книги / Технология металлов

ниже 723° С; твердость его при низкой температуре 200—250 НВ. ♦Кроме указанных фаз, имеются структурные составляющие,

представляющие собой композицию из нескольких фаз.

Л е д е б у р и т — э в т е к т и ч е с к а я с м е с ь а у с т е н и т а

723° С аустенит превращается в перлит, то и в ледебурите ниже 723° С присутствует не аустенит, а перлит. Такой ледебурит на­

Метастабильная диаграмма железо — углерод состоит из не­ скольких областей, окаймленных различными линиями.

Буквами ABCD обозначена линия ликвидус и буквами AHIECF линия солидус. Между указанными линиями сплав со­ стоит из двух фаз: между линиями АВ и АНВ находится жид­ кий раствор плюс твердый раствор б-Fe, Между линиями ВС и IEC — жидкий раствор плюс твердый раствору. Между ли­ ниями CD и CF — жидкий раствор плюс первичный цементит.

В области NIESGN расположена аустенитная область-. Горизбнтальная линия ECF характеризует эвтектическое превраще­ ние, протекающее при 1130° С, а горизонтальная линия PSK ха­ рактеризует эвтектоидное превращение, протекающее при 723° С.

В области GSPG находится феррит плюс аустенит; в области ESOE.— аустенит плюс вторичный цементит; в области ECLOE — аустенит плюс вторичный цементит и плюс ледебурит; в обла­ сти CFKLC — ледебурит плюс вторичный цементит; в областях AHN и GPQ находится феррит.

Соответственно с диаграммой по условиям происхождения цементит разделяется на пе р в ич ный, выделяющийся из жид­ кого раствора по линии CD (линия равновесия жидкого раство­

с третичным цементитом).

Температура (точки) превращения железа из одной модифи­ кации в другую, эвтектоидного и магнитного превращений назы­ ваются критическими.

Точка А\ соответствует температуре превращения перлита а

Точка А3 соответствует температуре превращения a-Fe-> -^Y-Fe (910° С) и обратно.

Точки А хи А3называются также точками Чернова.

Реальные температуры превращения при охлаждении и при нагреве отличаются друг от друга, поэтому при нагреве пишут, например Aelf а при охлаждении Агх.

Температура 910° С для точки А3 соответствует превращению чистого железа. Если в y-Fe содержится углерод, то положе­ ние точки А3 на диаграмме Fe—Fe3C снижается (линия GS). При температуре 768° С точка А3 сливается с А2, а при температуре 723°С — с А\.

Рис. 44. Левый участок диаграммы Fe — РезС и кривые охлаждения для сплавов с 0,6; 0,8 и 1,2% С

Сплавы, содержащие до 2,0% С, называются сталями, а со­ держащие >2,0% С — чугунами.

Рассмотрим последовательно характер образования структур для сталей и чугунов в процессе их охлаждения от жидкого со­ стояния до комнатных температур.

На рис. 44 приведен левый участок диаграммы и кривые ох­ лаждения для сталей с 0,6; 0,8 и 1,2% С.

При достижении сплавом (0,6% С) температуры ликвидус начинают выделяться кристаллы аустенита. Между температу­ рами ликвидус и солидус присутствуют жидкий раствор и аусте­ нит. При достижении температуры солидус весь жидкий раствор превращается в аустенит. При дальнейшем охлаждении аусте­ нит достигает линии равновесия GS (равновесия аустенита с фер­ ритом) 7-Fe начинает пересыщаться ферритом и из него выде­ ляются феррит с концентрацией, соответствующей равновесной линии GP. По мере выделения феррита остаток аустенита стано­ вится богаче углеродом, а при температуре А\ приобретает кон-

жидкой фазы остается и тем в большем количестве, чем ближ-е была концентрация углерода в исходном сплаве к эвтектической (4,3% С), Но поскольку выделялся аустенит, концентрация ос­ татка жидкого раствора стала богаче углеродом до 4,3% и рас­ палась на аустенит и цементит, т. е. превратилась в сплав эвтек­ тического состава (дедебурит). При дальнейшем охлаждении кристаллы первичного аустенита пересыщаются и из них выде­ ляется вторичный цементит в соответствии с линией равновесия ES. При достижении точки А\ в аустените остается 0,8% углеро­ да и он превращается в перлит.

