Вопрос 3. Простейшие сплавы на основе железа (углеродистые стали и чугуны). Легирование сталей и чугунов

Химический состав, структура и маркировка углеродистых сталей и чугунов.

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объёму производство чугуна и стали более чем в 10 раз превосходит производство всех других сплавов, вместе взятых.

Компоненты системы железо–углерод. Железо — металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe, технические сорта 99,8–99,9% Fe. Температура плавления железа 1 539°С. Железо имеет две полиморфные модификации: a- и g-. Модификация a-железа существует при температурах ниже 911 °С и выше 1 392 °С. В интервале температур 1 392–1 539 °С a-железо нередко обозначают как d-железо. Кристаллическая решётка a-железа — ОЦК. Плотность a-железа 7,68 г/см³. Модификация g-железа существует при температурах 911–1 392 °С. Кристаллическая решётка g-железа ГЦК. Критическую точку равновесия a«g при 911 °С обозначают А₃ (А_С3 для превращения a®g при нагревании и А_r3 для превращения g®a а при охлаждении). Углерод является неметаллическим элементом II периода IV группы периодической системы, атомный номер 6, плотность 2,5 г/см³, температура плавления около 3 500 °С, атомный радиус 0,077 нм. До недавнего времени были известны три аллотропные формы углерода: графит, алмаз и карбин. В настоящее время известна четвертая форма — так называемый фуллерен. В обычных условиях в сплавах Fe–С свободный углерод находится в виде графита.

Для двухкомпонентных сплавов Fe–С классифицируют обычно проводят по содержанию углерода.

Сплавы, содержащие до 0,03% С, называют техническим железом. Особенность структуры технического железа состоит в том, что в ней нет ни эвтектических[1], ни эвтектоидных смесей. Обычно такая структура состоит из ферритных[2] зёрен с небольшим количеством мелких включений третичного цементита[3]

Сплавы, содержащие 0,03–2,14% С, называютсталями, в их структуру входит перлит — эвтектоидная смесь феррита и цементита. При содержании в стали 0,8% С её структура состоит только из зёрен перлита, и поэтому её называют эвтектоидной. Доэвтектоидные стали содержат менее 0,8% С, и их структура состоит из феррита (светлые зерна) и перлита (более тёмные зерна). В заэвтектоидных сталях содержится более 0,8 %С, а в их структуре присутствуют перлит и вторичный цементит, последний обычно в виде светлой сетки по границам перлитных зёрен.

В настоящее время чёрная металлургия производит приблизительно 90% углеродистой стали и 10% легированной. Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав. Кроме основного компонента — железа, в ней имеется много элементов, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (Мn, Si) либо невозможностью полного удаления их из металла (S, Р, О, N, Н), а также случайными примесями (Cr, Ni, Сu и др.). В зависимости от способа выплавки (мартеновский, конвертерный и др.) стали разных производств различают главным образом по содержанию этих примесей.

Влияние углерода. Углерод сильно влияет на структуру и свойства стали даже при небольшом изменении его содержания. Увеличение содержания углерода в доэвтектоидной стали приводит к повышению твёрдости, пределов прочности и текучести; понижению пластичности. В заэвтектоидных сталях при повышении содержания углерода более 0,9% прочностные свойства несколько снижаются. Предел выносливости возрастает лишь до содержания углерода 0,55–0,65 %, а при большем содержании углерода снижается. Углерод существенно уменьшает ударную вязкость стали и облегчает переход её в хладноломкое состояние. Каждая 0,1% содержания углерода повышает порог хладноломкости в среднем на 20 °С и расширяет температурный интервал перехода стали от вязкого к хрупкому состоянию.

