Структура и свойства углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретическое обоснование работы

Структура и свойства углеродистых сталей и белых чугунов в равновесном состоянии

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются основными материалами машиностроения.

Понятно, что их структура в равновесном состоянии должна изучаться с помощью диаграммы состояния железо-углерод. В зависимости от условий кристаллизации углерод в этих сплавах может находиться преимущественно в свободном состоянии (в виде графита), либо в виде химического соединения Fe₃C - карбида железа, называемого цементитом. Соответственно различают диаграммы состояния железо-графит и железо-цементит. По первой диаграмме кристаллизуются серые чугуны. По второй диаграмме происходит формирование структуры железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в обычных условиях довольно быстрого охлаждения расплава.

Диаграмма состояния железо-цементит приведена на рис. 1 (для наглядности рисунка масштаб несколько искажен).

Фазы в системе железо-цементит

Компонентами данной системы являются железо и цементит. Характерным свойством железа является его полиморфизм - существование в двух модификациях и в различных температурных интервалах. В интервале температур от 0 до 911С (от 0 до точки G диаграммы), а также 1392...1539 С (N - A) существует модификация Fe (или -Fe) с ОЦК решеткой Железо, существующее при t>1392 ^оС, часто обозначают как Fe (-Fe), хотя это та же модификация (т.е. Fe).. В интервале температур 911...1392 С (G - N) железо имеет ГЦК решетку - это Fe (или -Fe). Соответственно при сплавлении железа с углеродом образуются твердые растворы внедрения углерода (С) в железе: феррит - раствор С в Fe и аустенит - раствор С в Fe , а также упомянутый выше цементит - карбид железа Fe₃C.

Таким образом, в системе железо-цементит имеются жидкая (Ж) и твердые (кристаллические) фазы - аустенит (А), феррит (Ф) Высокотемпературный (t>1392С) феррит на рис. 1 обозначен как Ф (см. примечание¹ на стр.). и цементит (Ц).

Видно (рис. 1), что окончательная структура сплавов (при нормальных температурах) формируется их двух фаз - феррита и цементита.

Рис. 1. Диаграмма состояния железо-цементит (внизу - обозначения структур сплавов с различным содержанием углерода при нормальных температурах

Феррит - твердый раствор на основе Fe, содержащий <0,02 %С, очень мягкая (твердость НВ?800 Здесь и ниже твердость по Бринеллю (НВ) дается в МПа.) и пластичная (относительное удлинение ?40 %) фаза.

Цементит - химическое соединение Fe₃C (6,67 %С) - в отличие от феррита очень тверд (НВ8000) и хрупок (0%). Такие характеристики феррита и цементита обусловливают существенную зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода (см. ниже).

Структура железоуглеродистых сплавов

В зависимости от содержания углерода сплавы в процессе охлаждения из жидкого состояния пересекают разные линии диаграммы состояния и, соответственно, имеют различные структуры.

Основной структурной составляющей сплавов, содержащих 0,02...2,14% С (это стали), является перлит. Перлит образуется в результате эвтектоидного превращения аустенита при t727 С А_sФ_p+Ц и представляет собой смесь чередующихся тонких пластинок феррита и цементита.

По содержанию углерода углеродистые стали делятся на доэвтектоидные (0,02...0,8% С), эвтектоидные (0,8% С) и заэвтектоидные (0,8...2,14% С). Равновесная структура эвтектоидной стали - перлит Согласно диаграмме состояния Fe-Fe₃C перлит содержит 0,8 % С. Это позволяет определять содержание углерода в стали при микроскопическом изучении ее структуры по методике, подобной той, которая использовалась в работе 2 для определения химического состава сплавов, содержащих эвтектику. Например, процентное содержание углерода в доэвтектоидных сталях равно 0,01(0,8S), где S - относительная площадь (в %), занимаемая перлитом в структуре (на микрошлифе) изучаемой стали.. В доэвтектоидных сталях помимо перлита в структуре содержатся кристаллы избыточного феррита, образовавшиеся из аустенита при охлаждении между линиями GS и РS. В заэвтектоидных сталях зерна перлита разделены сеткой кристаллов вторичного цементита (Ц_II), выделившихся из аустенита ниже линии ES вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените.

Сплавы, содержащие менее 0,02 % С (техническое железо), не содержат перлита в структуре. Их структура - феррит, либо (в сплавах 0,01...0,02% С, т.е. ниже линии QP) - феррит и небольшое количество третичного цементита (Ц_III) по границам зерен.

Сплавы, содержащие более 2,14 %С - белые чугуны, в процессе кристаллизации пересекают эвтектическую горизонталь (ECF), следовательно основной составляющей их структуры является эвтектика. Эвтектика в чугунах называется ледебуритом, в интервале температур 1147...727 С он состоит из кристаллов аустенита и цементита, а при t<727 С - представляет собой светлую цементитную матрицу (основу) с темными включениями перлита.

Эвтектический белый чугун (4,3% С) имеет структуру - ледебурит, доэвтектические (2,14...4,3% С) - ледебурит+перлит+цементит вторичный, заэвтектические (>4,3% С) - ледебурит+цементит первичный.

Зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода

Из диаграммы железо-цементит следует, что структуры практически всех сплавов (>0,01% С) при нормальных температурах формируются из двух фаз - феррита и цементита. Очевидно, что с увеличением содержания углерода в структуре возрастает количество твердого и хрупкого цементита и уменьшается количество мягкого, пластичного феррита. Твердые частицы цементита повышают сопротивление сплава пластической деформации. Соответственно растут твердость (НВ) и прочность (_в) сплавов, падают их пластичность (, ) и ударная вязкость (KCU) - рис. 2.

Рис. 2. Зависимость механических свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии от содержания углерода

Такой характер зависимости механических свойств от содержания углерода является основой классификации сталей по назначению Все достаточно ответственные стальные изделия подвергаются закалке и отпуску - термической обработке, формирующей оптимальный комплекс механических свойств. Однако и после термической обработки сохраняется принципиальный характер зависимости свойств от содержания углерода - увеличение содержания углерода приводит к возрастанию прочности (твердости) и хрупкости стали.. Стали с большим содержанием углерода (0,7 %С) имеют высокую твердость и относятся к группе инструментальных (марки У7, У8, У10, ..., У13, ГОСТ 1435-90). Низко- и среднеуглеродистые стали обладают оптимальным сочетанием прочности, пластичности, ударной вязкости и по назначению являются конструкционными. Они подразделяются на стали обыкновенного качества общего назначения (Ст0, Ст1, Ст2, ..., Ст6, ГОСТ 380-94) и качественные конструкционные стали (08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, ... В этой группе сталей есть также стали с высоким содержанием углерода (0,6...0,85 % С) - 60, 65, 70, 75, 80, 85. Эти стали применяют в основном в качестве рессорно-пружинных, а также для изготовления ответственных деталей с повышенной прочностью и износостойкостью (шпиндели станков, прокатные валки и др.). ГОСТ 1050-88).

железо цементит сталь

Размещено на Allbest.ru