Окончательная структура чугуна: перлит плюс вторичный цементит плюс ледебурит.

Рис. 46. Правый участок диаграммы F e — Fe3C и кривые охлаждения для сплавов с 3,0; 4,3 и 5,0% С

При охлаждении сплава с 4,3% С до 1130°С жидкий сплав, затвердевает и образуется ледебурит (смесь цементита с аусте­ нитом). При дальнейшем охлаждении из аустенитной части ле­ дебурита выделяется цементит, аустенит обедняется углеродом и, когда охлаждение достигает точки превращается в перлит. Окончательная структура: ледебурит, состоящий из цементита и перлита.

При охлаждении сплава с 5,0% С и достижении им линии CD из жидкого раствора выделяется первичный цементит, жид­ кий раствор обедняется углеродом и при эвтектической темпера­

скими.

Углеродистые стали

По структуре стали делят на феррито-перлитные (доэвтектоидные), перлитные (эвтектоидные) и перлитно-цементитные (заэвтектоидные).

Поскольку железоуглеродистые сплавы по структуре пред­ ставляют собой механические смеси феррита с цементитом, то и свойства этих сплавов в значительной степени определяются эти­ ми структурными особенностями.

Феррит имеет большую плас­ тичность (относительное удли­ нение 30—35%), малую проч­ ность (оь„ = 30—35 кг/мм2) и

малую твердость (80—90 НВ). Цементит весьма тверд (700— 800 НВ) и хрупок. Пластинча­ тый перлит имеет Оь 80—

.90 кг/мм2, относительное удли­ нение 5—8% и твердость 240— 260 НВ.

По мере того, как в структу­ ре возрастает количество пер­ лита, растет прочность, но с по­ явлением структурно-свободно­ го цементита прочность начи­ нает снижаться, твердость же продолжает расти,

В соответствии с правилом отрезков для стали с содержанием до 0,8% С количество перлита

и феррита может быть определено по формуле

Я = о | *100; Ф = 1 0 0 -Я ,

где П — % перлита;

Ф— % феррита;

С— содержание углерода в определяемом образце стали. Поскольку механические свойства определяются их структу­

рой, они могут быть представлены следующей схемой (рис. 47). Между пределом прочности при растяжении аь. и твердостью

но Бринелю {НВ) существует примерная зависимость:

оь = 1/3 НВ.

По назначению стали делятся на строительные, конструкци­ онные и инструментальные.

Чем ниже содержание углерода, тем сталь мягче, легче ку­ ется и сваривается.

В нелегированных сталях содержится в известных количест­ вах кремний (до 0,37%) и марганец (до 0,7%). Это полезные примеси, они раскисляют сталь и улучшают ее качество.

Наряду с полезными примесями в сталях содержатся и вред­ ные примеси, которые очень сильно сказываются на ее качестве. Так, с е р а вызывает к р а с н о л о м к о с т ь (металл легко раз­

при температурах ниже нуля градусов). Существует еще явление с и н е л о м к о с т и (металл приобретает хрупкость в нагретом состоянии при 200—300°С). Синеломкость обычно бывает в не-

кой стали пишется буква Б, Т или М, что означает соответствен­ но: бессемеровская, томасовская, мартеновская.

Стали обыкновенного качества, согласно ГОСТ 380—50 по механическим свойствам маркируются следующим образом- (табл. 7).

Котлы, топки работают в нагретом состоянии и у них может возникнуть синеломкость, поэтому стали для этих целей долж­ ны быть дегазированы, т. е. содержать минимальные количества кислорода и особенно азота.

Марки с малым содержанием углерода Ст. 1, Ст. 2 и особен­ но Ст. 3 применяют для сортового проката (строительные кон­ струкции, мосты, краны, крюки, плуги и т. п.), а с более высоким

поставляют их по химическому составу и большей частью изде­ лия из них подвергают термической обработке для улучшения механических свойств.

Качественные стали (ГОСТ В—1050—41) выпускают следу­ ющих марок: 08,10,15,20,25,30, 35, 40,45,50,55, 60, 65. Эти мар­ ки характеризуют среднее содержание сотых долей процента углерода. В качественных сталях допускается до 0,045% Р и S (каждого в отдельности), 0,17—0,37% Si, до 0,8% Мп.

