Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (рис. 16) описывает равновесное состояние сплава «железо - углерод» в зависимости от содержа­ния углерода и температуры. По ней судят о структуре медленно охлажденных сплавов, а также о возможности изменения их микроструктуры в результате термической обработки, определяющей эксплуатационные свойства сплавов.

На диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов, на оси орди­нат отложена температура, на оси абсцисс - содержание в сплавах углеро­да до 6,67 %, т. е. до такого количества, при котором образуется химиче­ское соединение Ре₃С – цементит

Рассматриваемую диаграмму правильнее считать не диаграммой же­лезоуглеродистых сплавов, а железоцементитных, так как свободного углерода в них не содержится. Но так как содержание углерода пропорцио­нально содержанию цементита, то практически удобнее все изменения структуры сплавов связывать с различным содержанием углерода.

Все линии на диаграмме соответствуют критическим точкам, т. е. тем температурам, при которых происходят структурные изменения в сплавах.

Точка А (1539 °С) соответствует температуре плавления чистого железа, точка D (1250 °С) - температуре плавления цементита Ее₃С. Точки N (1392 °С) и G (910 °С) соответствует полиморфному превращению а - Ре —> у - Fе. Точка Е характеризует предельную растворимость углерода (2,14 %) в у - Бе. Верхний левый угол диаграммы характеризует аллотропиче­ское превращение а(5) <-> у-Бе при высоких температурах. В интервале температур 1392-1539 °С а - Бе нередко обозначается как 8 - Бе.

Линия АС D - линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия АЕСF- линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса). Область АЕSG на диаграмме соответствует аустениту. Линия - начало выделения феррита, а линия SЕ - вторичного цементита. Линия РSК соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии РSК никаких изменений структуры не происходит. Линии GSК и РSК имеют большое значение при термической обработке стали. Линию йБК называют линией верхних критических точек.

По мере охлаждения сплав «железо - углерод» проходит фазы жид­кости и твердого тела.

Основными структурными составляющими железоуглеродистых спла­вов являются:

• феррит;

• аустенит;

• цементит;

• перлит;

• ледебурит;

• графит.

Феррит и аустенит являются твердыми растворами, цементит - хи­мическое соединение (Ре₃С), перлит и ледебурит - механические смеси, графит - разновидность углерода.

Феррит - твердый раствор углерода в а - Ре (рис. 17). Атомы углерода располагаются в центре граней куба, в вакансиях, на дислокациях. Предельная растворимость углерода в феррите при 20 °С я 0,006 %, при 727 °С = 0,02 %, в интервале 1392-1539 °С = 0,1 %. В смеси с другими фазами феррит устойчив ниже линии С?Ж на диаграмме (рис. 16), в доэвтектоидных сталях, серых и ковких чугунах. Чистый феррит пластичен, имеет небольшую прочность и твердость, магнитен. Его характеристики: с_в = 250МПа, а₀₂ = 120МПа,

5 = 50%, у = 80%,НВ-800-900МПа.

Аустенит - твердый раствор углерода в у - Ре. Предельная раство­римость углерода в аустените - 2,14 % при 1147 °С. Атомы углерода рас­полагаются в центре элементарной ячейки и дефектных областях кристал­ла. Повышенная растворимость углерода в аустените обусловлена большим объемом и числом пор в кристаллической решетке у - Fe. Аустенит устойчив в железоуглеродистых сплавах при t > 727 °С. Прочность и твер­дость аустенита в 2,5-3 раза больше феррита при тех же пластичности и пределе текучести; он легко наклёпывается, имеет большой температур­ный коэффициент теплового расширения.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом - карбид железа (Fe₃C), содержащий 6,67 % С, имеет сложную ромбическую ре­шетку с плотной упаковкой атомов. Цементит является метастабильной фазой, претерпевающей изменения при легировании и термической обра­ботке сплавов. Различают первичный цементит, выделяющийся при кри­сталлизации из жидкого расплава, и вторичный и третичный цементиты, выделяющиеся при распаде аустенита и феррита. Твердость цементита НВ-8000 МПа, он хрупок.

Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита; образуется в процессе распада аустенита при 727 °С и содержании углерода 0,83 %. Примеси Si и Мл способствуют образованию перлита и при меньшем со­держании углерода. Структура перлита может быть пластинчатой и глобу­лярной (зернистой). Механические свойства перлита зависят от формы и дисперсности частичек цементита. Прочность пластинчатого перлита не­сколько выше, чем зернистого.

Ледебурит - эвтектическая смесь аустенита и цементита, образую­щаяся при 1147 °С и содержании углерода 4,3 %. Структура неустойчивая: при охлаждении аустенит, входящий в состав ледебурита, распадается на вторичный цементит и перлит. Ледебурит очень тверд (НВ = 700), хрупок.

Графит - мягкий и хрупкий компонент чугуна, состоящий из разно­видностей углерода. Встречается в серых и ковких чугунах.

В зависимости от содержания углерода сплавы железа с углеродом подразделяют на стали (С < 2,14 %) и чугуны (от 2,14 до 6,67 % С).

Стали подразделяют в свою очередь:

• на технически чистое железо (С ^ 0,02 % );

• доэвтектоидные стали (С<0,83%);

• эвтектоидные стали (С = 0,83 %);

• заэвтектоидные стали (0,83.. .2,14 % С).

Структура доэвтектоидных сталей состоит их феррита и перлита, эв- тектоидной стали - из одного перлита, а заэвтектоидных сталей - из перлита и цементита, который выделяется по границам зерен перлита, уменьшая од­нородность структуры, характерную для эвтектоидной стали (рис. 18).

При нормальных температурах в обычных углеродистых сталях ау­стенит не сохраняется. Он существует лишь при температурах выше 727 °С, распадаясь при охлаждении на эвтектоидную смесь феррита и це­ментита, называемую перлитом. Однако аустенит, обладая высокой пла­стичностью и вязкостью, играет очень важную роль в технологии стали обусловливая возможность термической и механической обработки давле­нием (прокат, ковка, штамповка).

