Особливості залізовуглецевих сплавів

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

Особливості залізовуглецевих сплавів

Зміст

1. Діаграма стану залізо-вуглець

2. Сталі

3. Чавуни

4. Використана література

1. Діаграма стану залізо-вуглець

Найбільше поширення одержала діаграма залізо-вуглець, оскільки залізовуглецеві сплави складають основу металевих матеріалів, які використовує людина. Діаграма стану залізо-вуглець у графічній формі зображує фазовий склад сплаву в залежності від температури і концентрації вуглецю (рис. 1) і складається з трьох простих подвійних діаграм: подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і перитектичним перетворенням при 1499^оС, подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і евтектичним перетворенням при 1147^оС та подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і евтектоїдним перетворенням при 727^оС. Діаграма являє собою тільки частину повної діаграми залізо-вуглець і обмежується 7% вуглецю, власне це діаграма залізо-хімічна сполука заліза з вуглецем, що називається цементитом (Fe₃C) і містить 6,67% вуглецю. Цементит при низьких температурах слабо феромагнітний і губить магнітні властивості при 217^оС. Цементит досить твердий (>800НВ) і має практично нульову пластичність. Крім хімічної сполуки вуглець утворює з залізом обмежені тверді розчини: обмежений твердий розчин вуглецю в ?-залізі (ОЦК) називається феритом. Максимальний вміст вуглецю в фериті: для високотемпературної кристалічної гратки - 0,1% при 1499оС (т.H), а для низькотемпературної - 0,02% при 727^оС (т.Р). Обмежений твердий розчин вуглецю в ? -залізі (ГЦК) називається аустенітом. Максимальний вміст вуглецю в аустеніті-2,14% при температурі 1147^оС (т.Е).

На діаграмі вище лінії ліквідус (ABCD) знаходиться рідина (L), нижче лінії солідус (AHJECFD) тверда речовина, між солідусом і ліквідусом двохфазна твердо-рідка область. Три горизонтальні лінії на діаграмі відповідають температурам основних перетворень, що відбуваються з залізовуглецевими сплавами при охолодженні: перитектичному при 1499оС (лінія HJB), евтектичному при 1147^оС (лінія ECF) і евтектоїдному при 727оС (лінія PSK). Розглянемо більше детально основні перетворення і структури, що утворюються при охолодженні залізовуглецевих сплавів.

При охолодженні рідкого сплаву нижче температури, що характеризується кривою АВ утворюються перші кристали твердої речовини - твердого розчину вуглецю в ?-залізі, тобто фериту і область ABJH буде мати двохфазну структуру: рідини та фериту. Нижче лінії AH кристалізація закінчилась і структура сплаву буде складатись тільки з зерен фериту (область AHN). Якщо вміст вуглецю в сплаві від 0,1 до 0,5%, то в процесі охолодження при температурі 1499оС протікає перитектична реакція: рідина складу т.В взаємодіє з кристалами фериту, склад яких визначається т.H і утворюються кристали аустеніту складу т.J.

L_B+Ф_HA_J Таким чином після проходження перитектичного перетворення на діаграмі мають місце три області: двохфазна ферито-аустенітна (HJN), однофазна (JESGN) та двохфазна, що складається з рідини та зерен аустеніту (JBCE).

При охолодженні аустеніту (область NGSEJ) в результаті зниження температури стійкість гранецентрованої гратки зменшується та зростає ймовірність утворення об’ємноцентрованої гратки. Нижче температури, що характеризується лінією GS появляються перші кристали твердого розчину на основі об’ємноцентрованої кристалічної гратки, тобто ферит, утворюється двохфазна ферито-аустенітна область (GSP). Для сплавів з вмістом вуглецю більше 0,8% при проходженні в процесі охолодження лінії SE, в результаті зменшення розчинності надлишок вуглецю виділиться в вигляді хімічної сполуки – цементиту, який називають вторинним (Ц11), і утвориться зона двохфазної аустенітно-цементитної структури. При подальшому охолодженні для сплавів з вмістом вуглецю менше 0,02% при переході через температуру, що визначається лінією GP закінчується перебудова кристалічної гратки і отримуємо однофазну феритну структуру (область GSP). Сплави, що мають вміст вуглецю більше ніж 0,02% і менше ніж 0,8% зазнають евтектоїдного перетворення при температурі 727оС. Аустеніт складу т.S розпадається з утворенням суміші зерен фериту складу т.P та цементиту складу т.К.

Ферито-цементитна евтектоїдна суміш називається перлітом (П). Таким чином, нижче температури евтектоїдного перетворення будуть присутні зерна фериту, який виділився раніше в області GSP, та зерна перліту. Для сплавів з вмістом вуглецю менше 0,02% через зменшення розчинності вуглецю надлишок його буде виділятися в вигляді цементиту, який називають третинним (Ц111) і створиться двохфазна ферито-цементитна структура. В сплавах з вмістом вуглецю більше 0,8% також проходить аналогічна евтектоїдна реакція і отримуємо двохфазну перліто-цементитну структуру.

