Деление железоуглеродестых сплавов на стали и чугуны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сплав железа с углеродом

Сплавы железа. Деление железоуглеродистых сплавов на стали и чугуны

Сплавляя железо с углеродом и варьируя содержание компонентов, получают сплавы с различными структурой и свойствами.

Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом (армко-железо). Техническое железо имеет высокую магнитную проницаемость (m=4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.железо углерод сталь чугун

Железоуглеродистые сплавы - сплавы железа Fe (основной компонент) с углеродом С. Различают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей, и технические железоуглеродистые сплавы, содержащие примеси, легирующие элементы и специальные добавки.

В зависимости от содержания углерода эти славы делятся на стали и чугуны.

Сталь -- железоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится до 2%.

Сталь обладает высокой прочностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на металлорежущих станках. Стальные изделия хорошо свариваются.

Чугун -- железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2%. В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.

Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чугуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.

Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов и их свойства

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочностиу_В=250 МПа) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение д=50%).

Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления - 3500 °С, плотность - 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления - 5000 °С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

Цементит (Fe₃C) - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

В системе железо - углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

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

Феррит (Ф) Fe_б (C) - твердый раствор внедрения углерода в б-железо.

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость - 130 НВ, предел прочности у_В=300 МПа) и пластичен (относительное удлинение д=30%), магнитен до 768^oС.

Аустенит (А) Fe_г (С) - твердый раствор внедрения углерода в г-железо.

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение д=40…50%), парамагнитен.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей на качество стали

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы:

1) Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали и являются технологическими примесями. Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %.Повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. При содержании марганца более 1,8% сталь становится хрупкой.

Красноломкость - повышение хрупкости при высоких температурах.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний повышает плотность и прочность стали, но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести, но снижает пластичность и вязкость. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера - вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2) Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) - попадают в сталь при выплавке.

Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, особенно, при низких температурах.

Водород приводит к снижении пластических свойств стали.

Кислород - повышает хрупкость стали.

3) Специальные примеси - специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Назначение легирующих элементов.

Хром - основной легирующий элемент (0,8…1,2)%.; повышает твердость и прочность стали. При значительном содержании (до 10%) он придаёт металлу окалиностойкость, снижает пластичность и вязкость стали.

Никель - не ухудшая свариваемости стали, увеличивает ее пластические и прочностные свойства.

Молибден - повышает прочность и твердость стали, делая её теплоустойчивой, увеличивает несущую способность конструкций при ударных нагрузках и высоких температурах. В то же время, он затрудняет сварку, так как активно окисляется и выгорает.

Ванадий - повышает вязкость и пластичность стали и улучшает ей структуру. Способствует закаливаемости, что ухудшает свариваемость.

Вольфрам - увеличивает твердость и работостойкость стали при высоких температурах.

Медь - несколько повышает прочность стали, но меньше, чем марганец и кремнии, увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточнее содержание меди (более 0,7&) способствует старению стали и несколько ухудшает ее свариваемость.

Титан и ниобий повышают коррозионные свойства стали.

Добавка свинца, кальция - улучшает обрабатываемость резанием.

Размещено на Allbest.ru