При введении большого количества (более 10 %) некоторых леги­рующих добавок (марганца, хрома, никеля и др.) аустенит может содер­жаться в структуре стали и при обычных температурах (например, в высо­комарганцовистой стали, используемой для устройства крестовин желез­нодорожных стрелочных переводов).

Рис. 18. Структура сталей: а) сталь с 0,15 % С: зерна феррита (светлые) и участки перлита (темные); б) сталь с 0,8 % С (пластинчатый перлит); в) сталь с 0,85 % С (пластины мартенсита и остаточный аустенит); г) сталь с 0,91 % С (сфероидизированный цементит в феррите); д) сталь с 1,18 % С: сетка и пластины цементита (светлые) в перлите

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 2,14 % до 6,67 % называются чугунами.

Чугуны делятся на три группы: доэвтектические (С = 2,14-4,3 %), эвтек­тический (С = 4,3 %) и заэвтектические (С > 4,3 %). Структура доэвтектиче- ских чугунов: прелит + цементит (П) + ледебурит; эвтектических: ледебурит (II) и заэвтектических: ледебурит (II) + цементит (I). Чугуны, в которых весь углерод связан и находится в форме цементита, называют белыми (рис. 19).

Рис. 19. Структура белого чугуна: а) белый доэвтектический чугун (дендриты первичного аустенита и ледебурит); б) доэвтектический чугун (эвтектический монолитный цементит и перлит); в) белый заэвтектический чугун (пластины первичного цементита и ледебурит)

На диаграмме железоуглеродистых сплавов (рис. 16) показаны белые чугуны, применяющиеся, как правило, не для изготовления чугунных из­делий, а для получения стали. При медленном охлаждении и большом со­держании кремния цементит распадается с выделением свободного угле­рода в виде графита; образуются серые чугуны, используемые для получе­ния отливок, в том числе и для строительных деталей (опорных частей мостов, труб, тюбингов и т. д.).

С увеличением содержания углерода в железоуглеродистых сплавах ме­няется структура, увеличивается содержание цементита и уменьшается коли­чество феррита. Чем больше углерода в сплавах, тем выше их твердость и прочность, но ниже их пластические свойства. Механические свойства спла­вов зависят также от формы и размера частиц структурных составляющих. Твердость и прочность стали тем выше, чем тоньше и мельче частицы феррита и цементита.

3.4. Углеродистые стали

3.4.1. Классификация углеродистых сталей

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем изго­тавливают приблизительно 85 % углеродистой стали и 15 % легированной.

Углеродистые стали принято классифицировать по следующим при­знакам: технологии изготовления, степени раскисления, назначению, каче­ству, содержанию углерода и структуре в равновесном состоянии.

По технологии изготовления углеродистые стали делятся на марте­новские, выплавляемые в мартеновских печах, и конвертерные, выплав­ляемые в конвертерных - кислых (бессемеровская) или основных (тома- совская) установках.

Лучших результатов при конвертерной выплавке стали достигают, если для продувки жидкой шихты применяют чистый кислород, а не воздух. Такая сталь называется конвертерно-кислородной. По качеству она может быть рав­ноценна мартеновской. Бессемеровская сталь имеет много вредных примесей и допускается только для изготовления нерассчитываемых элементов метал­лических клепаных конструкций, работающих при статических нагрузках.

По степени раскисления стали делят на спокойные (сп), полуспокой­ные (пс) и кипящие (кп).

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, цель которого - предотвращение хрупкого разрушения стали при горячей де­формации.

Спокойные стали получают путем введения в печь незадолго до раз­ливки дополнительного активного раскислителя (например, ферросилиция, ферротитана), а при разливке - алюминия.

Кипящие стали получают при неполном раскислении (только марган­цем), в результате чего, после разливки стали в изложницы, оставшаяся закись железа продолжает реагировать с углеродом (образующиеся при этом газы - окись углерода - выходят на поверхность в виде пузырьков, что напоминает кипение воды).

Полуспокойную сталь получают при введении меньшего количества раскислителей, и потому она является промежуточной между спокойной и ки­пящей.

Кипящие стали самые дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния < 0,07 %), но с повышенным количеством газовых примесей. Последние способствуют возникновению в кипящей стали ряда недостатков по сравнению с полуспокойной и тем более спо­койной сталью. В кипящей стали при сварке могут образоваться внутрен­ние горячие трещины, особенно в стыковых швах.

В кипящей стали происходит неравномерное распределение (ликва­ция) углерода, серы и фосфора, что создает в прокатной стали ликвацион- ные включения (сульфидные строчки), обусловливающие красноломкость, т. е. снижение прочности и хрупкость при температурах 250-300 °С.

В спокойной стали этого явления не наблюдается. Кипящая сталь более чувствительна к концентрации местных напряжений, способствую­щих возникновению хрупких трещин.

Вследствие этих недостатков кипящую сталь можно применять толь­ко в конструкциях, не имеющих сварных соединений и работающих под действием статических нагрузок при положительных или небольших отри­цательных температурах.

По назначению стали делятся на конструкционные и инструменталь­ные. В свою очередь, конструкционные стали могут быть строительными, машиностроительными, специальными, например рельсовая сталь, и др.

По качеству углеродистые стали подразделяют:

• на стали обыкновенного качества с содержанием серы до 0,06 % и фосфора до 0,07 %;

• качественные (не более 0,04 % серы и 0,035 % фосфора);

• высококачественные (не более 0,025 % серы и 0,025 % фосфора).

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до

0,5 % С), а качественные и высококачественные могут быть и легированными.

Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зави­симости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показы­вающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с по­вышением номера содержание углерода в стали увеличивается.

Сталь группы А поставляется с гарантированными механическими свойствами, но без указания химического состава (табл. 1).

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим соста­вом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы при­меняют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (например, ковки), при которой исходная структура и механические свой­ства не сохраняются. В то же время для определения режима горячей об­работки стали важны сведения о ее химическом составе.

Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свой­ствами и химическим составом. Эти стали используют для ответственных

сварных деталей и конструкций. Механические свойства на растяжение для каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок группы А, а химический состав — нормам тех же номеров марок группы Б.

