Особенности сплава железа с углеродом

Размещено на http://allbest.ru

Особенности сплава железа с углеродом

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них -- сталь и чугун -- представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже будет рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо--углерод, а также фазы в сплавах железо с легирующими элементами.

Обычно сталью, а тем более чугуном, называют, сплавы железа с углеродом (более 2% С --чугун,, менее 2% С --сталь).

Однако в свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа (с ними мы познакомимся ниже), в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом тем не менее такие сплавы также называются сталями.

Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50 /о, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически четко.

Чугун

Одним из наиболее распространенных материалов в машиностроении является чугун. Так же как и сталь, он представляет собой сплав железа с углеродом, но углерода в нем больше -- от 2,5 до 4 /о.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и некоторыми другими присадками. Чугун -- сплав железа с углеродом (более 2%) разделяют на нелегированный и легированный, содержащий хром, никель.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11% (2,14%). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы н фосфора, а иногда и другие элементы, вводили как легирующие добавки и для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие 2-4% С. Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок, так как он обладает хорошими литейными свойствами, лучшими по сравнению со сталью. Область применения чугуна как конструкционного материала расширяется вследствие повышенных прочностных эксплуатационных свойств, а также в результате разработки чугунов новых марок со специальными физическими (износостойкости) и химическими свойствами (жаропрочности и жаростойкости) при повышенных температурах (600 - 1000°С).

Машиностроительные чугуны обладают хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью, прочностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжения.

Из чугуна, представляющего собой сплав железа с углеродом (2,14--6,67 %), в который входят также постоянные примеси -- марганец, кремний, сера п фосфор, получают литые детали, подвергающиеся затем необходимой механической обработке.

В зависимости от содержания углерода и состояния, в котором углерод находится в чугуне (в свободном или химически связанном), различают чугуны серые и белые. сталь чугун железоуглеродистый сплав

Серый чугуне обладает пластичностью, но легко плавится и хорошо заполняет литейные формы. Он хорошо обрабатывается резанием и поэтому служит одним из основных материалов для изготовления деталей машин.

Чугун, как известно, -- это сплав железа с углеродом при содержании углерода 2,14 % и более. В белом чугуне углерод входит в состав цементита химического соединения железа с углеродом. Такой чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, и его применяют сравнительно редко. В чугуне других видов путем графитизации углерод частично или полностью переводят в свободное состояние -- графит. Применяют также отбеленный чугун белый снаружи и графитизированный во внутренней части изделия.

Чугунами называются нековкие литейные сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Наибольшее распространение получили чугуны с содержанием углерода от 2,8 до 3,5%. В чугуне, так же как и в стали, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор.

Чугун -- это исходный продукт, получаемый выплавкой из руды, он является сплавом железа с углеродом, причем от содержания последнего зависят свойства чугуна. Кроме углерода в чугуне содержатся некоторые примеси сера, фосфор, кремний и др., попадающие в него из руд или занесенные при плавке.

Чугун делится на литейный, ковкий и передельный. Литейный чугун идет на получение отливок, ковкий чугунполучается, если отливки подвергнуть особой обработке, при которой часть углерода с поверхности выгорает.

Из ковкого чугуна вырабатывают арматуру и многие детали для разных отраслей промышленности. Передельный чугун идет на переработку в сталь.

Чугуном называются сплавы железа с углеродом, кремнием и некоторыми другими примесями (в зависимости от марки чугуна и назначения отливки). Содержание углерода в чугуне составляет более 2%. Чугуны обладают хорошими литейными свойствами и (за исключением белых чугунов) хорошо поддаются механической обработке.

Сталь

Сталью называется группа сплавов железа с углеродом с содержанием последнего до 1,7% при содержании углерода свыше 1,7% сплав относится к группе чугунов.

Сталь -- сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную по назначению -- конструкционную, инструментальную и специальную по качеству -- обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.

Сталью называется сплав железа с углеродом (до 2%), поддающийся ковке и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода.

