25512

Конструкционные материалы, обрабатываемые давлением. Свойства материалов

Лекция

Производство и промышленные технологии

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Русский

2014-10-16

200 KB

2 чел.

Лекция 8

Конструкционные материалы, обрабатываемые давлением. Свойства материалов.

1.1. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод (цементит). Компоненты фазы, структурные составляющие сталей и чугунов.

Диаграмма фазового равновесия (диаграмма состояния) железо-углерод (иногда говорят железо-цементит) — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры.

Железо образует с углеродом химическое соединение Fe3C цементит. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6,67 %, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до цементита. Поскольку цементит - фаза метастабильная, то и соответствующая диаграмма называется метастабильной (сплошные линии на рисунке).

Для серых чугунов и графитизированных сталей необходимо рассматривать стабильную диаграмму железо-графит (Fe-Гр), поскольку именно графит является стабильной фазой. Цементит образуется намного быстрее графита и во многих сталях и белых чугунах может существовать достаточно долго. В серых чугунах графит существует обязательно.

На рисунке тонкими пунктирными линиями показаны линии стабильного равновесия (то есть с участием графита), там где они отличаются от линий метастабильного равновесия (с участием цементита), а соответствующие точки обозначены штрихом. (Отметим, что обозначения фаз и точек на этой диаграмме подчиняются неофициальному международному соглашению.)

Фазы диаграммы железо — цементит

Часть диаграммы состояния сплавов железо-цементит


В системе железо — цементит существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит — Твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную — 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную — 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1600 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость — 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (γ) — твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените — 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твёрдость 200—250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe3C) — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

 — цементит первичный (выделяется из жидкости),

 — цементит вторичный (выделяется из аустенита),

 — цементит третичный (из феррита),

 — цементит эвтектический и

 — эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит — фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 — 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности — высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали — в графитизированных сталях.

1.2. Углеродистые стали. Влияние легирующих  компонентов на превращения, структуру, свойства сталей.

глеродистой сталью называется инструментальная или конструкционная сталь, не содержащая легирующих добавок. Углеродистая сталь подразделяется на низкоуглеродистую (до 0,25% углерода), среднеуглеродистую (от 0,25 до 0,6% углерода) и высокоуглеродистую (до 0,25% углерода).

От обычных сталей углеродистую сталь отличает меньшее содержание примесей, небольшое содержание кремния, магния и марганца.

Углеродистая сталь отличается повышенной прочностью и высокой твердостью.

По качеству различают углеродистую сталь обыкновенную и качественную конструкционную.

Углеродистая сталь обыкновенного качества бывает холоднокатаная (тонколистовая) и горячекатаная (фасонная, сортовая, тонколистовая, толстолистовая, широкополосная). Она выпускается следующих марок: Ст1кп, СтО, Ст1пс, Ст2кп и т.д. Индексы в маркировке расшифровываются так: кп кипящая, пс полуспокойная.

Качественная конструкционная сталь - это кованные и горячекатаные заготовки толщиной до 250 мм, серебрянка (круглые прутки со специальной поверхностью) и калиброванная сталь. Она выпускается следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 08, 10кп, 10пс, 10, 11кп, 15пс и т.д. Цифры в маркировке обозначают процентное содержание углерода (в сотых долях процента). Качественная конструкционная сталь используется для изготовления ответственных деталей механизмов и машин, штамповки.

Качественная сталь имеет в составе не более 0,03 % фосфора и серы, высококачественная не более 0, 02%.

Углеродистая сталь бывает разного назначения: предназначенная для статически нагруженного инструмента и для ударных нагрузок.

Для изготовления режущего инструмента с высокой твердостью, не испытывающего ударов (хирургический инструмент, напильники, шаберы, плашки, сверла, измерительные инструменты) используются стали У10?У13. Такие стали, подвергающиеся всем видам термообработки и содержащие хром, используются также для производства токарных резцов.

Для изготовления инструмента, подвергающегося ударным нагрузкам (топоры, пилы, деревообрабатывающие инструменты, зубила, клейма по металлу, отвертки) используются стали У7-У9. Они также подвергаются любому способу термообработки.

Влияние на критические температуры железа А3 и А4

При этом увеличивается вероятность образования в структуре сталей либо составляющей феррита, либо составляющей аустенита. В легированных сталях в отличии от углеродистых сталей аустенит может образоваться при комнатной температуре.

- элементы расширяющие α-область

Они понижают температуру А4 и повышают температуру А3 . К ним относятся Cr,  Si,  Al,  V,  W,  Mo и другие.  При этом в сталях образуется структура легированного феррита.

- элементы расширяющие γ-область

Они повышают температуру А4 и понижают температуру А3.