При обозначении марок стали могут быть указаны также метод про­изводства (М - мартеновский, Б - бессемеровский, К - кислородно- конвертерный); дополнительные индексы (сп - спокойная сталь, пс - полу­спокойная сталь, кп - кипящая сталь). В группе А индекс М часто опуска­ется, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии индексов сп, пс, кп имеется в виду сталь спокойная.

Качественные углеродистые стали выпускают с нормальным (1-я группа) и повышенным содержанием марганца (0,7-1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г...70Г.

Марки стали и требования к механическим свойствам стали 1-й группы в состоянии нормализации приведены в табл. 2. В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработан­ном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).

Качественные инструментальные углеродистые стали предназначены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9, ...,У13)

Высококачественные стали имеют низкое содержание серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03 %), меньше неметаллических включений, обладают повы­шенными механическими свойствами. В обозначениях марок высококачест­венных сталей, в отличие от качественных, ставится буква А (например, У7А, У 8 А и т. д.).

Некоторые специальные примеси могут менять свойства стали при том же содержании углерода или придавать им особые свойства. Такие примеси называются легирующими, а стали, содержащие их, - легирован­ными. Эти стали рассматриваются отдельно.

По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглероди­стые (С < 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25-0,59 %) и высокоуглеро­дистые (С > 0,6 %).

Низкоуглеродистые и реже среднеуглеродистые стали используются преимущественно в строительных конструкциях. Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода до 1,4 % (благодаря более высокой твердости) приме­няются в основном для изготовления инструментов. Высокоуглеродистые ста­ли, содержащие до 0,8 % углерода, находят применение в таких стальных про­катных изделиях, как железнодорожные рельсы. Но надо отметить, что изме­нение содержания углерода связано с изменением структурных составляющих сталей.

Влияние содержания углерода на свойства стали графически изо­бражено на рис. 20, где по оси абсцисс отложено содержание углерода, а по оси ординат - величины важнейших свойств стали: предел прочности на растяжение <з_ь, предел текучести твердости (НВ), относительное удлинение (5), относительное сужения (у), ударная вязкость (а_А).

Видно, что по мере увеличения содержания углерода от 0 до 0,8 % непрерывно и заметно растет предел прочности стали, так как при этом уменьшается количество феррита и повышается количество более прочно­го перлита. При содержании углерода 0,8 % сталь состоит из перлита, т. е. имеет наиболее однородную структуру. При дальнейшем увеличении со­держания углерода цементит выделяется по границам зерен перлита, по­степенно разобщая их и, следовательно, нарушая однородность структуры стали. Это приводит к тому, что с ростом содержания углерода сверх 1 % прочность стали резко снижается.

Предел текучести стали изменяется аналогично пределу прочности. Относительное удлинение (8), относительное сужение (\|/) и связанная с ними ударная вязкость (сх_А), наоборот, с увеличением содержания углеро­да до 0,8-1 % резко уменьшаются, что обусловлено различием свойств структурных составляющих в стали. Наиболее пластичной и вязкой струк­турной составляющей является феррит, значительно менее вязкой — перлит и хрупкой - цементит.

Твердость стали с увеличением содержания углерода непрерывно возрастает, так как наименьшей твердостью обладает феррит, несколько большей - перлит и значительной - цементит.

Рисунок 20 дает представление об основных недостатках обычных углеродистых сталей, заставляющих переходить или к их термообработке, или к легированию.

Один из существенных недостатков обычных углеродистых сталей - неоднозначное влияние углерода на их свойства. При повышении содер­жания углерода, с ростом прочности и предела текучести в конструкцион­ных сталях непрерывно уменьшаются их пластические характеристики и ударная вязкость.

Второй существенный недостаток обычных углеродистых сталей - относительно низкий предел текучести.

В стальных конструкциях нельзя допустить появления остаточных деформаций, поэтому напряжения, возникающие в них, должны быть по крайней мере в полтора раза ниже величины предела текучести, а так как он меньше предела прочности, то, следовательно, приходится назначать высокий «запас прочности» стали (не менее троекратного). С увеличением предела текучести повышается расчетное (допустимое) напряжение в ста­ли или уменьшается расход металла, что достигается либо термообработ­кой с образованием структур сорбита или троостита, либо введением леги­рующих добавок.

Третий существенный недостаток обычных углеродистых сталей - их коррозия, дающая большие ежегодные потери металла.

По структуре в равновесном состоянии углеродистые стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,02 до 0,8 % и пред­ставлены ферритом и перлитом.

Эвтектоидные стали содержат 0,8 % углерода и в равновесном со­стоянии представлены перлитом.

Заэвтектоидные стали содержат от 0,8 до 2,14 % углерода и состоят из перлита и вторичного цементита.

3.4.2. Основы термической обработки стали

Одним из способов изменения свойств стали является ее термическая обработка, широко используемая в промышленности.

Равновесные структуры стали (феррит, перлит, цементит П) образуются при мед ленном охлаждении сплава и при полном завершении диффузионных процессов в кристаллических решетках в стадии перехода у-Ре в а-Ре. При изменении скорости охлаждения сплава образуются структуры, отличные от равновесных. Так, из аустенита (0,8 % С) при медленном охлаждении обра­зуется перлит - механическая грубодисперсная смесь феррита и цементита. При переохлаждении аустенита до 600-450 °С происходит измельчение зерен цементита и образование промежуточных перлитных структур - сорбита и троостита. При высокой скорости охлаждения аустенита (200-500 °С/с), когда диффузионные процессы становятся невозможными, кристаллическая решетка перестраивается: у-Бе в а-Ре, но атомы углерода не успевают выделиться из образовавшейся решетки.

Получается пересыщенный твердый раствор углерода в а - Ре с ис­каженной кристаллической решеткой, называемый мартенситом.

Изменение структуры металла сопровождается резким увеличением его твердости. Если для перлита твердость (НВ) составляет от 1800 до 2500 МПа, то для сорбита - 2500.. .3500 МПа, для троостита - 3500.. .4500 МПа, для мар­тенсита, по некоторым источникам, до 9600 МПа, а ударная вязкость понижа­ется почти до нуля.

Таким образом, с повышением скорости охлаждения аустенита резко увеличивается склонность его к хрупкому разрушению.

