Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

1. Общая характеристика железоуглеродистых сплавов. Упрощенная диаграмма состояния сплавов железа с углеродом приведена на рис. 8. Она построена в интервале концентраций углерода от 0 до 6,67 %, т. е., до образования химического соединения карбида железа Fe₃C, который ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому компонентами железоуглеродистых сплавов можно считать железо и карбид железа.

Твердый раствор углерода в α-железе называют ферритом. (Ф). По своим свойствам феррит практически не отличается от технически чистого железа.

Карбид железа Fe₃C, наo6opот, очень тверд, но хрупок, Его называют цементитом (Ц). С увеличением содержания углерода образуется больше цементита, поэтому сплав становится тверже и хрупче.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ

Углеродистые стали

Применяемые в практике стали содержат кроме углерода до 0,4 % Si, 0,5—0,8 % Mn и по 0,02—0,05 % S и Р. Кремний и марганец являются полезными примесями; растворяясь в феррите, они упрочняют сталь. Сера образует соединение FeS и вызывает красноломкость, а фосфор, наоборот, растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали.

Основным компонентом стали, оказывающим решающее влияние на ее структуру и свойства, остается углерод. С увеличением содержания углерода твердость и прочность стали повышаются, а пластичность и ударная вязкость значительно снижаются.

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные (С ≤0,8 %) и инструментальные (С ≥ 0,7 %).

1. Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойствами; группы Б— химическим составом и группы В — механическими свойствами и химическим составом.

По степени раскисления эти стали бывают кипящими (кп), полуспокойными (пс) или спокойными (сп).

В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.

Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой — номером стали, например Ст3, Ст5 и т. д. Группа стали указывается соответствующей буквой в начале марки — БСт1, ВСт6 (в марке стали группы А такая буква не ставится — Ст4). В марке указывается также степень раскисления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце — категория — Ст2кп3; ВСт4кп4 (первая категория не указывается — Ст1сп).

Качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050—88) отличаются меньшим содержанием серы и фосфора (≤0,04 %), в них строже регламентируется содержание других элементов, неметаллических примесей.

Эти стали маркируют числами 08, 10, 15, 20...85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления они могут быть также кипящими, полуспокойными или спокойными.

Из конструкционных сталей выделяются так называемые автоматные стали с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в основном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08—0,30 %) и фосфора (до 0,15 %). Сера образует в стали сульфид MnS, оказывающий смазывающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию ломкой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании.

Автоматные стали маркируют буквой А и числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.

2. Инструментальные стали подразделяют на качественные: У7, У8...У12, У13 и высококачественные: У7А, У8А... У12А, У13А. Числа в марке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь,

Легированные стали

Легированными называют стали, в которых содержатся специально введенные (легирующие) элементы, изменяющие их свойства. К таким элементам относятся: Cr, Ni, Mo, V, Ti и др. Марганец в количестве свыше 1 % и кремний свыше 0,5 % также являются легирующими.

Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами: В — вольфрам, Г — марганец, К — кобальт, М — молибден, Н — никель, С — кремний, Т — титан, Ф —- ванадий, X — хром, Ю — алюминий.

Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержание углерода в сотых долях процента, цифры после букв — среднее содержание обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18 % С, 2 % Cr, 4 % Ni и около 1 % W.

При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5 % С, 12 % Cr и 0,5 % Мо.

Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш — шарикоподшипниковые; Р — быстрорежущие; Е — магнитные и др.

Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные — буквами ЭП и условным номером (ЭП54).

Легированные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и со специальными физическими свойствами.

К конструкционным легированным сталям относятся стали, применяемые для изготовления цементуемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаропрочные, износо- и коррозионно-стойкие стали. Эти стали легируют разнообразными элементами — Mn, Ni, Si, Cr, Mo, Ti, Al и др.

К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообразующими элементами — Cr, W, V, Мо и др.

К сталям и сплавам со специальными физическими свойствами относятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием никеля, хрома, кобальта и других элементов.

Серые чугуны

Серые чугуны, как и углеродистые стали, также содержат постоянные примеси, но в больших количествах (3—3,5 % С; 1,5—3 % Si, около 0,5 % Мп, до 0,12 % S и 0,3—0,8 % Р).