Для сплавів з вмістом вуглецю більше 2,14% при зниженні температури з рідини утворюються кристали аустеніту (область BCEJ), а для сплавів з вмістом – більше ніж 4,3% з рідини утворюються кристали цементиту, який називають первинним (Ц1) (область DCF). При температурі 1147оС проходить евтектичне перетворення. З рідини складу т.С одночасно виділяється суміш зерен аустеніту складу т.Е та цементиту складу т.F.

Евтектична механічна суміш аустеніту та цементиту називається ледебуритом. Таким чином, для доевтектичних сплавів (вміст вуглецю менше 4,3%) утворюється аустеніто-ледебуритна структура, а для заевтектоїдних (вміст вуглецю більше 4,3%) – цементито-ледебуритна. При температурі 727оС проходить евтектоїдне перетворення, про яке було сказано раніше: аустеніт розпадається на ферито-цементитну суміш – перліт. Утворюється зона кристалів перліту та ледебуриту для доевтектичних сплавів і цементиту та ледебуриту для заевтектичних Таким чином, для доевтектичних сплавів (вміст вуглецю менше 4,3%) утворюється аустеніто-ледебуритна структура, а для заевтектоїдних (вміст вуглецю більше 4,3%) – цементито-ледебуритна. При температурі 727оС проходить евтектоїдне перетворення, про яке було сказано раніше: аустеніт розпадається на ферито-цементитну суміш – перліт. Утворюється зона кристалів перліту та ледебуриту для доевтектичних сплавів і цементиту та ледебуриту для заевтектичних.

2. Сталь

Сталь— сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю. За вмістом вуглецю сталі поділяють на дві групи: м'яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю) тверда сталь (містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю).

Сталь отримано з чавуну у II ст. до Р.Х. китайськими металургами. Спосіб отримав назву „сто очищувань” і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрям розплавленого чавуну при його перемішуванні. Це приводило до зменшення частки вуглецю в металі й наближенні його до властивостей сталі. Винахід сталі згадується у трактаті „Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.).

У Європі подібний спосіб пудлінгування був освоєний лише у другій половині ХVIII ст. (патенти братів Томаса і Джорджа Кранеджі та Г. Корта).

Найвідоміші сталі це Булатна і Дамаська .З найдавніших часів булат був предметом вищої гордості і поклоніння народів Сходу і Заходу. Булатні клинки НЕ тупилися і НЕ зазубрівалісь навіть при розрубаніі залізних прутів і цвяхів, пороли на льоту шовкову газову тканину. Ознакою булату була наявність візерунків на його поверхні: чим більша візерунок і темніше грунт, тим якісніше сталь. Поверхня булатного зброї блищала червонуватим або золотистим кольором, воно добре гнулося і видавало характерний і дуже чистий дзвін.

Батьківщиною булату була Індія. Його проводили також на Середньому та Близькому Сході, Кавказі та прилеглих до нього землях. Рецепти виготовлення булату, оповиті таємничими ритуалами, передавалися по спадщину і становили родову таємницю, проникнути в яку не могли ні на Заході, ні на Русі. Як писав Аносов: «... булат в Росії давно були відомі, хоча мистецтво приготування їх ніколи не існувало ».

Зараз сталь отримують такими способами:

- Киснево-конверторний спосіб

- Бесемерівський процес

- Томасівський спосіб

- Мартенівський спосіб одержання сталі

- Електротермічний спосіб одержання сталі

Всі сталі класифікують за такими основними ознаками. За хімічним складом - на вуглецеві та леговані. За концентрацією вуглецю ті і інші поділяють на низьковуглецеві (<0,3% С), середньову-глецеві (0,3 - 0,7% С) і високовуглецеві ( >0,7% С). За кількістю введених елементів леговані сталі розділяють на низьколеговані з сумарним вмістом легуючих елементів до 5%, середньолеговані - 5 - 10% і високолеговані - більше 10%.

За якістю сталі поділяють на сталі звичайної якості - вміст S до 0,055% і Рдо 0,045%, якісні - не більше 0,04% Sі 0,035% Р, високоякісні - не більше 0,025% S і 0,025% Р, особливо високоякісні - не більше 0,015% S та 0,025% Р.

За ступенем розкислення сталі поділяють на спокійні (сп), розкислені повністю марганцем, кремнієм і алюмінієм; киплячі (кп) , розкислені не повністю і лише марганцем; напівспокійні (пс), що займають проміжне значення поміж спокійними та киплячими, розкислені марганцем та кремнієм.