Чтобы мартенситное превращение аустенита развивалось, необходимо непрерывно быстро охлаждать сталь до температуры ниже начала мартенсит- ного превращения. Если охлаждение прекратить, то мартенситное превраще­ние тоже остановится, и в структуре стали будет присутствовать остаточный аустенит.

В зависимости от содержания углерода в стали меняется и возможность образования мартенситных структур. Так, например, в стали с содержанием углерода менее 0,2 % получить мартенситную структуру практически нельзя.

С повышением содержания углерода в углеродистой стали опасность возникновения хрупких мартенситных структур возрастает при быстром охлаждении металла. Мартенсит из-за хрупкости нельзя использовать в конструктивных элементах. Сорбит же особенно ценен в составе структур конструкционных сталей, работающих при динамическом нагружении (рельсы, мостовые конструкции).

Возможность получения структуры металла с разными техническими свойствами при изменении скорости его охлаждения реализуется практи­чески путем термической обработки сплавов.

Термической обработкой называют технологические процессы, со­стоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью измене­ния их структуры и свойств. Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали и инструменты. На рис. 21 представлены температурные области различных видов отжига.

Основные виды термической обработки стали:

• отжиг (полный либо неполный);

• нормализация;

• закалка;

_· отпуск

Кроме того, в промышленности используют и химико-термическую обработку стали - цементацию, азотирование, цианирование, алитирова- ние.

Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо умень­шить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать по­следствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обраба­тываемость при резании.

Полный отжиг стали производится путем нагрева ее до температуры выше верхних критических точек на 30-50 °С, выдержки при такой темпе­ратуре до полного прогрева слитка с последующим очень медленным ох­лаждением (вместе с охлажденной печью, под слоем песка, золы, шлака и т. п.).

При неполном отжиге нагрев стали производится до температуры выше нижних критических точек на 30-50 °С с выдержкой при этих тем­пературах и последующем медленном охлаждении. При неполном отжиге происходит только частичная перекристаллизация.

В результате предварительного нагрева сталь получает аустенитовую структуру, а затем при охлаждении образуется структура в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов. Для снятия внутрен­них напряжений, снижения твердости, улучшения обрабатываемости ме­таллов применяют низкотемпературный отжиг при нагреве до температу­ры, лежащей ниже нижних критических точек.

Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и проч­ностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нор­мализации производят нагрев стали до температуры на 30-50 °С выше верх­них критических точек с выдержкой и затем охлаждение на воздухе. В резуль­тате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3 % приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3-0,7 % и низколегированные стали - сорбитовую.

Стали с малым содержанием углерода закалить на мартенсит очень трудно, так как начало и конец образования мартенсита происходит в об­ласти высоких температур, соответствующих образованию других, более устойчивых структур (троостит, сорбит). Чем больше содержание углерода в стали, тем больше твердость образующегося при полной закалке мартен­сита и тем выше закаливаемость стали.

Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на глубину. Она зависит от критической скорости охлаждения при закалке. Про- каливаемость определяют по глубине полумартенситной зоны, структура ко­торой содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. При закалке обыкновен­ной углеродистой стали глубина закалки распространяется на 5-7 мм. Для обеспечения полной прокаливаемости на всю глубину применяют легирован­ные стали.

Охлаждение деталей при закалке, в зависимости от установленного режима, производят чаще всего на воздухе или путем опускания в жидко­сти (в воду, растворы солей или минеральное масло для получения струк­туры троостита) или в расплавленный свинец для получения структуры сорбита. Прочность стали в этом случае составляет около 2000 МПа при 5 = 3-4%.

Разновидностью термической обработки стали является изотермиче­ская закалка, или закалка при постоянных температурах. При этом деталь, нагретая до аустенитной структуры, охлаждается до температуры, при ко­торой образуются структуры, обеспечивающие получение необходимых свойств стали. В качестве охладителя берутся расплавленные соли или на­гретое масло. Деталь выдерживается при температуре горячей ванны дли­тельное время, пока не произойдет распад аустенита. Преимуществом это­го вида закалки является отсутствие коробления и трещин в деталях, а также упрощение термообработки, так как ликвидируется дополнительная операция — отпуск. По этому методу можно закаливать только небольшие (толщиной до 8 мм) детали из углеродистой стали.

В тех случаях, когда требуются высокая твердость и повышенная из­носоустойчивость поверхности при сохранении вязкой и достаточно проч­ной сердцевины, применяется поверхностная закалка, т. е. закалка не на полную глубину. Поверхностной закалке подвергаются стали с содержани­ем углерода более 0,3 %.

Высокочастотная закалка состоит в том, что нагрев поверхности де­тали происходит в результате образования около нее электромагнитного поля. Тепловой эффект действия вихревых токов зависит от частоты тока в индукторе и свойств металла. После нагревания слой детали подвергается воздействию охлаждающей среды.

Ступенчатая закалка производится путем выдержки детали при температуре, несколько превышающей точку мартенситного превращения, и затем охлаждения на воздухе. При этом резко уменьшаются внутренние напряжения при закалке.

Термомеханическая обработка заключается в совмещении термиче­ской обработки с пластической деформацией, которая производится либо выше критических точек, либо при температуре переохлажденного аусте­нита (500-700 °С). Такой вид обработки позволяет получать сталь высокой прочности (ад до 3000 МПа при 5 = 6-8%).

Закалка - процесс нагрева металла выше верхних критических точек на 30-50 °С с выдерживанием при этих температурах до полного нагрева слитка и последующим очень быстрым его охлаждением. При этом из ау стенита образуется мартенсит. Мартенситовая структура - промежуточная и для ее превращения в более устойчивую производят отпуск.

Отпуск — нагрев закаленной стали до температуры ниже нижних крити­ческих точек. Различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий. В ре­зультате отпуска, в зависимости от температуры нагрева, неустойчивая струк­тура мартенсита закалки превращается в более устойчивые структуры (мар­тенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит). Мартенсит отпуска имеет измененную кристаллическую решетку. Процесс его образования сопровожда­ется объемными изменениями, выделением теплоты и частичным снятием внутренних напряжений. При более высокой температуре нагрева стали обра­зуются сорбит, троостит и перлит.

