книги / Материаловедение. Технология металлов и сварки

ных атомов. Первый компонент называется растворителем, а второй – растворимым. По типу расположения атомов растворимого элемента твердые растворы делятся на 2 группы: замещения и внедрения (рис. 3.3).

аб

Рис. 3.3. Схемы образования твердых растворов: а – замещения; б – внедрения

Втвердых растворах замещения атомы компонента В замещают атомы компонента А (основной металл) в узлах кристаллической решетки, при этом мы имеем твердый раствор с ограниченной растворимостью.

Если металлы имеют сходные свойства и одинаковый тип кристаллической решетки с близкими параметрами, то они могут неограниченно растворяться друг в друге, т.е. атомы сорта А могут на 100 % заменить атомы сорта В, и наоборот. В таких случаях говорят, что компоненты неограниченно растворимы друг в друге.

Втвердом растворе внедрения атомы растворенного вещества В располагаются в промежутках кристаллической решетки между атомами растворителя А. Чаще всего это имеет место, когда в металле растворяются неметаллические элементы с малым размером атомного радиуса (Н, С, Si, В и т.д.).

3. Химические соединения на основе металлов. Образование

таких соединений сопровождается формированием собственной кристаллической решетки, которая отличается от типа решеток, входящих в сплав компонентов. Свойства такого соединения резко отличаются от свойств, образующих его элементов. Они чаще имеют большую твердость и хрупкость.

21

3.4. Особенности некоторых диаграмм состояния двухкомпонентных сплавов

Диаграмма состояния – это графическое изображение равновесного превращения, протекающего в сплаве в координатах температура – концентрация. Диаграммы состояния строят экспериментальным путем при помощи термического анализа. Тип диаграммы состояния определяется видом взаимодействия компонентов в сплаве.

Если после кристаллизации из жидкости компоненты сплава образуют механическую смесь в виде кристаллов отдельных компонентов, то диаграмма состояния имеет вид, представленный на рис. 3.4, а.

а

б

Рис. 3.4. Двухкомпонентные диаграммы состояния: с эвтектикой (а) и эвтектоидом (б)

Линия АСВ отвечает началу кристаллизации из жидкого расплава и называется линией ликвидус. Линия DСЕ отвечает концу кристаллизации и называется линией солидус. Ниже ее сплав находится в твердом состоянии. В промежутках сплавы находятся как в жидком, так и в твердом состояниях.

Сплав, соответствующий точке С, называется эвтектическим. Превращение жидкости с образованием механической смеси кристаллов называется эвтектическим, а смесь полученных кристаллов называется эвтектикой. Эвтектика имеет самую низкую

температуру плавления.

22

Такой тип диаграммы состояния может иметь сплав, который образуется из твердого состояния, например из твердого раствора (или при распаде химического соединения). Как правило, такое превращение происходит ниже линии солидус (рис. 3.4, б). Превращение твердого раствора с образованием механической смеси кристаллов называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов называется эвтектоидом. Сплав, соответствующий точке С, называется

вэтом случае эвтектоидным. Области на этой диаграмме состояния обозначаются, как и в случае с эвтектикой, только вместо жидкости фигурирует твердый раствор, а вместо эвтектики – эвтектоид.

Таким образом, эвтектика всегда образуется из жидкого состояния, а эвтектоид – из твердого состояния.

Кроме механической смеси сплавы могут кристаллизоваться

ввиде твердых растворов и химических соединений.

Контрольные вопросы

1.Дайте определение сплавам.

2.Основные понятия в теории сплавов.

3.В чем заключается термический анализ и что можно определить с его помощью?

4.В чем разница кристаллизации аморфного и кристаллического тел?

5.Что такое степень переохлаждения?

6.Как влияет степень переохлаждения на размер зерна?

7.Дайте характеристику сплавам, состоящим из механических

смесей.

8.Характеристика сплавов на основе твердых растворов.

9.Характеристика сплавов на основе химических соединений.

10.Что такое диаграмма состояния?

11.Определение линии ликвидус на диаграмме состояния.

12.Определение линии солидус на диаграмме состояния.

13.Что такое эвтектика?

14.Что такое эвтектоид?

15.Чем отличается эвтектика от эвтектоида?

23

Глава 4 ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫЕ СПЛАВЫ

Все многообразие фазового и структурного состояния системы железо – углерод обусловлено существованием аллотропических модификаций железа с различным строением кристаллической решетки.

4.1. Краткая характеристика исходных компонентов

Железо (Fe) – блестящий светло-серый металл с tпл = 1539 °C, ρ = 7,87 г/см3, обладает всеми металлическими свойствами.

При нагреве испытывает аллотропические превращения по следующей схеме:

Feα → 911 °C Feγ→ 1392 °C → 1539 °C Feα(δ)

ОЦК	ГЦК	ОЦК
До 768 °С железо магнитно,		выше 768 °С – парамагнитно;

768 °С – точка Кюри.

Углерод (С) в железоуглеродистых сплавах находится в химически связанном или свободном состоянии, у углерода tпл = 4000 °С;

ρ = 2,2 г/см3.

Имеет две аллотропические модификации: графита – гексагональная решетка и алмаза – сложная кубическая решетка.

4.2.Компоненты и фазы системы железо – углерод

Взависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд однофазных и двухфазных составляющих фаз.

К однофазным составляющим относятся следующие:

1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в Feα. Формула феррита [Feα(C)]. Имеет ОЦК решетку. Растворимость уг-

лерода в Feα – 0,025 % при t = 727 °С, а при 20 °С – 0,006 % (об.).

24

2.Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ. Формула аустенита Feγ [(C)]. Имеет ГЦК решетку. Растворимость углерода в Feγ 2,14 % при t = 1147 °С, 0,8 % при 727 °С. Немагнитен, пластичен.

3.Цементит (Ц) – карбид железа. Его формула [Fe3C]. Содержит 6,67 % углерода. Цементит очень твердый, хрупкий, царапает стекло. Имеет сложную кристаллическую решетку.

К двухфазным составляющим относятся следующие:

1.Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита. Содержит 0,8 % углерода. Образуется при t = 727 °С в результате распада твердого раствора аустенита: А (727 °С) → П(Ф+Ц).

Превращение твердого раствора с образованием механической смеси кристаллов называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов называется– эвтектоидом. Перлит – это эвтектоид!

2.Ледебурит (Л) – механическая смесь, образовавшаяся из жидкого чугуна при t = 1147 °С с содержанием углерода 4,3 %. Ледебурит имеет два состава. При температуре выше 727 °С он состоит из механической смеси аустенита и цементита, а при температуре ниже 727 °С – из перлита и цементита:

Превращение жидкости с образованием механической смеси кристаллов называется эвтектическим, а смесь полученных кристал-

лов – эвтектикой. Ледебурит – это эвтектика!

Для объединения двухфазных и однофазных составляющих весьма полезна схема, приведенная к температуре 727 °С (рис. 4.1).

К железоуглеродистым сплавам относятся техническое железо, сталь и чугун. Сталь – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 0,025 до 2,14 %; чугун – сплав железа с углеродом с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 %.

25

Рис. 4.1. Схема объединения двух- и однофазных составляющих при температуре 727 °С

4.3. Диаграмма состояния железо – цементит

Диаграмма состояния – графическое изображение равновесного превращения сплава в координатах температура – концентрация.

Для понимания диаграммы состояния железо – цементит (рис. 4.2) необходимо установить, какие превращения происходят в стальном (2,14 % C) и чугунном (2,14–6,67 % C) углах.

Рис. 4.2. Диаграмма состояния железо – цементит

26

1. В стальном углу происходит превращение аустенита в перлит по эвтектоидной реакции с образованием механической смеси

(Ф+Ц):

А[Feγ C] →727 °С → П [Ф [Feα(C) ] + Ц (Fe3C)].

2. В чугунном углу жидкий чугун при температуре 1147 °С распадается по эвтектической реакции и образует ледебурит, который в зависимости от температуры имеет два состава:

Чем отличается эвтектика от эвтектоида?

Эвтектоид образуется из твердого состояния, а эвтектика – из жидкого состояния.

По отношению к перлиту стали классифицируют следующим образом:

с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % С, называются доэвтектоидными; их структурный состав (Ф+П);

с содержанием углерода 0,8 % С – эвтектоидные, их структурный состав (П);

с содержанием углерода от 0,8 до 2,14 % С – заэвтектоидные, их структурный состав (П+Ц).

4.4. Классификация и маркировка углеродистых сталей

По общему содержанию углерода стали подразделяют на следующие:

с 0,025–0,3 % С называются малоуглеродистыми;

с 0,3–0,65 % С – среднеуглеродистыми;

более 0,65 % С – высокоуглеродистыми.

По применению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные.

27

Конструкционные стали содержат менее о,8 % и используются при изготовлении строительных конструкций и различных изделий. Они бывают обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества содержат повышенное содержание серы и фосфора (0,06–0,07 %) и неметаллических включений. Они делятся на 7 групп.

Качественные стали содержат примерно в 2 раза меньше примесей и особенно серы и фосфора (0,035 %), обладают повышенным комплексом механических свойств и используются в ответственных деталях машин.

Стали обыкновенного качества маркируют буквами «ст», далее ставится номер группы, и после этого ставятся две буквы, обозначающие степень раскисления стали: «кп» – кипящая; «сп» – спокойная; «пс» – полуспокойная. Например: ст 3 пс – сталь конструкционная, обыкновенного качества, 3-й группы, полуспокойная.

Качественные стали маркируют словом «сталь» и далее ставится двузначная цифра, обозначающая содержание углерода в сотых долях процента. Например: сталь45 – сталь конструкционная, качественная с содержанием углерода 0,45 %.

Принадлежность к инструментальным сталям обозначается буквой У и далее ставится цифра, обозначающая содержание углерода в десятых долях процента. Например: У12А – сталь инструментальная с содержанием углерода 1,2 %, высококачественная. Буква А в конце маркировки обозначает, что сталь высококачественная.

4.5. Классификация и маркировка чугунов

Чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % С называют-

ся доэвтектическими, с содержанием 4,3 % С – эвтектическими,

с содержанием от 4,3 до 6,67 % – заэвтектическими.

Чугуны по сравнению со сталями имеют повышенное содержание углерода (2,2–4 %), кремния (0,8–2 %) и элементов, способствующих выделению графита в свободном состоянии.

В зависимости от формы и размеров выделения графита чугуны делят на белые, серые, ковкие и высокопрочные.

28

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, поэтому они очень твердые

ихрупкие и не нашли широкого применения в технике. Это чугуны, которые мы видим на диаграмме состояния. А вот модификацией этих чугунов, т.е. введением различных добавок и соответствующей термообработкой, получают серые, ковкие и высокопрочные чугуны, нашедшие широкое применение в технике.

Всерых (литейных) чугунах содержится до 3,8 % углерода,

причем в форме цементита не более 0,8 %, остальной углерод присутствует в виде графита пластинчатой формы, что является его особенностью.

Взависимости от содержания кремния и скорости охлаждения серый чугун имеет ферритную, феррито-перлитную или перлитную сталистую основу.

Маркируют серый чугун буквами «сч» и цифрой, указывающей на предел прочности при растяжении. Например: сч15, цифра

показывает, что σв = 150 МПа.

Из серого чугуна изготавливают неответственные детали: корпуса редукторов, подшипников, фундаментные плиты.

Вковком чугуне графит находится в виде хлопьев. Этот чугун обладает высокими прочностными и пластическими характеристиками. Как и серый, он может иметь ферритную, феррито-перлитную или перлитную сталистую основу.

Получают его длительным отжигом белого чугуна (950–980 °С). При этом свободный углерод образует хлопья при распаде цементита.

Маркируют ковкий чугун буквами «кч» и двумя цифрами. Первая цифра указывает на предел прочности на растяжение, а вторая – на относительное удлинение в процентах. Например: кч45-10 –

ковкий чугун с пределом прочности σв = 450 МПа и относительным удлинением δ = 10 %.

Ковкий чугун обладает хорошей коррозионной стойкостью. Изготавливают из него подшипники, кронштейны, поршни, ступицы

ит.д.

Высокопрочный чугун содержит 3–3,6 % углерода. Его получают добавкой в серый чугун модификаторов – магния и алюминия

29

(по 0,5 %). Его особенностью является выделяющийся свободный графит в виде шаров. Он, как и все чугуны, может иметь ферритную, феррито-перлитную и перлитную сталистые основы.

Маркируют высокопрочный чугун буквами «вч»и двумя цифрами. Первая цифра обозначает предел прочности на разрыв (σв), а вторая – относительное удлинение (δ) в процентах. Например: вч50-2 – высокопрочный чугун, имеющий предел прочности σв = 500 МПа и относительное удлинение δ = 2 %.

Изготавливают ответственные детали: коленчатые валы, зубчатые колеса, корпуса автомоторов, элементы турбин и т.д.

Высокие механические свойства высокопрочного чугуна определяет его шаровидная форма графита.

Контрольные вопросы

1.Изобразите схему аллотропических превращений железа.

2.Дайте определение феррита и изобразите его формулу.

3.Дайте определение аустенита и изобразите его формулу.

4.Что такое цементит и какова его формула?

5.Дайте характеристику перлиту.

6.Дайте характеристику ледебуриту.

7.Что такое стали?

8.Какое превращение происходит в стальном углу?

9.Что такое чугуны?

10.Какое превращение происходит в чугунном углу?

11.Как маркируют стали обыкновенного качества? Пример.

12.Как маркируют конструкционные качественные стали?

Пример.

13.Как маркируют инструментальные стали? Пример.

14.Как маркируют серые чугуны и какова их основная особенность?

15.Как маркируют ковкие и высокопрочные чугуны и какова особенность этих чугунов?

16.Какому из чугунов следует отдать предпочтение по механическим свойствам и почему?

30