Графит в сером чугуне выделяется в виде пластинок, хлопьев или шариков; основа чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной или перлитной (рис. 11).

1. Чугуны с пластинчатым графитом называют обычными серыми (рис. 11, а). Наличие пластинчатых включений графита, представляющих по существу пустоты с острыми надрезами, обусловливает низкие механические свойства серого чугуна. Предел его прочности при растяжении 100—450 МПа, относительное удлинение δ = 0,2…0,8 %, ударная вязкость не превышает 0,1 МДж/м².

Механические свойства чугунов обусловливаются их структурой, определяемой не только химическим составом, но и условиями затвердения. Поэтому стандарты регламентируют не химический состав чугунов, а их свойства. Эти свойства и указываются в марках. Например, марка серого чугуна СЧ15 обозначает обычный серый чугун (СЧ) с пределом прочности при растяжении 150 МПа.

2. Ковкие чугуны (рис. 11, б) получают из белых. Для этого отливки из белого чугуна подвергают длительному отжигу, в результате чего цементит распадается с выделением графита в виде хлопьев. Такие включения в меньшей мере разобщают основу, поэтому ковкий чугун прочнее и пластичнее обычного серого, имеет большую ударную вязкость. Предел прочности его составляет 300—630 МПа, относительное удлинение δ = 2…12 %. Это позволяет применять ковкий чугун для изготовления деталей, работающих при умеренных ударных нагрузках. Обозначают ковкие чугуны буквами КЧ, первое число в марке указывает предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение, например КЧ 33—8.

3. Высокопрочные чугуны (рис.11, в) получают при модифицировании серого чугуна магнием или церием. При этом образуется графит шаровидной формы, исключающий острые надрезы в металлической основе. Поэтому механические свойства этого чугуна значительно повышаются: предел прочности при растяжении достигает 1200 МПа, относительное удлинение составляет 2…17%, а ударная вязкость — 0,2— 0,6 МДж/м². Такой чугун в ряде случаев является полноценным заменителем стали. Обозначают его буквами ВЧ и числами, имеющими то же значение, что и в марке ковкого чугуна, например ВЧ 80—3.

Медь и ее сплавы

Медь — металл красного цвета с плотностью 8,9 г/см³ и температурой плавления 1083 °С. В отожженном состоянии медь обладает прочностью σ_в ≈ 250 МПа, твердостью НВ ≈ 45, большой пластичностью (δ = 50 %), тепло- и электропроводимостью, хорошей коррозионной стойкостью.

Сплавы на основе меди подразделяют на латуни и бронзы.

1. Латунями называют сплавы меди с цинком. Цинк в количестве до 39 % образует с медью твердый раствор а — так называемую α-латунь. При большем содержании цинка в сплавах образуется вторая фаза — β — твердый раствор. Двухфазные латуни называют α + β латунями. Наличие в структуре более прочной и твердой β-фазы способствует повышению прочности латуни, однако резко снижает ее пластичность. Поэтому α-латуни используют для деталей, обрабатываемых давлением, прокаткой, штамповкой, а α + β-латуни — деталей, получаемых отливкой и обработкой резанием.

Для повышения прочности и коррозионной стойкости, улучшения некоторых технологических свойств в состав латуней вводят Ni, Pb, Sn, Si и другие элементы. Такие латуни называют сложными.

Латуни обозначают буквой Л и числом, указывающим содержание меди в сплаве (остальное — Zn). Например, латунь Л85 состоит из 85 % Си и 15 % Zn. В марке сложных латуней легирующие элементы обозначают начальными буквами их названий (А — алюминий, К — кремний, О — олово и т. д.), а цифрами — их содержание. Например, марка ЛАН 59-1-1 обозначает латунь, содержащую 59 % Си, 1 % Al, 1% Ni, остальное — Zn.

2. Бронзами называют сплавы меди с оловом, алюминием, бериллием и некоторыми другими элементами.

Бронзы, как и латуни, бывают простыми (БрА5, БрБ2) и сложными. В сложных бронзах, кроме основных, есть легирующие элементы (Ni, Fe, Mn и др.). Например, бронза марки БрА11Ж6Н6 содержит соответственно 11 % А1, 6 % Fe, 6 % Ni, остальное —Си.