Сталь со структурой троостита имеет в среднем НВ = 4000 МПа, предел прочности при растяжении а_ь = 1750 МПа, относительное удлинение 5 = 2%. Сталь со структурой сорбита имеет твердость НВ = 3000 МПа, предел проч­ности при растяжении с_ь =1000 МПа, относительное удлинение 5 = 7%.

Следовательно, произведя закалку с отпуском на сорбит, можно улучшить свойства стали в конструкциях: повысить предел текучести и ударную вязкость, а также твердость, т. е. стойкость при истирании (и та­ким образом уменьшить, например, износ рельсов). Недаром закалку с от­пуском на сорбит иногда называют термическим улучшением.

На рельсопрокатных заводах головки рельсов сорбитизируют, а в по­следнее время к термическому упрочнению арматурной стали начали при­бегать на заводах железобетонных изделий.

При неправильном проведении термообработки, т. е. отклонении от ус­тановленного режима, можно только ухудшить качество стали. Причинами брака могут быть недостаточность нагрева стали, малая скорость охлаждения, перегрев, коробление, закалочные трещины, обезуглероживание. Термической обработкой можно улучшить качество чугунных отливок, которые часто име­ют линейные напряжения. Напряжения эти снимаются при низкотемператур­ном отжиге до 500 °С в течение 3-5 часов.

Для повышения твердости, прочности и сопротивления износу за­калку стали производят при 800-820 °С, а затем отпуск при 400 °С,

Изменить структуру стали можно и используя механические воздей­ствия путем наклепа, искусственного старения, возврата.

Наклепом называют упрочнение металла и изменение его свойств под влиянием пластической деформации в холодном состоянии. Основные изме­нения свойств металла происходят из-за искажения кристаллической решетки, в результате вытягивания в направлении деформации (волочения проволоки, штамповки листов, изгиба, деформации арматуры и т. п.). В строительстве на­клепом пользуются для повышения предела текучести арматуры железобетон­ных конструкций, для чего ее скручивают или

вытягивают в холодном состоя­нии. Наряду с повышением прочности наклепанного металла происходит 48 снижение пластических свойств (уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость).

В металле, упрочненном наклепом, даже при комнатной температуре очень медленно, но самопроизвольно начинают протекать процессы, приво­дящие к снятию искажений в решетке и форме зерен. Для ускорения этих про­цессов повышают температуру.

Возвратом называют процесс ускорения восстановления кристалли­ческой решетки, т. е. снятие искажений путем нагрева малоуглеродистой стали до 200...400 °С, что приводит к некоторому снижению твердости и прочности и повышению пластичности. Полное восстановление свойств металла достигается дальнейшим повышением температуры до 600 °С. Этот процесс сопровождается перекристаллизацией деформированных зе­рен в новые равновесные структуры и называется рекристаллизацией.

Старение — процесс деформирования металла. При наличии в сплаве частиц оксидов и нитридов железа последние при деформировании кристал­лической решетки выделяются по плоскостям скольжения, что приводит к значительному снижению пластических свойств стали и даже к образованию трещин. В обычных условиях процесс старения идет очень медленно, с повы­шением температуры ускоряется. Старению способствует вибрационная на­грузка, например в мостах. Замедлить старение можно путем введения приса­док (алюминия, титана), связывающих вредные примеси.

Основное назначение поверхностной закалки стали - повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого из­делия. Сердцевина же изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты или при нагреве лазером.

Индукционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагревания. Так, например, скорость при обычном печном нагреве стали не превышает 1...3 °С/с, а при нагреве токами высокой частоты составляет 50...500 С/с. Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2-10 с на глубину слоя 2...5 мм. Большие скорости нагрева приводят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область более высоких температур, по­этому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при на­греве в печах. Чем больше скорость нагрева, тем выше температура ау- стенизации. Так, например, сталь с температурой закалки 840-860 °С, с содержанием углерода 0,4 % необходимо нагреть до температуры 880- 920 °С, со скоростью 250 "С/с, а до 980-1020 °С - при 500 °С/с. При за­калке с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значи­тельно меньше, чем при печном, так как при индукционном нагреве от­сутствует выдержка.

При индукционном нагреве после нормализации существенно (до 420 МПа) повышается предел выносливости стали. Предел выносливости для стали с содержанием углерода до 0,4 % при испытании образца с над­резом составляет 150 МПа.

Лазерная технология нагрева стали обеспечивает повышение произво­дительности труда, точности и качества обработки, является практически без­отходной и удовлетворяет требованиям по защите окружающей среды.

Лазеры - оптические квантовые генераторы, позволяющие получать электромагнитные излучения чрезвычайно высокой концентрации энергии. Применение лазеров для термической обработки основано на трансформа­ции световой энергии в тепловую.

Лазерная термическая обработка производится при удельной мощности 10³...5-10⁴Вт/см² при времени воздействия на поверхность 10~²с. При мощ­ности 10^б,..10⁷ Вт/см и времени воздействия КГ...КГ'с осуществляяются процессы сварки, плавления, лазерной химико-термической обработки.

Для лазерной обработки используют технологические лазеры импульс­ного воздействия в точке и непрерывного действия в полосе шириной до 30 мм. Особенность лазерного упрочнения - его локальность, поэтому для об­работки поверхности луч необходимо сканировать. Глубина упрочненного слоя колеблется от 0,1 до 1,0 мм в зависимости от вида лазера.

Лазерная технология позволяет повысить твердость и износостой­кость сталей (средне- и высоколегированных углеродистых и инструмен­тальных). Стали низкоуглеродистые и высокопрочные низколегированные при лазерной термической обработке упрочняются недостаточно. Лазерная термическая обработка практически не влияет на предел прочности и пре­дел текучести сталей.

Химико-термическая обработка стали заключается в изменении хи­мического состава стали на поверхности изделия и последующем проведе­нии термообработки. Цель ее - упрочнение поверхностных слоев стали (повышение твердости, усталостной прочности, износостойкости и т. п.), изменение физико-химических и других свойств (коррозионных, фракци­онных и др.). От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производят насыщение поверхности обрабаты­ваемых изделий различными элементами (С, Na, Al, Si, Сг и пр.). Проникая в основную решетку металла, атомы элемента образуют твердый раствор внедрения или замещения либо химическое соединение.

