Раздел 4. Железоуглеродистые сплавы

Диаграмма железоуглеродистых сплавов позволяет определить равновесный фазовый состав сталей и чугунов в зависимости от содержания углерода и температуры. Диаграммой руководствуются при назначении режимов термической обработки деталей из углеродистых сталей, а также режимов изготовления заготовок и деталей методами ковки, штамповки, литья и сварки.

Компоненты сплава – железо и углерод.

В чугунах углерод может находиться в свободном состоянии в форме графита, в химически связанном состоянии в виде цементита Fe₃C и в виде твердого растворе в Fe_α. В сталях углерод находится в виде Fe₃C и в виде твердых растворов в Fe_α и Fe_γ.

Графит имеет слоистую структуру, цементит – сложную ромбоэдрическую кристаллическую решетку.

Фазы сплава: жидкий сплав, феррит, аустенит и цементит.

Феррит (α) - твердый раствор внедрения углерода в α – железе. Феррит имеет ОЦК- кристаллическую решетку.

Аустенит (γ) - твердый раствор внедрения углерода в
γ –железе. Имеет ГЦК- кристаллическую решетку.

Цементит (Fе₃С) – химическое соединение Fе и С.

Двухфазные структуры железо-углеродистых сплавов: ледебурит - механическая смесь аустенита и цементит и перлит - механическая смесь феррита и цементита.

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от производства всех металлов и сплавов.

Достоинства углеродистых сталей: низкая стоимость, удовлетворительные механические свойства, хорошая обрабатываемость резанием. Недостатки углеродистых сталей: низкая технологичность при термической обработке, небольшая прокаливаемость (менее 12 мм), низкая коррозионная стойкость.

Стали классифицируют по следующим признакам:

I. По качеству и применению выделяют: стали обыкновенного качества (S < 0,05 %, Р < 0,04 %) – строительные и конструкционные; качественные стали (S < 0,04 %, Р < 0,035 %) – машиностроительные и инструментальные; высококачественные стали (S < 0,025 %, Р < 0,025 %), особо высококачественные стали (S < 0,015 %, Р < 0,025 %); особую группу – автоматные и литейные.

II. По степени раскисления: кипящая, полуспокойная, спокойная.

III. По положению на диаграмме Fe - C: доэвтектоидные (С < 0,8 %), эвтектоидные (С = 0,8 %), заэвтектоидные (С = 0,8 - 1,4 %).

IV. По содержанию углерода: низкоуглеродистые (С < 0,3 %), среднеуглеродистые (С = 0,3 - 0,7 %), высокоуглеродистые (С > 0,7 %).

Чугуны - железоуглеродистые литейные сплавы, содержащие в соответствии с диаграммой состояния Fe - С, углерод в количестве 2,14 – 6,67 %. Специфической особенностью чугуна является то, что в нем углерод содержится в свободном виде в форме графита

Достоинства чугунов: высокие литейные качества, высокая прочность при сжатии, хорошая обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные свойства, быстро гасит вибрации и резонансные колебания.

Недостатки чугунов: высокая хрупкость, низкая прочность при растяжении и изгибе, низкая пластичность.

В зависимости от наличия и характера графитовых включений различают белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны.

Химические элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и получения необходимых свойств, называются легирующими.

Стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными.

Хром повышает твердость, прочность, износостойкость, коррозионную стойкость стали; никель повышает прочность, пластичность, коррозионную стойкость, придает немагнитные свойства, увеличивает жаростойкость и жаропрочность; вольфрам повышает твердость, прочность, жаропрочность, износостойкость, придает стали мелкозернистую структуру.

Вопросы для самопроверки

1. Каково назначение диаграммы состояния сплава железо-углерод?

2. Назовите фазы сплава железо-углерод, дайте их определение и укажите свойства.

3. Какие кристаллические решетки имеют феррит, аустенит, графит и цементит?

4. Назовите характерные точки диаграммы железо-углерод. Что они показывают?

5. Назовите характерные линии диаграммы железо-углерод. Что они показывают?

6. В чем различие эвтектического и эвтектоидного превращений в железо-углеродистых сплавах?

7.Каковы достоинства и недостатки углеродистых сталей?

8. Как изменяются механические свойства углеродистых сталей в зависимости от содержания углерода?

9. Каково влияние серы и фосфора на свойства стали?

10. Что такое раскисление стали? Как классифицируют стали в зависимости от степени раскисления?

11. Как классифицируют стали в зависимости от содержания серы фосфора?

12. Расшифруйте марки стали: Cт3сп, сталь 50, У12А, АС40, 55Л.

13.Чем отличаются углеродистые стали от чугунов?

14. Каковы достоинства и недостатки чугунов?

15. Как классифицируют чугуны по степени графитизации цементита?

16. Как классифицируют чугуны по типу графитовых включений?

17. Расшифруйте марки чугуна: СЧ35, ЧВГ45, КЧ80-2, ВЧ100.

18. Как классифицируют стали по содержанию легирующих элементов?

19. Как влияет содержание легирующих элементов в стали на критические температуры железа?

20. Как классифицируют легированные стали по структуре после нормализации?

21. Как влияет содержание легирующих элементов на устойчивость аустенита?

22. Как влияют на свойства стали хром, никель, вольфрам, бор?

23. Расшифруйте марки стали: 12Х18Н9Т, 12Х1МФ, ШХ15, Р18М5.