Влияние кремния и марганца. Эти элементы являются технологическими примесями. В хорошо раскисленной стали содержание кремния в качестве примеси обычно не превышает 0,4%, а содержание марганца — 0,8%. Эти элементы переходят в сталь в процессе её раскисления. Кремний сильно повышает предел текучести стали, снижая её способность к холодной пластической деформации. Марганец заметно повышает прочность, практически не снижает пластичность и резко уменьшает красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние серы. Сера является вредной примесью. С железом сера образует химическое соединение FeS, которое образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. Кристаллизуясь из жидкости по окончании затвердевания, эвтектика преимущественно располагается по границам зёрен твёрдого раствора. При нагреве стали до температуры прокатки или ковки (1 000–1 200°С) эвтектика расплавляется, нарушается связь между зернами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости (горячеломкости). Присутствие в стали марганца, образующего с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости. Сернистые включения снижают ударную вязкость и пластичность в поперечном направлении вытяжки при прокатке и ковке, а также предел выносливости. В низкоуглеродистых сталях при содержании серы более 0,01% снижается порог хладноломкости ("сульфидный парадокс"). Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в стали строго ограничивается; в зависимости от качества углеродистой стали оно не должно превышать 0,04–0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор является вредной примесью, и содержание его в зависимости от качества углеродистой стали допускается не более 0,04–0,07 %. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решётку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали углерода. Фосфор повышает порог хладноломкости стали и уменьшает работу развития трещины. Каждая 0,01% содержания фосфора повышает порог хладноломкости стали на 20–25°С. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что отдельные участки слитка сильно обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость. Современные методы получения стали не обеспечивают глубокой очистки металла от фосфора.

Влияние азота, кислорода и водорода. Азот и кислород присутствуют в стали в виде неметаллических включений, в твёрдом растворе или, находясь в свободном виде, располагаются в дефектных участках металла (раковинах, трещинах и т.д.). Азот и кислород, концентрируясь в зёрнограничных объёмах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зёрен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения могут быть причиной шиферного (древовидного) излома, охрупчивающего сталь. Очень вредным является растворенный в стали водород, который не только охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов —очень тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен серебристого цвета. Флокены резко ухудшают свойства стали, поэтому сталь с ними нельзя использовать. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле. Нанесение на поверхность стальных изделий гальванических покрытий или травление стали в кислотах для её очистки связано с опасностью насыщения поверхности водородом, что также вызывает охрупчивание. Уменьшение содержания водорода в стали обеспечивают выплавкой или разливкой стали в вакууме.

Углеродистую сталь общего назначения подразделяют по качеству на сталь обыкновенного качества и качественную.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) широко применяют в строительстве и машиностроении как наиболее дешёвые. В них допускается содержание серы до 0,06% и фосфора до 0,07%. Поставляются они в виде проката — сортового, фасонного, листового, широкополосного (горячекатаного) и тонколистового (холоднокатаного). Из них изготавливают трубы, поковки и штамповки, ленту, проволоку и метизы. Эти стали подразделяют на три группы, поставляемые: А — по механическим свойствам, Б — по химическому составу, В — по механическим свойствам и химическому составу. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Изготовляют стали следующих марок: группа А — Ст0–Ст6; группа Б — БСт0–БСт6; группа В — ВСт1—ВСт5. Сталь всех групп с номерами марок 1–4 изготавливают кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп); с номерами 5 и 6 — полуспокойной и спокойной[4]. Полуспокойная сталь с номерами марок 1—5 производится как с обычным, так и с повышенным содержанием марганца. В зависимости от нормируемых показателей (механических свойств и химического состава) стали делятся на категории: группа А — 1, 2, 3; группа Б — 1, 2; группа В — 1–6. Содержание углерода в них составляет, %: Ст0 — до 0,23, Ст1 — 0,06–0,12, Ст2 — 0,09–0,15, СтЗ — 0,14–0,22, Ст4 — 0,18–0,27, Ст5 — 0,28–0,37, Стб — 0,38–0,49.