Процесс химико-термической обработки включает:

• образование во внешней среде активных атомов диффундирую­щего вещества;

• поглощение поверхностью основного металла атомов активно­го вещества (адсорбция);

• перемещение активных атомов с поверхности внутрь основно­го металла (диффузия).

На качество процесса влияют вид внедряемого вещества, температу­ра, при которой происходит процесс, и его продолжительность.

Диффузионное насыщение стали углеродом (цементация), азотом (азотированием), бором (борирование) и другими элементами широко ис­пользуется в промышленности.

Цементация - поверхностное насыщение малоугеродистой, чаще низколегированной стали (С < 0,2 %) углеродом с последующими закалкой и отпуском с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. Цементацию можно проводить в твердой, жидкой или газо­образной среде (карбюризаторе).

Азотирование — процесс поверхностного насыщения стали азотом путем выдержки стали, нагретой до 500...650 °С, в атмосфере аммиака ЫН₃. Азотирование стали значительно повышает ее поверхностную твер­дость (в 1,5...2раза по сравнению с цементацией), увеличивает износоустой­чивость и предел усталости стали, повышает сопротивление коррозии.

Цианирование — одновременное насыщение поверхности стального изделия азотом и углеродом - производится для повышения твердости, из­носоустойчивости и усталостной прочности мелких и средних деталей.

Диффузионная металлизация - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (си- лицирование), бором (борирование) и другими элементами. Его осуществ­ляют путем нагрева и выдержки стальных изделий в контакте с одним или несколькими из указанных элементов, которые могут находиться в твер­дом, жидком и газообразном состояниях. Такая обработка изделия придает поверхностным слоям стали жаростойкость, износоустойчивость, способ­ствует сопротивлению коррозии и позволяет не использовать для подоб­ных изделий легированные стали

В настоящее время получены положительные результаты при лазер­ной химико-термической обработке (ЛХТО) поверхности сталей. Насыще­ние легирующими элементами в этом случае происходит путем диффузии и массопереноса, как в твердой, так и в жидкой фазе. При этом возможно конвективное и механическое перемещение расплава в зоне воздействия лазерного импульса. Перед ЛХТО на поверхность изделия наносят различ­ными способами (накатка фольги из легирующего материала, электромеханическое или химическое осаждение, напыление, нанесение порошков или обмазок и др.) легирующие элементы.

ЛХТО обычно осуществляют в режиме расплавления. Диффузная металлизация стали осуществляется путем легирования поверхности раз­личными материалами — ванадием, ниобием, титаном и вольфрамом (су­щественно повышается твердость). Высокая износостойкость и кавитаци- онная стойкость получена при лазерном азотировании и использовании замазок на стали 38Х2МЮА и 15ХМФ. Упрочнение поверхности стали достигается и при лазерном борировании и цементации. Во всех случаях износостойкость изделия резко повышается

3.5. Легированные стали

Легированными называют стали, в которые для получения требуе­мых свойств специально вводят легирующие элементы.

Если количество элементов примерно 0,1 %, то говорят о наличии микролегирования. Легирующие элементы оказывают влияние на элек­тронную и дислокационную структуру металла. Замещая атомы в решетке основного металла, они создают барьеры на пути движущихся дислокаций, меняют характер и величины межатомных взаимодействий в сплаве, что влияет на подвижность дислокаций и в итоге определяет прочность и де- формативные свойства сплавов. Многие легирующие элементы способст­вуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно уве­личивает ее прочность. Так, например, установлено, что при измельчении зерна феррита (до 1 мкм) предел текучести малоуглеродистой стали повы­шается в три раза.

Легированные стали характеризуются лучшим комплексом физико- химических и механических свойств по сравнению с углеродистыми. Из­меняя направленно структуру стали путем легирования, можно получить стали повышенных жаростойкости, коррозионной стойкости, ударной вяз­кости, с высокими значениями предела текучести. Легированные стали лучше прокаливаются, чем углеродистые, что способствует уменьшению деформаций изделий и вероятности образования трещин.

В качестве легирующих элементов используют хром, никель, молиб­ден, вольфрам, ванадий, алюминий, бор, титан, медь и другие, а также мар­ганец и кремний в количествах, превышающих их обычное содержание (1 % и выше).

Каждый из легирующих элементов оказывает свое влияние на струк­туру и свойства стали (табл. 3).

Так, например:

• хром повышает твердость, уменьшает ржавление;

• никель увеличивает прочность, пластичность и коррозионную стойкость;

• вольфрам увеличивает твердость и красноломкость;

• ванадий повышает плотность, прочность, сопротивление удару и истиранию;

• марганец при содержании его в стали выше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагру­зок;

• медь уменьшает коррозию;

• алюминий повышает окалиностойкость;

• титан повышает прочность и сопротивление коррозии.

В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько легирующих элементов.

По влиянию на температурный и концентрационный интервалы (или область) существования аустенита (у — модификация железа) легирующие элементы в стали подразделяют на две группы:

1) элементы, расширяющие область существования аустенита - на­пример, никель, марганец, - их называют у-стабилизаторы;

2) элементы, замыкающие область существования у-Ре, - а-стаби­лизаторы.

Влияние легирующих элементов на область существования у-Бе в ос­новном объясняют их однотипностью (изоморфностью) кристаллических ре­шеток одной из фаз железа.

Влияние легирующих элементов на кинетику распада переохлажден­ного аустенита проявляется в двух направлениях:

1) повышение устойчивости остаточного аустенита, замедление его распада, что присуще элементам, не образующим специальных карбидов в стали (никель, марганец, кремний), а лишь легирующих феррит или це­ментит;

2) образование на диаграмме изотермического превращения аустени­та двух максимумов скорости распада переохлажденного аустенита, разде­ленных зоной его повышенной устойчивости, - такое воздействие на кине­тику распада аустенита оказывают карбидообразующие элементы: хром, молибден, вольфрам и др.

Замедление распада аустенита в легированных сталях вызвано тем, что перлитные превращения контролируются не только диффузией угле­рода, но и диффузией легирующих элементов с образованием легирован­ного цементита или специальных карбидов.

В конструкционных сталях основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец.