Получают качественные стали с повышенным содержанием марганца (до 1,0%); в этих случаях они маркируются с буквой i:t(15r, 20Г, ЗОГ, 40Г, 50Г).

Кипящие (нераскисленные) стали содержат следы кремния '(до 0,03%), мало марганца (менее 0,5%) и бывают только ма­ лоуглеродистые (08кп, Юкп, 15кп); они хорошо пластически деформируются.

Вобщем виде можно указать следующее применение сталей

взависимости от содержания углерода:

В ряде случаев сложные по конфигурации изделия произво­ дят не штамповкой, а методом литья, для чего применяют не­ сколько иную маркировку: 15—4020, 25—4518, 35—5019, 45— '5512, 35—6010. Первые две цифры характеризуют содержание углерода в сотых долях процента, средние две цифры — с„, кг!мм2, а последние две цифры — а, %.

Для инструментов применяется инструментальная сталь. Ин­ струмент всегда подвергают специальной термической обработке.

Для ударного инструмента применяется сталь с содержанием 0,65—0,90% С, а для режущего инструмента — 0,8—1,4% С.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—54) — это высококачественные стали. Они выплавляются в мартенов­ ских и электрических печах и бывают следующих марок: У7, У8* У9, У10, У11, У12, У13. В этих сталях номер марки означает сред­ нее содержание углерода в десятых долях процента. Они содер­ жат до 0,03% S и до 0,035% Р. Буква А в конце марки (например, У8А) указывает на особую чистоту по сере и фосфору (до 0,02% S и до 0’03% Р). Буква Г на конце (например, У8Г) озна­ чает, что сталь содержит до 0,35—0,6% Мп, вместо 0,15—0,4%.

Чугуны

Чугунами, как мы уже указывали, называются железоуглеро­ дистые сплавы, содержащие более 2,0% С.

Чугуны, у которых углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, весьма тверды и хрупки, не подда­ ются механической обработке и имеют ограниченное применение

Наибольшее практическое значение имеют чугуны, у которых углерод находится частично или полностью в свободном состоя­ нии в виде графита. Благодаря этому чугун приобретает требуе­ мые конструктивные свойства.

Графит может получаться как непосредственно в процессе остывания отливки в формах вследствие медленного охлаждения и содержания достаточного количества графитообразующих эле­ ментов Si и С, так и вследствие специального графитизирующего отжига, благодаря которому распадается цементит по реакции

Fe3C 3Fe + Сгр.

Графит с железом образует систему, несколько отличающую­ ся от системы Fe—РезС. Если наложить диаграмму Fe—РезС на диаграмму Fe—Сгр, получается сдвиг линии. Пунктирные ли­ нии (рис. 45) характеризуют устойчивое (стабильное) равнове­ сие, а сплошные — неустойчивое (метастабильное) равновесие. Диаграмма служит основой для изучения чугунов, поскольку последние образуются как по стабильной, так-и по метастабильной системе.

Практически чугуны содержат углерода в пределах 2,5— 3,8%; они обладают более низкими температурами плавления и лучшими литейными свойствами по сравнению со сталью.

По состоянию и формам углерода чугуны разделяют на бе­ лые, половинчатые, серые, высокопрочные и ковкие.

Б е л ы е ч у г у н ы от остальных видов чугуна отличаются тем, что почти весь углерод у них находится в связанном состоя­ нии Fe3C. Вероятность получения последнего тем больше, чем быстрее остывает отливка, чем меньше она содержит графитизирующих примесей и больше карбидообразующих.

Чем больше в чугуне углерода, тем больше в структуре це­ ментита и тем чугун более тверд и хрупок. Белый чугун почти не поддается обработке режушдм инструментом.

Все другие чугуны в отличие от белого графитизированы. У них значительная часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита Сгр. Поэтому по структуре графитизированные чугуны можно рассматривать как сталь, пронизан­ ную графитными включениями. Чем качественнее металлическая основа и чем меньше графит ослабляет данную основу, тем луч­ ше чугун. Не меньшее значение имеет и форма графита.

П о л о в и н ч а т ы м ч у г у н о м называется чугун, в струк­ туре которого наряду с перлитом, вторичным цементитом и не­

которым количеством ледебурита имеется и эвтектический графит.

В серых, высокопрочных и ковких чугунах в структуре нет ледебурита, а углерода в связанном состоянии либо совсем нет,