Бронзы бывают однофазными, состоящими из одной фазы — твердого раствора, и двухфазными, в которых второй фазой обычно является химическое (металлическое) соединение.

Однофазные бронзы хорошо обрабатываются давлением, их поставляют в виде листов, прутков, труб; двухфазные обладают хорошими литейными свойствами.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — серебристо-белый металл с плотностью 2,7 г/см³ и температурой плавления 660 °С. В отожженном состоянии он обладает прочностью σ_в = 80 … 100 МПа, большой пластичностью (δ = 45 %), невысокой твердостью (НВ ≈ 25—30), хорошей тепло- и электропроводностью и коррозионной стойкостью.

Для легирования алюминия применяют Си, Si, Mg, Mn, Zn, реже — Ni, Ti, Cr и некоторые другие элементы. Большинство из них в определенных количествах растворяются в алюминии, а затем образуют хрупкую эвтектику. Поэтому алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные.

1. Деформируемые алюминиевые сплавы, в свою очередь, подразделяют на неупрочняемые и упрочняемые термообработкой.

К неупрочняемым термообработкой сплавам относятся сплавы АМц, содержащие до 1,5 % Mn, и АМг, содержащие 1…7 % Mg, до 0,8 % Mn, и добавки Ti, V, Be. Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошо свариваются. Из них изготовляют сварные изделия (трубы, баки и т. п).

Алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой, получили название дуралюминов. Они содержат 3—5 % Cu и примерно по 1 % Mg, Mn, Fe, Si. Их обозначают буквой Д и цифрой — условным номером сплава (Д1, Д16 и др.). После термообработки эти сплавы обладают прочностью 450—650 МПа, что позволяет применять их для изготовления деталей, работающих при значительных нагрузках.

2. Литейные алюминиевые сплавы содержат повышенное количество Mg, Cu, Si или Zn. Наиболее широкое применение из них получили силумины — сплавы алюминия с 8…14 % кремния. В качестве литейных используют также алюминиево-медные (4—11 % Си), алюминиево-магниевые (8…11 % Mg), алюминиево-цинковые (10…14 % Zn) сплавы. Их обозначают буквами АЛ и условным номером, например АЛ2, АЛ4.

Магний и его сплавы

Магний — серебристо-белый металл с температурой плавления 651 °С и наименьшей среди конструкционных металлов плотностью — 1,74 г/см³.

В связи с небольшой прочностью σ_в = 100 МПа, пластичностью (δ = 8 %) и малой коррозионной стойкостью технически чистый магний в качестве конструкционного материала не применяется. В технике используют сплавы магния с Al, Mn, Zn, Zr и другими элементами.

1. Деформируемые магниевые сплавы применяют для изготовления поковок и штамповок. К этой группе сплавов, обозначаемых буквами МА и условным номером (MA1, MA8), относятся сплавы магния, содержащие по 9 % А1, 2,5 % Мn, 1,5 % Zn. Они обладают прочностью в пределах 200-350 МПа.

2. Литейные магниевые сплавы содержат до 10 % А1, 6 % Zn, (МЛ4, МЛ6 и др.). Они обладают хорошей жидкотекучестью и применяются для получения литых кронштейнов, корпусов приборов и других деталей, которые должны обладать небольшой массой. Предел прочности этих сплавов — 200—250 МПа.

Титан и его сплавы

Титан — стального цвета металл с температурой плавления 1665 °С и плотностью 4,5 г/см³., обладает прочностью σ_в = 250 МПа, относительным удлинением δ = 20…30 %, твердостью НВ = 100 … 140, высокой коррозионной стойкостью.

Улучшение механических свойств титана достигается легированием некоторыми элементами: Al, Cr, Mo, Nb, Sn и др. Легирование и термическая обработка позволяют получать сплавы на основе титана с пределом прочности при растяжении до 1300…1600 МПа.

Благодаря малой плотности, высокой прочности и коррозионной стойкости титан и его сплавы находят широкое применение в авиационной технике, судостроении, химической и пищевой промышленности.

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА