2. Вуглець

Вуглець являється неметалічним елементом II періоду IV групи періодичної системи; атомний номер - 6; густина - 2,5 г/см³, температура плавлення ~3500°С; атомний радіус - 0,077 нм. Чистий вуглець в природі існує в двох модифікаціях: графіту і алмазу. При нормальних умовах стабільним є графіт. Алмаз представляє собою його метастабільну модифікацію, яка утворюється при високих тисках і температурах і стає стабільною. Графіт має гексагональну решітку (рис. 126а) з періодами а= 0,245 нм і с- 0,678 нм, причому

а

Рис. 126. Кристалічна решітка: а) - графіту ; б) - цементиту.

томи в решітці розташовані шарами таким чином, що, наприклад, третій шар є симетричним першому. Відстані між шарами більші, ніж між атомами в самих шарах, а міжатомний зв'язок слабкий. Графіт відносно легкий, м'який, пластичний, хімічно стійкий.

В сталях вуглець знаходиться у вигляді

гвсрдих розчинів проникнення на базі Ре_а або Ре_у, а також у вигляді хімічної сполуки РезС, яка називається карбідом заліза або цементитом. В ньому на три атоми заліза приходиться один атом вуглецю. Решітка цементиту складна, орторомбічна (рис. 1266) з періодами а 0,508 нм; в=0,673 пм; с=0,451 нм. Температура плавлення цементиту точно не встановлена (~1250-1260°С). При низьких температурах він слабко феромагнітний, вище 217°С стає немагнітним. Цементит являється нестійкою хімічною сполукою і може розпадатись на залізо і графіт. Процес цей має важливе практичне значення головним чином для високовуглецевих сплавів - чавунів і буде розглядатись далі.

3. Діаграма стану Ре-с. Кристалізація сплавів і їх класифікація

Діаграма стану залізо-вуглець практично розглядається тільки до вмісту вуглецю 6, 67%. Значення цієї діаграми дуже велике, і без неї неможливе становлення металознавства як науки. Ця діаграма дозволяє розібрати всі фазові і структурні стани сплавів, які утворюються в залежності від температури в умовах термодинамічної рівноваги. Її почали будувати і досліджувати з відкриттям в 1868 р. Д.К.Нерповим критичних точок в сталі. Починаючи з кінця XIX століття, над побудовою діаграми працювало багато вчених як в нашій країні, так і за рубежом, використовуючи все більш вдоско- палі методи досліджень і все більш чисті компоненти. Заслуги таких вчених, як Ф. Аустена і А. Ледебура, відмічені тим, що їх іменами названі структурні складові в залізовуглецевих сплавах. Але на інших дослідників (Чернова, Осмонда, Розебума, Геренса, Гутовсь- кого, Віторфа, Мела, Уелса) структурних складових не вистачило.

На рис. 127 предсталена діаграма залізо-вуглець в сучасному вигляді. На діаграмі безперервні лінії характеризують метастабільну рівновагу, коли утворюється карбід заліза - цементит (Ре^С); пунктирні лінії відносяться до стабільного стану, при якому майже весь вуглець виділяється вільно у вигляді графіту. Для сталей ймовірність утворення графіту дуже мала, тому структури в системі іе-Ре^С можна вважати рівноважними. Компонентами системи Ре- І 'С)С є залізо і хімічна сполука - цементит.

П

о -І 20 40 60 &0 400

Рис. 127. Фазова діаграма стану залізо-вуглець.

орівнюючи властивості обох компонентів при кімнатних температурах, можна дати таку характеристику: чисте залізо - м'яке, пластичне, має низьку міцність і твердість (Я5<400-600 МПа); цементит - крихкий і дуже твердий (/№=8000 МПа).

В залізовуглецевих сплавах на базі Ре_а і Ре_у утворюються тверді розчини проникнення. При цьому розчинність вуглецю у Рв_а невелика (-0,02% при [=727°С і -0,10% при 1=1499°С), а у Рву вона значно вища і змінюється від 0,8% при 1= 727°С до 2,14% при £= 1147°С.

£ Твердий розчин вуглецю у Ре_а називається феритом. Його

твердість /№=600-800 МПа, він дуже пластичний і має низьку міц- і ність. Розчинність вуглецю при кімнатній температурі - тільки ^0,006%, так що практично ферит - це чисте залізо.

Твердий розчин вуглецю у Ре_у називається аустенітом. Його твердість вище твердості фериту і складає НВ-\700-2000 МПа. Пластичність аустеніту висока.

Таким чином залізовуглецеві сплави у метастабільному стані в залежності від температури і концентрації вуглецю утворюють слідуючі фази:

• рідкий розчин (Ь);

• ферит (Ф)- твердий розчин вуглецю в Ре_а\

• аустеніт (А)- твердий розчин вуглецю в Ре_у ;

• цементит (Ц)- хімічна сполука Ре^С.

При реалізації стабільного стану (пунктирні лінії діаграми рис. 127 і рис. 133) замість цементиту виділяється графіт. Усі ці фази можуть існувати самостійно або входити в складні структури, до яких відносяться евтектика (ледебурит) і евтектоїд (перліт). Структурна діаграма стану Ре-Ре^С представлена на рис. 128.

Для порозуміння перетворень, що відбуваються в залізовуглецевих сплавах при охолодженні, а рівно при нагріванні, необхідно уявляти фізичну сутність усіх ліній діаграми, а також сутність реакцій, що протікають при постійних температурах і концентраціях вуглецю в фазах відповідно горизонтальним лініям діаграм. Характеристики основних ліній діаграми Ре-Ре^С слідуючі.

