограничено содержание серы (не более 0,02 %) и фосфора (не более 0,03 %) в сталях высококачественных, из которых изготовляют детали, подвергаемые термической обработке.

Очень вредное влияние на свойства стали оказывает кислород, он вызывает красноломкость, снижает пластичность и вязкость металла. Поэтому в процессе получения сталь раскисляют добавками марганца, кремния, алюминия. По степени раскисления различают сталь спокойную (сп), полуспокойную (пс) и кипящую (кп). Спокойная сталь раскислена полностью, полуспокойная несколько меньше, а кипящая не полностью, и при разливке из нее выделяется окись углерода (сталь «кипит»). Спокойная сталь - плотная, однородная по составу, отличается высокими механическими свойствами.

Полуспокойная сталь по строению и свойствам занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью. В кипящей стали много мелких раковин, что снижает её прочностные показатели, зато выше выход металла, который дешевле; мелкие раковины при прокатке завариваются. Кроме того, кипящая сталь отличается высокой пластичностью, так как содержит минимальное количество кремния и марганца (кипящую сталь раскисляют только алюминием). Поэтому, для изготовления изделий из листовой стали методом холодной штамповки (стальная посуда, корпуса бытовой газовой аппаратуры, керосинок, керогазов, холодильников и др.), предпочтительнее кипящая сталь, а для изготовления деталей, подвергающихся при эксплуатации значительным нагрузкам (инструменты, ножи, детали бытовых машин и т. д.), применяют спокойную или полуспокойную сталь.

Свойства материала существенно влияют на качество и цену изделий, поэтому в стандартах на металлохозяйственные товары указываются рекомендуемые для их производства марки металла.

В маркировке стали отражаются основные признаки ее классификации, определяющие свойства металла. В маркировке конструкционных сталей обыкновенного качества буквами Б или В (группа А в обозначении марки не указывается) указывают группы. Буквы Ст. в марке означают «сталь», цифры от 0 до 6 - условный номер марки, которому соответствуют либо определенные механические свойства (группа А), либо химический состав (группа Б), либо то и другое (группа В). Для обозначения степени раскисления в марке стали, после номера добавляют индексы сп, пс, кп. Если индекса нет, то сталь данной марки выпускается только спокойной. Качественные конструкционные стали маркируют двузначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К марке кипящей стали добавляют индекс кп (08 кп). При повышенном содержании марганца (0,71 %) в конце марки ставят букву Г (65Г). Инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У и числом (от 7 до 13), показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента. В марке высококачественных сталей должна быть буква А (У7А, УЯА и т. Л.) Легированные стали подразделяют по назначению на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяют для изготовления ответственных деталей машин, когда требуется сочетание высокой прочности, твердости и износостойкости с пластичностью и вязкостью.

Из легированных инструментальных сталей изготовляют такие металлообрабатывающие инструменты, как сверла, ножовочные полотна, напильники, метчики, плашки. К сталям с особыми свойствами относят коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаропрочные, износостойкие и т.п. Для товаров народного потребления (посуды, ножей, столовых приборов, лезвий для безопасных бритв и т. д.) используют, главным образом, нержавеющие стали.

Для маркировки легированных сталей применяют буквенно-цифровой шифр. В начале марки помещают число, обозначающее среднее содержание углерода в десятых долях процента (однозначное число) или сотых долях процента (двузначное число). Если перед маркой число не стоит, то это означает, что сталь содержит углерода 1 % или более. Вид легирующих компонентов обозначают буквой: Х-хром, Н-никель, Т-титан, Ф- ванадий, М-молибден, В-вольфрам, Г-марганец, С-кремний и т. д. После каждой буквы указывают содержание в процентах соответствующего элемента.

Если содержание какого-либо легирующего элемента менее 11,5%, число не проставляют. В конце марки высококачественной стали ставят букву А. Это означает, что в составе стали вредных примесей (серы и фосфора) не более чем по 0,03 %. В марке стали качественной, содержащей несколько больше серы и фосфора, нет буквы А. Расшифруем марки легированных сталей, наиболее часто используемых в производстве товаров. 12Х13, 20Х13, ЗОХ13, 40Х13 - качественные хромистые коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали, содержащие соответственно 0,12; 0,2; 0,3; 0,4 % углерода и 12-14 % хрома. 12Х18Н9, 17Х18Н9 - качественные хромоникелевые стали, содержащие 0,12; 0,17 % углерода, 17-18% хрома и 8-10 % никеля. 9ХС - качественная инструментальная хромо-кремниевая сталь с содержанием в среднем 0,9 % углерода, около 1 % хрома и 1 % кремния.

Некоторым многокомпонентным сталям присвоены марки, которые представляют собой условное обозначение.

Например, марки быстрорежущих инструментальных сталей состоят из буквы Р и числа, указывающего примерное содержание основного легирующего компонента вольфрама (Р9, Р18). Чугун – сплав железа с углеродом (содержание больше 2,14%) и другими элементами. Вырабатывают чугун выплавкой из железных руд в доменных печах. Чугуны по назначению подразделяют на передельные, литейные, высокопрочные, ковкие, легированные. Для изготовления товаров народного потребления используют главным образом серый литейный чугун.

Изделия из чугуна дешевле аналогичных изделий из стали или цветных металлов. Однако чугун хрупкий, что необходимо иметь в виду при хранении, транспортировании и эксплуатации чугунных изделий. Маркировка серого литейного чугуна состоит из букв и чисел: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 38-60. Буквы обозначают «серый чугун», первое число - предел прочности при растяжении, а второе - при изгибе в кгс/мм. Механические свойства чугуна марки СЧ 00 стандартом не нормируются.

Из серого чугуна изготовляют посуду, замки, мясорубки, печные приборы, радиаторы центрального отопления и т. д. 1.4.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Металлохозяйственные товары

По назначению выделяют следующие группы металлотоваров: металлическая посуда; ножевые изделия; столовые приборы и принадлежности; приборы.. Доля металлохозяйственных товаров в розничном товарообороте составляет.. В развитии ассортимента металлохозяйственных товаров можно выделить следующие основные направления: увеличение доли..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях: