Тема 3. Железо и его сплавы.

Диаграмма состояния «Железо-цементит». Построения кривых охлаждения (нагрева) для железоуглеродистых сплавов с применением правила фаз. Классификация углеродистых сталей по структуре, качеству и степени раскисления. Маркировка и назначение углеродистых сталей. Классификация и маркировка чугунов. Свойства, назначение и способы получения белых, серых ковких и высокопрочных чугунов. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и на превращение в сталях. Получение сталей ферритного, мартенситного, ледебуритного и аустенитного класса. Маркировка, свойства и назначения легированных сталей.

Методические указания.

Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Поэтому изучение диаграммы состояния «железо-углерод» является основной задачей в подготовке специалистов машиностроительных предприятий. Указанная диаграмма (см. приложение рис. 2) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита Fe₃С (6,67% углерода). На диаграмме Fe – Fe₃C показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Характерными линиями являются также линия НJB, ECF и PSK. При температуре (1499⁰С) (линия HJB) в сплавах протекает перитектическая реакция с образованием аустенита, состав которого по углероду соответствует точке «J».

При температуре 1147⁰С (линия ЕСF) в процессе охлаждения в сплавах протекает эвтектическая реакция с образованием ледебурита (Л) - смеси состоящей из аустенита (А) и цементита (Ц).

Линия РSК – линия эвтектоидного превращения, которая при охлаждении соответствует распаду аустенита с образованием эвтектоида – феррито - цементитной структуры, получившей название перлит.

Используя диаграмму «железо-углерод» рассмотрим изменения фазового состава сплава с содержанием 0,45% углерода. В приложении на рисунке 3. приведена кривая охлаждения для такого сплава. Точки на кривой охлаждения соответствуют точкам указанным на диаграмме Fe – Fe₃C (см. приложение рис.2)

При температуре 1499⁰С во время охлаждения сплава протекает перитектическая реакция, сущность которой состоит в следующем:

Образующийся аустенит имеет состав соответствующий точке «J». По содержанию углерода это 0,16%.

При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до температуры соответствующей точки 3 система состоит из аустенита и жидкости. Окончательный переход жидкости в аустенит завершается при этой температуре, между температурами точек 3 и 4 сплав имеет аустенитную структуру.

При температуре 727⁰С (точка 5) во время охлаждения сплава в нем протекает эвтектоидное превращение.

В результате этого превращения образуется механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, то есть перлит. Содержание углерода в этой смеси – 0,8%. Последующее охлаждение до комнатной температуры не вызывает дополнительных превращений и структура сплава состоит из перлита и феррита.

В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О₂, N₂, Н₂) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С<0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С~0,8%) структура «перлит», и заэвтектоидные (0,8< С £2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества. В таблице 2 приведены предельно – допустимые содержания вредных примесей в стали различного качества.

Таблица 2.

№	Качество стали	Содержание вредных примесей, в %	Интервал колебания по содержанию углерода	Условное обозначение
сера	фосфор
	Сталь обык-новенного качества	£0,06	£0,07	0,09	Ст.0 Ст.1 Ст.6
	Сталь качественная	£0,04	£0,035	0,08	Ст.45 40Х
	Сталь высо-кокачествен-ная	£0,025	£0,025	0,07	Буква «А» в конце маркировки
	Сталь особо-высокока-чественная	£0,015	£0,015	0,07	Буква «Ш» в конце маркировки

Легированные стали – сплавы, в состав которых введены химические элементы для придания специальных свойств. Поэтому в маркировке стали в обязательном порядке указывают наличие такого элемента. Каждый легирующий элемент обозначают строго определённой буквой, а его количество указывают цифрой после буквенного обозначения. Отсутствие цифры означает, что такого легирующего элемента составляет ~ 1¸1,5% и менее. Условное обозначение, Х – хром; Н – никель; Т – титан; С – кремний; М – молибден; Ю – алюминий; Ф – ванадий; В – вольфрам; Д – медь; Г – марганец; К – кобальт; Б – ниобий; А – азот; Р – бор.

Примеры обозначения углеродистых и легированных марок сталей:

Ст. 0; Ст. 1¸Ст. 6- углеродистые стали обыкновенного качества. Цифра указывает на порядковый номер.

Сталь 10, Сталь 15 и т.д. – Стали углеродистые качественные. Цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента, а именно 0,10%; 0,15% и т.д.

Сталь 40Х – сталь качественная легированная, содержащая углерода 0,4%; хрома ~ 1%, серы £0,035% и фосфора £0,035%.

Сталь 20Х2Н4ВА – сталь высококачественная легированная, содержащая: Углерод – 0,2%

Хром – 2%

Никель – 4%

Вольфрам < 1%

Сера £ 0,025%

Фосфор £ 0,025%

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (C, Мo, W, V, Si, Al и т.д.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура таких сталей при всех температурах состоит из легированного феррита. При высоком содержании в стали никеля и марганца при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Это класс сталей называют аустенитным. Кроме того, исходя из структуры полученной после охлаждения на воздухе, стали также бывают перлитного, мартенситного и карбидного классов.

На диаграмме Fe – Fe₃C сплавы с содержанием углерода более 2,14% относятся к чугунам. В зависимости от содержания углерода, белые чугуны подразделяются на доэвтектичекие (2,14 < С <4,3%), эвтектические (С~4,3%) и заэвтектические (4,3< С <6,67%). Белые чугуны обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Углерод в таких сплавах находится в связанном состоянии в виде цемента (Fe₃С). Это достигается за счёт высокой скорости кристаллизации расплава, и последующего ускоренного охлаждения изделий до температуры ниже точки А₁.

При очень маленькой скорости охлаждения, то есть когда степень переохлаждения расплава невелика в сплаве образуется графит. Выделение графита в основном происходит из жидкой фазы и, кроме того, количество его увеличивается за счет распада аустенита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серые, ковкие и высокопрочные. Чугуны маркируются следующим образом:

Ковкие – КЧ 30; КЧ 36 и тд.

Серые – СЧ 15; СЧ 40 и тд.

Высокопрочные – ВЧ 50; ВЧ 55 и тд.

Цифры указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении.

Формы графита в чугунах:

Серых – пластичная; ковких – хлопьевидная; высокопрочных – шаровидная. Серые чугуны получают за счет медленного охлаждения расплава и изделия в форме, ковкие – путём высокотемпературного длительного отжига, высокопрочные – модифицированием расплава магнием или церием. Чугуны применяют в автостроении, двигателестроении и других отраслях народного хозяйства, как конструкционные материалы.

Литература: [1, 118 – 156; 3, 159 - 222]

Вопросы для самопроверки.

1. Что такое перлит, феррит, аустенит, цементит и ледебурит?

2. В чём различие метастабильной и стабильной диаграммы Fe –Fe₃C (Fe - C)?

3. Как проводится маркировка углеродистых и легированных марок сталей и чугунов?

4. Дайте объяснение и укажите способы получения белых и графитовых чугунов?

5. Что такое критические точки А₁, А₂, А₃, А₄, и А_м?

6. Вычертите диаграмму Fe – Fe₃C, укажите структурное состояние во всех областях диаграммы и опишите превращение протекающие в сплавах при охлаждении при температурах 1499⁰С, 1147⁰С и 727⁰С?

7. Разберитесь в построении кривых охлаждения (нагрева) сплавов с различным содержанием углерода.