В углеродистых качественных сталях (ГОСТ 1050-88) более жёстко ограничено содержание вредных примесей: до 0,04% S и до 0,04% Р. Качественные углеродистые стали маркируют числами 08; 10; 15–85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

К чугунам относят железоуглеродистые сплавы, в структуре которых содержится эвтектика. В системе железо–цементит эвтектикой является ледебурит[5], основу которого составляет хрупкая фаза — цементит. Поэтому сплавы с наличием в структуре ледебурита разрушаются хрупко, имеют в изломе светлый блестящий цвет. По виду излома их называют белыми чугунами. По химическому составу к белым чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14% С. В белых чугунах протекает не только эвтектическое превращение, но и эвтектоидный распад аустенита[6] с образованием перлита (ниже 727 °С). По микроструктуре белые чугуны подразделяют на доэвтектические, эвтектический и заэвтектические. Эвтектический чугун содержит 4,3% С, и его структура состоит только из ледебурита. В доэвтектических чугунах содержание углерода менее 4,3 %, и после кристаллизации в их структуре находятся первичный аустенит и ледебурит. Микроструктура заэвтектических чугунов, содержащих более 4,3 % С, состоит из ледебурита и первичного цементита. Чугуны, в которых углерод в основном находится в свободном виде (в виде графита), называют графитизированными. Существуют и промежуточные виды чугунов, в структуре которых находятся и карбиды (в том числе и цементит), и графит; такие чугуны называют половинчатыми или частично графитизированными. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие виды графитизированных чугунов: серые, высокопрочные и ковкие. В серых чугунах графитные включения (в плоскости шлифа) имеют пластинчатую форму. Эти включения напыляют поверхность излома и придают ему серый цвет, поэтому такой сплав называют серым чугуном с пластинчатым графитом. В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму (высокопрочный чугун с шаровидным графитом, ВЧШГ) или промежуточную форму между шаровидной и пластинчатой (высокопрочный чугун с вермикулярным графитом, ЧВГ). В ковких чугунах (КЧ) графитные включения тоже имеют компактную форму, называемую хлопьевидной (ковкий чугун с хлопьевидным графитом). В половинчатых чугунах могут сочетаться карбиды различных видов и графитные включения разной геометрической формы. Микроструктура антифрикционных чугунов обычно содержит перлитную, перлитно-ферритную или аустенитную металлическую основу и различной формы графитные включения. Дополнительное повышение износостойкости антифрикционных чугунов достигается наличием в их структуре небольших количеств цементита и фосфидной эвтектики. Графитные включения способствуют эффективному самосмазыванию при трении и хорошему удержанию смазочных масел, а также обеспечивают высокую теплопроводность, что создаёт нормальные тепловые условия работы узла трения. Основной структурной особенностью износостойких белых чугунов (ИБЧ) является наличие достаточно большого количества высокотвёрдых карбидов (легированного цементита и специальных карбидов), обеспечивающих высокую стойкость чугуна в условиях абразивного изнашивания.

Серые чугуны по ГОСТ 1412-85 маркируют буквами СЧ (серый чугун) и числом, указывающим минимальное значение временного сопротивления в килограмм-силы на квадратный миллиметр (1 кгс/мм² = 10^-1 МПа).

Принцип маркировки ВЧШГ такой же, как и для серых чугунов: после букв ВЧ указывается минимальное значение предела прочности в килограмм-силы на квадратный миллиметр.

Самостоятельного ГОСТа на марки ЧВГ до 1991 г. в нашей стране не было. В настоящее время используется ГОСТ 28394-89, в который включены четыре марки чугуна ЧВГ 30–ЧВГ 45 с относительным удлинением 8 не менее 3% для ЧВГ 30 и не менее 0,9% для ЧВГ 45.

В основу стандартизации ковкого чугуна заложен принцип регламентирования минимальных значений предела прочности при растяжении и относительного удлинения. После букв КЧ в марке чугуна указывают два числа — минимальные значения предела прочности в килограмм-силы на квадратный миллиметр и относительного удлинения в процентах.

Основные марки антифрикционных чугунов установлены ГОСТ 1585-85. Чугуны марок АЧС-1 – АЧС-6 — серые чугуны с пластинчатым графитом, чугуны АЧВ-1 и АЧВ-2 — ВЧШГ, чугуны АЧК-1 и АЧК-2 — ковкие чугуны.

ГОСТ 7769—82 предусматривает девять марок износостойких белых чугунов (ЧХЗТ, ЧХ9Н5, ЧХ16, ЧХ16М2, ЧХ22, ЧХ28Д2, ЧХ32, ЧГ7Х4, ЧН4Х2), которые классифицированы по химическому составу.

Дата добавления: 2014-12-09; просмотров: 276; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!