За призначенням сталі діляться на конструкційні, інструментальні та сталі зі спеціальними фізико-хімічними властивостями.

Вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості найбільш дешеві. їх випускають у вигляді різного прокату. В залежності від гарантованих показників вони діляться на три групи: А, Б, В. Сталі групи А поставляють з гарантованими механічними властивостями. Маркують їх сполученням букв Ст і цифрою (від 0 до 6), що показує номер марки.

Сталі групи Б поставляють з гарантованим хімічним складом. В марці цих сталей перед сполученням букв Ст ставиться буква, що вказує на спосіб виплавлення сталей: Б -бесемерівська, М- мартенівська, К - киснево-конверторна.

Сталі групи В поставляють з гарантованими механічними властивостями та хімічним складом. Марка цих сталей перед сполученням Ст має букву В. Ступінь розкислення конструкційних сталей позначається додаванням в кінці марки відповідного індексу: сп, кп або пс. В марці спокійної сталі такий індекс може бути відсутнім. Чим більша цифра в марці сталей, тим вище вміст в сталі вуглецю, вище її міцність і твердість, але нижче пластичність та в'язкість. Наприклад, декілька марок конструкційних сталей звичайної якості: МСт4пс, ВСтЗсп.

Вуглецеві конструкційні якісні сталі маркіруються двохзначними числами 05, 08, 10, 15, 20...85, що означають середній вміст вуглецю в сотих долях відсотків. Наприклад, сталь 10 містить в середньому 0,10% С, сталь 45 - 0,45% С і т.д.

Вуглецеві інструментальні сталі виробляють якісними У7, У8, У9...У13 і високоякісними У7А, У8А... У13А. Буква У в марці показує, що сталь вуглецева, а число - середній вміст вуглецю в десятих долях відсотків.

Маркування легованих сталей складається з сполучення букв та цифр, що означають їх хімічний склад. Прийнято позначати хром - X, нікель - Н, марганець - Г, кремній - С, молібден - М, вольфрам - В, Титан - Т, ванадій - Ф, алюміній - Ю, мідь - Д ніобій - Б, бор - Р, кобальт - К, цирконій - Ц, фосфор - П, рідко земельні метали - Ч, азот - А. Цифра, що стоїть після букви, вказує на приблизний вміст легуючого елементу у відсотках. Якщо цифра відсутня, то легуючого елементу біля 1,0%. Число на початку марки легованої сталі показує вміст вуглецю в сотих долях відсотків. При відсутності числа на початку марки вуглецю у сталі біля 1,0%. Наприклад, сталь 20ХНЗ в середньому містить 0,20% С, 1% Сr, 3,9% Ni, а сталь ХВГ- 1% С, 1% Сr, 1% W, 1% Мп.

За якістю леговані сталі бувають якісні, високоякісні та особливовисокоякісні. Якщо сталь високоякісна означає буква А в кінці марки, особливовисокоякісна - буква Ш в кінці марки: наприклад, 20ХНЗ-А - сталь високоякісна, 30ХГС-Ш - особливовисокоякісна.

Призначення легованих сталей визначається їх хімічним складом. Конструкційні леговані сталі містять вуглецю приблизно до 0,45-0,50% (наприклад, сталі 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Інструментальні леговані сталі характеризуються більшим вмістом вуглецю (наприклад, сталі 60ХВ2С, 90ХС, ХВГ). В той же час інструментальні сталі, леговані такими елементами як вольфрам, ванадій, молібден можуть мати і меншу кількість вуглецю (наприклад, сталі 30Х2В8Ф, 40ХВ2С, 40Х2В5ФМ, 50ХНМ, 50ХГМ).

Леговані сталі зі спеціальними фізико-хімічними властивостями складають особливу групу сталей. Це, в більшості, сталі середньо- та високолеговані. До них відносять, наприклад, ресорно-пружинні сталі, що мають високий модуль пружності (50С2, 60С2, 65Г, 70СЗА, 50ХФА, 60С2Н2А); жаростійкі та жароміцні сталі, які володіють підвищеними механічними властивостями при високих температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б); корозійностійкі або нержавіючі сталі стійкі проти дії зовнішнього середовища (08X13, 40X13, 12X17, 15X28, 12Х18Н8); зносостійкі сталі (ШХ15, 30Х10Г10, 110Г13Л).

Більш докладніші відомості про спеціальні сталі, їх призначення та властивості у відповідних стандартах.

Марки деяких груп вуглецевих та легованих сталей мають свої особливості, що вказують на належність до цієї групи.

Так, швидкорізальні інструментальні сталі позначаються літерою Р (рапід - швидкість) на початку марки. Цифри після літери Р вказують на вміст основного легуючого елементу - вольфраму у цілих відсотках. Крім того до складу швидкоріжучих сталей входить до 4,5% хрома та до 2,5% ванадія, які в марці не позначаються. При більш високому вмісту ванадію його середня кількість позначається у марці. Наприклад, сталь Р6М5 містить 0,85-0,95% С, 5,5-6,5% W, 3,0-3,6% Мо, 3,0-3,6% Сr, 2,0-2,5% V, а сталь Р9Ф5 - 1,4- 1,5% С, 9,0-10,5% W, 4,3-5,1% V, 3,8-4,4% Сr.

Марка підшипникових сталей починається з літери Ш, далі іде літера X(хром), цифри, що вказують на вміст хрому в десятих долях відсотків. Наприклад, сталі марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 містять біля 1% С і відповідно 0,6; 0,9; 1,5% Сr. Ці сталі додатково можуть бути леговані кремнієм до 0,85%) і марганцем до 1,7% (наприклад, сталі ШХ15ГС, ШХ20ГС).

Ливарні вуглецеві сталі для одержання фасонних виливків маркуються двозначним числом, яке показує середній вміст вуглецю у сотих долях відсотків, після числа ставиться літера Л. Леговані ливарні сталі маркуються відповідно з загальноприйнятою системою, а в кінці марки ставиться літера Л. Для визначення ступеню відповідальності виливків у марки ливарних сталей, як правило, після літери Л через дефіс записується римська цифра /, // або III: І - виливки загального призначення; II - відповідального призначення; III - особливо відповідального призначення. Наприклад, 30Л-І, 35ХМЛ-І1, 110Г13Л-Ш.

Автоматні сталі із збільшеним вмістом сірки і додатково леговані свинцем (0,15- 0,35%) - С. селеном (0,08-0,30%)) - Е, кальцієм (0,002-0,008%))- Ц. Вони мають особливо гарну обробляємість різанням, тому застосовуються для обробки на верстатах-автоматах. На початку марки цих сталей ставиться літера А, після якої записується двозначне число, що показує середній вміст вуглецю у сотих долях відсотків. Наприклад, А12, АС14, АЦЗОХН, А35Е.

3 Чавуни

залізовуглецева сталь чавун сплав

Чавунами називають залізновуглецеві сплави, що містять більше 2,14% С. Постійних домішок в них також більше, чим в сталях.

Перша згадка про чавун зустрічається у китайському літописі „Цзочжуань” у записі, що стосується 513 р. до Р.Х.

Перший європейський чавун виплавляли на теренах Священної Римської імперії наприкінці ХIV ст., майже одночасно в австрійській Штирії та Північній Італії

З 1500 р. до 1700 р. світова виплавка чавуну зросла приблизно з 60 тис. т. до 104 тис. т. (в 1,7 разів), а за все XVII ст. з 104 тис. т. до 278 тис. т. (1790), тобто в 2,67 разів. А за наступні 80 років з 1790 по 1870 виплавка чавуну склала 12 млн. т., що в 43 рази більше ніж у 1790

В залежності від того, в якій формі присутній вуглець в сплавах, розрізняють білі, сірі, звичайні високоміцні та ковкі чавуни. Назва білих і сірих чавунів визначається кольором злому, назва ковкого - умовна.

Сірі, звичайні міцні і ковкі чавуни розрізняються умовами утворення графітних включень та їх формою, що відображується на механічних властивостях виливків.

Сірими звичайними називають чавуни з пластинчатою формою графіту. При маркуванні позначається буквами СЧ та двозначним числом, що показує найменше допустиме значення межі міцності при розтягуванні (в МПа), зменшене в 10 разів. Наприклад, СЧ15, СЧ25 (σ_в >150 МПа).

Високоміцними називають чавуни , в яких графіт має кулясту форму. Маркірують високоміцні чавуни двома буквами ВЧ і двома числами, розділеними рискою: перше число показує найменше допустиме значення межі міцності на розтягування ( в МПа), зменшене в 10 разів, а друге - відносне подовження (у відсотках). Наприклад, ВЧ38-17 (σ_в >380 МПа, δ > 17%).

Ковкими називають чавуни, в яких графіт має пластівчасту форму. Принцип маркування той же, що і високоміцних чавунів. Наприклад, КЧЗО-6 (σ_в > 300 МПа, δ > 6%).

Використана література

1. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.: Машиностроение, 1986.—384 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов - 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с

3. Технология конструкционных материалов. /А.М.Дальский й др. Учебник для ВУЗов. - М.: Машиностроение, 1987 - 664 с.

4. Маталин А.А. Технология машиностроения. Учебник для ВУЗов. Машиностроение, 1985 - 496с.

5. Хубка В. Теория технических систем.: Пер.с нем. - М.:Мир, 1987 - 208 с.

6. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н. Технология машиностроения.