К ним относятся Ni,  Mn, Co, N. При этом в сталях образуется структура аустенита. Такие стали, как правило, обладают специальными свойствами, такими как жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Влияние на эвтектоидное превращение

Легирующие элементы изменяют температуру эвтектоидного превращения А1. Элементы, расширяющие γ-область понижают А1 (Ni,  Mn), а элементы, расширяющие α-область, повышают А1 (Cr,  Si,  Al,  V,  W,  Mo).

Легирующие элементы значительно уменьшают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. точка S на диаграмме железо-углерод смещается влево, в сторону меньших значений по содержанию углерода.

Также легирующие элементы уменьшают предельную растворимость углерода в γ-железе, т.е. в аустените. Точка Е на диаграмме смещается влево.

Для резки или иной обработки металлов давлением используется гильотина для рубки металла, цена на которую может зависеть от брэнда и функциональности станка.

Влияние на рост зерна аустенита

Большинство легирующих элементов замедляют рост зерна аустенита при нагреве. Особенно титан и ванадий.

Влияние на мартенситное превращение

Большинство легирующих элементов понижают температуру начала мартенситного превращения Мн и увеличивают количество остаточного аустенита. Никель и марганец понижают Мн в область отрицательных температур. Алюминий  и кобальт повышают Мн и уменьшает количество остаточного аустенита. Кремний не влияет на мартенситное превращение.

Влияние на С-образную кривую

Все легирующие повышают устойчивость переохлажденного аустенита и замедляют его распад, сдвигая С-образную кривую вправо. Карбидообразующие элементы (хром, вольфрам, молибден и другие) могут влиять на С-образную не только количественно, но и качественно. При этом на С-образной появляется два максимума в области распада аустенита.

Влияние на критическую скорость закалки и прокаливаемость

Сдвигая С-образную кривую вправо, все легирующие элементы уменьшают критическую скорость закалки. Следовательно в легированных сталях можно получить мартенсит при охлаждении с меньшими скоростями, чем в углеродистых сталях, а значит закалку легированных сталей можно проводить в менее резких охладителях, что снизит вероятность возникновения дефектов закалки, в первую очередь закалочных трещин.

Легирующие элементы также значительно повышают прокаливаемость стали. Наиболее сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, никель. Эффект усиливается при легировании несколькими элементами.

Влияние на превращения при отпуске

Большинство легирующих элементов замедляет превращения в стали при отпуске, особенно распад мартенсита при отпуске. Наиболее заметное влияние оказывают карбидообразующие элементы. Это приводит к тому, что в легированных сталях в отличии от углеродистых отпуск проводят при более высоких температурах.

1.3. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

В основу классификации положено содержание в стали серы и фосфора, т. е. вредных примесей. Качество стали тем выше, чем меньше в ней серы и фосфора. По качеству можно выделить следующие основные группы сталей:

• стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06% серы и 0,07% фосфора;

• качественные стали, содержащие до 0,04% серы и 0,035% фосфора;

• высококачественные стали, содержащие до 0,025% серы и 0,025% фосфора, выплавляемые в электропечах. Сера в таких количествах растворяется в железе, поэтому сульфиды не образуются, следовательно, высококачественные стали не подвержены красноломкости;

• особовысококачественные стали получают путем применения специальных металлургических технологий: электрошлакового переплава (ЭШП) — переплав стали под слоем специального шлака позволяет снизить содержание серы до 0,002… 0,008%; вакуум нодуговой переплав (ВДП) почти полностью выводит из стали газы.

Маркировка углеродистых сталей. Углеродистые стали выпускают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Легированные стали — качественные, высококачественные и особовысококачественные.

 

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. С увеличением номера повышаются содержание углерода и прочностные свойства, но снижается пластичность. Так, в зависимости от марки (номера) содержание углерода в сталях увеличивается от 0,06 до 0,43%, возрастают предел прочности ав от 300 до 600 МПа и предел текучести а0,2 от 150 до 300 МПа, а относительное удлинение 8 снижается от 32 до 14%. Стали обыкновенного качества используют в основном как строительн ы е. Их не подвергают термической обработке.

 

Качественные углеродистые стали являются машиностроительными, их применяют для изготовления деталей машин (конструкционные стали) или инструментов (инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств они подвергаются термической обработке и поэтому поставляются с гарантированным химическим составом, который указывается в обозначении марки.

 

Конструкционные стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь 20 содержит 0,18…0,22%, сталь 25 — 0,23…0,27%, сталь 40 — 0,37…0,42% и т.п. Цифры, обозначающие марку стали, получаются округлением концентрации углерода до ближайшего числа, кратного пяти.