По способу получения сталь разделяют на бессемеровскую, конверторную (с продувкой кислородом), мартеновскую, электросталь, тигельную и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей). и тигельную.

Основным классификационным признаком является химический состав, который в своей массе не изменяется в зависимости от термической и других видов обработки, за исключением некоторого изменения поверхностных слоев при цементации, азотировании и других диффузионных процессах.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами, условно обозначаемыми буквами

X хром,

Г-марганец,

Н-никель,

С-кремний,

Ю-алюминий,

Т-титан,

Ф-ванадий,

В - вольфрам,

М молибден.

Основной продукцией черной металлургии является углеродистая сталь. Это сплав железа с углеродом, в котором углерода до 2,14%. Углеродистыми сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,0% С.

Обычная углеродистая сталь, кроме основных элементов (железа и углерода), содержит еще 0,3 -0,7% Mn 0,2 - 0,4% Si 0,01 - 0,05% Р и 0,01 - 0,04% S. Фосфор и сера являются примесями. Марганец и кремний вводят в сталь при ее производстве, а фосс1юр и сера попадают в нее в процессе выплавки непосредственно из руд и являются вредными примесями.

Стали -- это сплавы железа с углеродом и добавками других химических элементов, предназначенных для придания ей определенных свойств. По сравнению с другими материалами стали характеризуются высокой прочностью, пластичностью, хорошей обрабатываемостью.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, а также различными присадками. В машиностроении наиболее широко применяются следующие сорта стали углеродистые стали обыкновенного качества углеродистые конструкционные стали качественные (ГОСТ 1050--74) низколегированные и легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543--71).

Термообработка и фазовые превращения

Температуру проведения процессов термической обработки можно ориентировочно принимать по диаграмме сплавов железа с углеродом .

При нагреве в воздухе сплавы железа с углеродом подвергаются окислению, особенно быстрому при температурах выше 600 С, и покрываются продуктами коррозии.

Термообработка большинства сталей значительно улучшает их свойства. По составу стали разделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества (ГОСТ 380 -- 71), конструкционные качественные (ГОСТ 1050 -- 74).

Твердый раствор углерода в -у-железе. Предельная растворимость углерода в у железе 2% при 1130° С и 0,8% при 723 С. В чистых сплавах железа с углеродом и в низколегированной стали аустенит устойчив только при температурах выше Ах. Перлит - эвтектоид в сплавах железа с углеродом, состоит из феррита и цементита.

Каждому сплаву железа с углеродом соответствует точка на оси абсцисс диаграммы. Если через эту точку провести вертикальную прямую, то точки ее пересечения с линиями диаграммы дадут температуры, при которых происходят превращения в строении и состоянии сплава. Сплавы железа с углеродом, не содержащие эвтектики, относятся к сталям.

Превращения, происходящие в сплавах железа с углеродом, обратимы. Если структура эвтектоидной стали (0,8% С) при охлаждении ниже 723° С превращается из аустенита в перлит, то в процессе нагревания при 723° С произойдет обратное превращение -- перлита в аустенит. В обратном порядке происходят при нагревании структурные превращения в до- и заэвтектоидных сталях.

Сплавы железа с углеродом и после окончания кристаллизации имеют указанную выше различную структуру. Относительное количество структурных составляющих в сплавах с различным содержанием углерода можно определить по диаграмме Fe-C. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков при температурах < 727 °С они состоят из феррита и цементита.

Уже в начале XIX в. стало предельно ясным, что качество изделий из металлов или сплавов определяется не только процессами их производства.

К этому периоду относится ряд важных работ Байкова в области металлургии.

В научно-технических журналах он помещает статьи Кристаллизация и структура стали (1907), Плавка медных руд в шахтных печах (1908), О полиморфизме никеля и К вопросу о диаграмме превращений сплавов железа с углеродом (1910), О высокоуглеродистых фазах в сплавах железа с углеродом (1914) и другие.

Огромную роль для повышения добротности металла играет его последующая обработка (прокатка, ковка, штамповка), особенно тепловая, термическая обработка.