Классифицируют легированные стали по различным признакам: по химическому составу легирующих добавок, по качеству, по назначению, по типу равновесной структуры после нормализации.

По химическому составу легированные стали подразделяют, в зави­симости от вводимых элементов, на хромистые, марганцовистые, хромо- никелевые, хромоникельмолибденовые и др.

В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов стали делят:

• на низколегированные (до 2,5 % легирующих элементов);

• легированные (от 2,5 до 10 %);

• высоколегированные (более 10 %).

Разновидностью классификации стали по химическому составу явля­ется классификация по качеству. Качество стали — это комплекс характе­ристик, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких как одно­родность химического состава, строения и свойств, технологичность. Эти свойства зависят от содержания в стали газов и вредных примесей — серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяют:

• на качественные (до 0,04 % Б и до 0,035 % Р);

• высококачественные (до 0,025 % Б и до 0,025 % Р);

• особовысококачественные (до 0,015 % Б и до 0,025 % Р).

По назначению легированные стали делят на три группы:

• конструкционные;

• инструментальные;

• стали с особыми физическими и химическими свойствами.

По типу равновесной структуры стали подразделяют на доэвтекто- идные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру. Доэвтектоидные и заэвтектоидные состоят из перлита, избыточного феррита и вторичных карбидов. В структуре литых сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом. В сталях с высоким содержанием легирующих элементов, сужающих у -область, возможно ис­чезновение у о а-превращений. Такие стали относят к ферритному клас­су. При- высоком содержании в стали элементов, расширяющих область аустенитных превращений, происходит стабилизация аустенита. Эти стали относят к аустенитному классу. Таким образом, с учетом фазового равно­весия легированные стали относят к перлитному, карбидному, ферритному или аустенитному классу

При маркировке легированной стали приняты следующие обозначе­ния легирующих элементов: X - хром, Н — никель, А - азот, В — вольфрам, Е - селен, Г - марганец, Д - медь, Б - ниобий, Р - бор, П - фосфор, Ю - алюминий, М - молибден, К - кобальт, Ц - цирконий, Ф - ванадий. Эти буквы в сочетании с цифрами образуют марку стали.

Сочетание букв и цифр дает характеристику легированной стали. Если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки означает среднее содер­жание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1 % и выше, далее указывается легирующая добавка. Цифры, следующие за буквами, показывают среднее содержание данного элемента в процентах: если количество добавки более 1,5 %, то ста­вится цифра 2. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного эле­мента около 1 %. Буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, содержащую меньше серы и фосфора, а буква Ш - особовысококачест- венную. Если буква А расположена в середине марки, то сталь легирована азо­том. Если буква А ставится в начале марки. - сталь автоматная. Марка шари­коподшипниковой стали начинается с буквы Ш (к примеру, ШХ15, 15 — сред­нее содержание хрома в десятых долях процента).

Например, сталь марки 15ХСНД содержит в среднем 0,15 % углеро­да (с колебаниями от 0,12-0,18 %), добавки хрома, кремния, никеля и меди в количестве менее 1 % каждой. Сталь марки 35ГС - 0,35 % углерода, мар­ганца и кремния - более, чем в обычных сталях, но не более 1,5 % каждой из добавок. Сталь марки 30Г2С - 0,30 % углерода, более 1,5 % марганца и менее 1 % кремния. Нержавеющая сталь 10Х18Н9 - 0,1 % углерода, 18 % хрома, 9 % никеля. Высокомарганцовистая сталь марки Г13Л, применяю­щаяся для сердечников железнодорожных крестовин, содержит 1-1,4 % углерода и 13 % (от 11 до 15 %) марганца.

В строительстве для металлических конструкций используют низко­легированные стали перлитного или ферритного класса. Такие стали хо­рошо обрабатываются давлением, резанием, хорошо свариваются. После закалки и отпуска механические свойства таких сталей заметно повыша­ются.

В строительных низколегированных сталях используют следующие легирующие элементы: кремний и марганец (более 1 %), хром, никель, медь, иногда цирконий, бор и титан.

Основными преимуществами низколегированных сталей строитель­ного назначения, по сравнению с углеродистыми (например, СтЗ) является их большая прочность при сохранении высокой пластичности и сваривае­мости, повышенная стойкость к атмосферной коррозии. Совокупность таких свойств позволяет повысить допустимые напряжения при расчете кон­струкций и уменьшить расход металла на их изготовление на 13—18 %, по сравнению с использованием стали марки СтЗ

Низколегированная сталь обладает меньшей чувствительностью к старению и меньшей склонностью к хладноломкости. Критическая темпе­ратура перехода в хрупкое состояние низколегированной стали лежит ни­же -40 °С, а отдельных марок стали ниже -60 °С. Низколегированная сталь хорошо сваривается. Для сварных соединений не требуется ни предвари­тельного подогрева, ни последующей термической обработки для снятия напряжений. Коррозионная стойкость в атмосферных условиях и других средах в 1,5 раза выше, чем углеродистой стали марки СтЗ.

Низколегированные стали поставляют в виде листов, полос, сортового и фасонного проката. Их применяют для изготовления металлических конструк­ций мостов, опор, транспортных галерей, подкрановых балок, мостовых кра­нов, шпунтовых свай, для армирования железобетонных конструкций и др. Низколегированные стали строительного назначения применяют в горячека­таном состоянии и после термической обработки, включающей одно- и дву­кратную закалку с последующим высокотемпературным отпуском. Такая об­работка повышает предел прочности стали на 20-25 %. Экономически целесо­образно использовать в строительстве и легированные стали высокой проч­ности.

К легированным сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся жаростойкие, жаропрочные, коррозионностойкие, износоустойчивые и магнитные стали.

Жаростойкими (окалиностойкими) считаются стали, которые спо­собны сопротивляться химическому разрушению (окислению) в газовых средах при температуре выше 550 °С. Для повышения окалиностойкости стали легируют элементами, которые изменяют состав и строение окали­ны, образуя тонкие защитные пленки.