 

Инструментальные углеродистые стали содержат от 0,7 до 1,3% С. Они обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Так, содержание углерода в стали У7 — 0,7%, в стали У12 — 1,2%. Для инструментов применяются следующие стали: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13.

 

Высококачественные стали (инструментальные углеродистые и легированные и конструкционные легированные) обозначают буквой А в конце марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А.

1.4. Чугуны: белые, серые, ковкие, высокопрочные.

Чугун — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2,14% (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний): меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Виды чугуна

Белый чугун

В белом чугуне весь углерод находится в виде цементита. Структура такого чугуна — перлит, ледебурит и цементит. Такое название этот чугун получил из-за светлого цвета излома. Очень твёрдый, но хрупкий.

Серый чугун

Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Металлическая основа такого чугуна: феррит и реже перлит. Ковкий чугун получил свое название из-за повышенной пластичности и вязкости (хотя обработке давлением не подвергается). Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготавливают детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Маркируется ковкий чугун двумя буквами и двумя числами, например КЧ 370-12. Буквы КЧ означают ковкий чугун, первое число—предел прочности (в МПа) на разрыв, второе число — относительное удлинение (в процентах), характеризующее пластичность чугуна.

Высокопрочный чугун

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.

Половинчатый чугун

В половинчатом чугуне часть углерода (более 0,8 %) содержится в виде цементита. Структурные составляющие такого чугуна — перлит, ледебурит и пластинчатый графит.

Классификация

В зависимости от содержания углерода серый чугун называется доэвтектическим (2,14-4,3 % углерода), эвтектическим (4,3 %) или заэвтектическим (4,3-6,67 %). Состав сплава влияет на структуру материала.

В зависимости от состояния и содержания углерода в чугуне различают: белые и серые (по цвету излома, который обуславливается структурой углерода в чугуне в виде карбида железа или свободного графита), высокопрочные с шаровидным графитом, ковкие чугуны, чугуны с вермикулярным графитом. В белом чугуне углерод присутствует в виде цементита, в сером — в основном в виде графита.

В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:

передельный чугун — П1, П2;

передельный чугун для отливок (передельно-литейный) — ПЛ1, ПЛ2,

передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,

передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;

чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ», обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);

антифрикционный чугун

антифрикционный серый — АЧС,

антифрикционный высокопрочный — АЧВ,

антифрикционный ковкий — АЧК;

чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв «ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние(%);

чугун легированный со специальными свойствами — Ч.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

68626. Текстовый процессор Microsoft Word: создание и редактирование математических формул 246.17 KB
  Цель и содержание работы: изучить основные возможности редактора формул. Теоретическое обоснование Если нужно набрать в документе какую-нибудь формулу лучше всего воспользоваться редактором формул который состоит из различных шаблонов упрощающих ввод формул Рисунок 1.
68627. Текстовый процессор Microsoft Word: графика 264.05 KB
  Графическим объектом называют рисунок, который хранится на диске. Для создания простейших графических объектов выберите свободное место и нажмите кнопку вызова панели инструментов рисования (если ее нет в нижней части экрана). Графические объекты, создаваемые инструментами данной панели, имеют характер векторных объектов.
68628. Вычисления в электронных таблицах в MS Excel 91.02 KB
  Все функции несмотря на их разнообразие имеют одинаковый стандартный формат: имя функции и находящийся в круглых скобках перечень аргументов разделенных точками с запятой. Регистр при вводе функции не учитывается. Excel автоматически запишет имя функции прописными буквами.
68629. Построение диаграмм и графиков функций в MS Excel 65.58 KB
  Диаграммы графически представляют данные числового типа широко используются для анализа и сравнения данных представления их в наглядном виде позволяют показать соотношение различных значений или динамику изменения ряда данных. Числовым данным рабочего листа соответствуют элементы диаграммы...
68630. Системы счисления и кодирования; двоичная арифметика 481.18 KB
  Во всех этих числах встречается символ I единица. В этой последовательности десятичная точка запятая отделяет целую часть числа от дробной если число целое точка опускается. Крайний левый разряд числа называется старшим разрядом а крайний правый младшим разрядом этого числа.
68631. Логические основы ЭВМ 28.37 KB
  Данное практическое занятие содержит информацию об основных понятиях математической логики: логических выражениях и операциях над ними правилах построении таблицы истинности для логического выражения о законах логики приводятся правила преобразования логических выражений.
68632. Текстовый процессор Microsoft Word: основы издательской работы 124.17 KB
  Цель и содержание работы: научиться создавать колонтитулы многоколонный текст и различные стили оформления. Теоретическое обоснование Microsoft Word2007 профессиональный текстовый редактор по своим возможностям приближающийся к настольным редакционно-издательским системам.