Исследователи многих стран уделили большое внимание изучению химического состава металлических сплавов, влиянию отдельных элементов, входящих в их состав.

Особенно тщательно исследовали химический состав стали. Как известно, сталь представляет собой сплав железа с углеродом (до 2%) и другими химическими элементами. Содержание углерода в решающей степени определяет механические свойства стали.

Фундаментальные исследования равновесия процессов обезуглероживания или науглероживания сплавов железа с углеродом и в смесях водорода и метана при общем давлении 1 атм выполнены Шенком.

Высоколегированные стали по их структуре можно отнести к трем основным группам -- мартенситным, ферритным и аустенитным -- с рядом переходных типов, а по составу -- к хромистым, хромоникелевым и хромомарганцевым.

Несмотря на то что хром, никель, марганец и другие элементы содержатся в нержавеющих сталях в значительных количествах, при рассмотрении влияния легирующих добавок исходят прежде всего из основного сплава железа с углеродом.

Исходные природные металлы не обладают необходимыми для машин свойствами, а условия работы подавляющего большинства деталей требуют несравнимо более высоких показателей, чем природное железо, медь и т. д. Например, железо с очень малым содержанием углерода выдерживает напряжение на разрыв около 2 тыс. MПа , а сплавы железа с углеродом (сталь) --от 4 тыс. до 25 тыс. кг см - и выше.

В углеродистых сталях и чугунах углерод образует обычно карбид железа химическое соединение Fе3С, называемое в металловедении цементитом, которое содержит 6,67% углерода. Рассмотрим часть диаграммы железо--углерод от железа до цементита, который ввиду его стойкости можно считать самостоятельным компонентом.

В этом случае часть диаграммы состояния сплавов железа с углеродом, содержащих до 6,67% углерода, превращается в диаграмму сплавов железо--цементит

Выше линии AB D все сплавы находятся в состоянии однородного жидкого раствора, ниже линии AHIE F -- в твердом состоянии. Наиболее легкоплавкий эвтектический сплав содержит 4,3% углерода. Эвтектика сплавов железа с углеродом называется ледебуритом. При высокой температуре ледебурит -- механическая смесь аустенита и цементита. Ниже 723° С --смесь цементита и перлита.

Все три твердых раствора принадлежат к растворам типа внедрения. Феррит имеет решетку ОЦК, мягок, пластичен (НВ 65--130 о, = 300 Мн/м (30 кгс/мм , б = 30%), магнитен до 768° С.

Сплавы железа с углеродом (до 0,5% С) теряют магнетизм выше изотермы МО, отвечающей точке Кюри (768° С).

Аустенит кристаллизуется в решетку ГЦК он более тверд и пластичен, чем феррит (НВ 200--250 б = 40ч-50%), немагнитен.

Цементит (Feg ) тверд, но хрупок (ЯВ > 800), имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку, магнитен до 210° С (точка Л о). Будучи метастабильным соединением при длительном нагреве выше 540° С, цементит обнаруживает стремление к разложению.

При 1147° С и содержании 4,3% С образуется эвтектика (точка С на диаграмме), которая состоит из двух фаз аустенита и цементита такая смесь двух фаз называется ледебуритом.

Дюнвальд И Вагнер и Смит определили активность углерода в аустените путем исследования равновесий

Атомы углерода занимают междоузлия в решетке аустенита. Возрастание коэффициента активности 7с с увеличением концентрации углерода указывает на то, что энергия для конфигураций, при которых углеродные атомы находятся в соседних междоузлиях, превышает таковую для атомов углерода, отдаленных друг от друга.

Такое толкование может быть подтверждено тем, что в упорядоченной фазе Fe4N нет соседних междоузлий, занятых атомами азота. Однако для аустенита такое соседство атомов углерода не является строго запрещенным. Шайль провел детальный анализ равновесий в жидких и твердых сплавах железа с углеродом на базе статистической механики. Основные положения статьи Шайля требуют дальнейшего уточнения.

Размещено на Allbest.ru