Жаропрочными являются стали, способные противостоять механиче­ским нагрузкам при высоких температурах. В настоящее время жаропрочность материала оценивается пределом ползучести (напряжением, вызывающим за­данную скорость деформации при данной температуре) и длительной прочно­стью (способностью материала сопротивляться напряжению, вызывающему разрушение при определенной температуре за определенный промежуток вре­мени). Для снижения в материале пластических деформаций, сопровождаю­щих его ползучесть, в сплав вводят хром, никель, молибден и другие леги­рующие элементы.

Коррозионностойкими называют стали, которые сопротивляются разрушению под воздействием внешней агрессивной среды. К коррозион- ностойким сплавам относятся хромистые нержавеющие (XI3, XI7), хро- моникелевые нержавеющие (Х14Г4Н, Х18Н9) стали. Например, введение более 12 % хрома делает сталь коррозионностойкой в атмосфере и промышленных средах,а при 25% хрома сталь не ржавеет на воздухе,в воде, в ряде кислот, солей, щелочей. Коррозионностойкие стали ши­роко используются для изготовления строительных конструкций и изде­лий, работающих в агрессивных средах (грунтовых водах, газах, морской воде и др.).

Чугуны

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы с содержанием уг­лерода более 2,14 %.

Чугуны принято подразделять:

• на белые, у которых весь углерод находится в связанном со­стоянии в форме цементита (см. рис. 17);

• серые, у которых углерод находится в частично связанном, частично свободном состоянии в форме графита;

• ковкие, у которых углерод почти полностью выделяется в сво­бодном состоянии.

Белые чугуны имеют большую твердость (4500...5500 МПа), они хрупки и потому используются преимущественно для переплавки в сталь или чугуны других разновидностей.

Серые чугуны получили свое название по виду излома, который име­ет серый цвет. Структурно серый чугун состоит из металлической основы и графита (в форме пластин), и потому его свойства зависят от этих со­ставляющих.

По структуре металлической основы серые чугуны подразделяют:

• на перлитный со структурой перлит + графит (количество свя­занного углерода - 0,8 %);

• ферритно-перлитный со структурой феррит + перлит + графит (количество связанного углерода менее 0,8 %);

• ферритный со структурой феррит + графит (весь углерод в ви­де графита).

Серые чугуны обладают хорошими литейными качествами - жидкоте- кучестью, хорошо заполняют формы, имеют малую усадку при затвердении.

Марки серых чугунов состоят из букв Сч (серый чугун) и цифры, пока­зывающей значение временного сопротивления при растяжении в кг/мм².

По величине графитовые включения в серых чуг^нах бывают круп­ные, средние и мелкие; по форме - прямолинейные или завихренные; по расположению — равномерные, гнездовые и эвтектические.

Схематично формы графитовых включений представлены на рис. 22

Механические свойства серых чугунов зависят от металлической ос­новы, количества, размера, формы и расположения графитовых включе­ний, а также наличия других примесей.

Наиболее мягки и менее прочны чугуны на ферритовой основе, наи­более тверды и прочны — на перлитовой.

Включения графита нарушают структуру металлической основы чу­гунов и поэтому понижают их прочность. Чем больше графита в чугуне, тем хуже его свойства. Обычно в сером чугуне содержится 2,8—4 % угле­рода, из них 2-3 % — в виде графита.

При одинаковом количестве графита на механические свойства чу­гуна оказывают влияние величина графитовых включений, их форма и ха­рактер распределения в металлической основе. Крупные включения графи­та снижают прочность металлической основы у серых чугунов значитель­но больше, чем мелкие, разобщенные, шаровидные включения.

На свойства серых чугунов оказывают влияние и примеси - кремний, марганец, сера, фосфор. Содержание кремния в серых чугунах колеблется в пределах от 1,5 до 4,5 %, марганца - от 0,5 до 1,2 %. При большом со­держании марганец отбеливает чугун и повышает его хрупкость. Сера ухудшает литейные свойства (увеличивается густоплавкость и усадку при затвердении), повышает хрупкость и твердость чугунов. Обычное содер­жание серы - не более 0,6 %. Фосфор улучшает литейные свойства серого чугуна (увеличивает жидкоплавкость и уменьшает усадку). Допустимое содержание фосфора - ог 0,1 до 1 %.

Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, предел прочности при изги­бе - 280 МПа.

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо рабо­тающие на сжатие, - колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, ото­пительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигате­лей, зубчатые колеса и другие детали.

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаро­видную форму. Их получают путем модифицирования с использованием цезия, магния или ферросилиция совместно с вторичным алюминием.

Модификаторы производят раскисление металла. Образующиеся окис­лы являются центрами кристаллизации для графита, они вызывают его раз­мельчение и равномерное распределение по основе стали.

Маркируется высокопрочный чугун по пределу прочности и относи­тельному удлинению, например Вч 45-5, где цифра 45 - предел прочности в кгс/мм , а цифра 5 - относительное удлинение, равное 5 %.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают в результате специального графитизирующего отжига (томления) доэвтектического белого чугуна. Ковкий чугун, по сравнению с се­рым, обладает более высокой прочностью, что связано с меньшим влиянием хлопьевидной формы графита на механические свойства металлической осно­вы, которая по структуре может быть ферритной, ферритно-перлитной и пер­литной.

Термин «ковкий чугун» является условным и характеризует пласти­ческие, а не технологические свойства чугуна, так как изделия из него, как и из других чугунов, получают литьем, а не ковкой.

Маркируют ковкие чугуны буквами Кч и цифрами, как и высоко­прочные чугуны.

Физико-механические свойства чугунов приведены в табл. 4.

Из таблицы видно, что перлитные чугуны более прочные, а феррит- ные - более пластичные.

В строительстве находят применение все виды рассмотренных чу­гунов с графитным включением. Серые чугуны используются в конструк­циях, работающих на статическую нагрузку (колонны, фундаментальные плиты под фермы, балки, канализационные трубы, люки, задвижки); вы­сокопрочные и ковкие чугуны, обладающие повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающих­ся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышлен­ных зданий, фундаменты тяжелого кузнечно-прессового оборудования, подферменные опоры железнодорожных и автодорожных мостов, тюбин­ги для крепления ответственных транспортных тоннелей под землей, в горах).

Дата добавления: 2014-07-14; просмотров: 2414; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!