АВСО - лінія ліквідує або геометричне місце температур початку кристалізації. По ній змінюється склад рідкої фази.

АШЕСР - лінія солідус - геометричне місце температур кінця кристалізації. По пій змінюється склад твердих фаз.

Лінії НУ і N^ - сукупність температур початку і кінця пере- і ворень фериту в аустеніт і навпаки.

Лінії С5 і СР - сукупність температур початку і кінця перетворень аустеніту в ферит і навпаки.

Лінії У£ і Е5 - характеризують граничну розчинність вуглецю в аустеніті, а лінії АНИ і СР£) - в фериті при різних температурах.

Г

Фн + Ьв

оризонталвна лінія Н.ІВ називається перитектичною, тому що па ній сплави кристалізуються за перитектичною реакцією:

Горизонтальну лінію ЕСЕ називають евтектичною, оскільки їй відповідає реакція, яка приводить до утворення евтектики - суміші аустеніту й цементиту, що називається ледебуритом:

Рис. 128. Структурна діаграма стану Ре-Гс_}С (а) і крива охолодження сплаву з -0,25 % вуглецю (б).

Горизонтальна лінія Р5К називається евтектоїдною. Тут протікає реакція, в результаті якої йде утворення евтектоїда - суміші кристалів фериту і цементиту, яка має назву перліт:

Фр + Цк

Назва "перліт" походить від слова "перл", що означає "жемчуг".

У всіх сплавів з концентрацією вуглецю більше 0,02%, тобто практично у всіх промислових залізовуглецевих сплавів, відбувається перлітне (евтектоїдне) перетворення.

Для аналізу перетворень в сплаві з якоюсь конкретною кількістю вуглецю застосуємо правило фаз Гібса (див. главу 8):

С = К-Ф+ 1,

де К - число компонентів;

Ф - число фаз.

Проаналізуємо перетворення в сплаві з 0,25% С під час охолодження і розгляненмо криву охолодження (рис. 128,6). Спочатку па діаграмі Ре-Ре^С через це значення вуглецю проводимо вертикаль, а точки перетинання її з кривими діаграми відмітимо цифрами. В рідкому розчині поставимо точку 0.

Від точки 0 до точки 1 - просте фізичне охолодження рідкого розчину, фаза одна:

С₀.| =2-1 + 1=2.

На кривій охолодження відзначаємо похилу ділянку, що означає, що охолодження йде з певною швидкістю.

Від т. 1 до т.2 із рідкого розчину виділяється ферит, фаз дві:

С|.2 = 2 - 2 + 1 = 1.

*

Охолодження буде продовжуватись, але поява кристалів твердої фази (фериту) супроводжується виділенням скритної теплоти кристалізації, і на кривій охолодження з'являється перегин в точці 1 (через те, що швидкість охолодження зменшується).

В т. 2 відбувається перитектичне перетворення, коли в рівновазі знаходяться одночасно три фази - ферит, рідкий розчин і аустеніт:

,ь. . Т 1499°С А

Фн + Гв > Аі.

Нонваріантна рівновага:

С₂ = 2 - 3 + 1 = 0.

Відсутність ступенів свободи означає, що трифазовий стан існує при постійній температурі. На кривій охолодження з'являється горизонтальна лінія 2-2'.

Від т.2 до т. З відбувається кристалізація залишків рідкої фази в аустеніт, фаз дві:

С₂-з = 2- 2+ 1= 1

Охолодження йде з певною швидкістю, і на кривій визначаємо похилу ділянку 2-3.

Від т.З до т. 4- просте фізичне охолодження аустеніту без перетворень, фаза одна:

Сз-4 = 2- 1+ 1= 2

Швидкість охолодження збільшується, і на кривій в т. З бачимо перегин.

Від т.4 до т.5 частина аустеніту перекристалізовується у ферит (Ре_у —> Ре_а), фаз дві:

С ₄.₅ = 2- 2+ 1= 1

Охолодження продовжується, але з меншою швидкістю, тому в точці 4- перегин.

В точці 5- евтектоїдне перетворення:

А₅ Ф_Р + Ц_к

В рівновазі знаходиться три фази (аустеніт, ферит і цементит).

Нонваріантна рівновага:

С₅ = 2- 3+ 1= 0

Перетворення йде при постійній температурі. На кривій охолодження маємо горизонтальну лінію 5- 5'.

Від т.5 до т. 6 перетворень практично немає. Структура сплаву - ферит і перліт, а фази дві (ферит і цементит):

С5.6 = 2- 2+ 1= 1

Охолодження йде з певною швидкістю.

В зв'язку з тим, що діаграма Ре- Ре^С складна для порозуміння у верхній лівій частині з перитектичною лінією, розглянемо окремо послідовність перетворень сплавів з концентрацією вуглецю 0,08% і 0,16% (рис. 129).

Кристалізація сплаву з 0,08% С почнеться в точці 1, коли з нього будуть виділятися кристали фериту (а-твердого розчину). В процесі кристалізації концентрація рідкого розчину змінюється по

лінії АВ (частина лінії ліквідує), а концентрація твердого розчину (фериту) - по лінії АН (частина лінії солідус). В точці а, яка лежить в області існування твердої і рідкої фаз, концентрація рідини визначиться проекцією точки с, а твердої фази - проекцією точки в на ось концентрацій. Кількість твердої фази (Ф) визначиться відношенням відрізків ас/вс; кількість рідкої фази - відношенням відрізків ва/вс.

Рис. 129. Частина діаграми стану Ре-Ре₃С з перитектичним перетворенням.

В точці 2 процес кристалізації закінчується, утворюється однорідний твердий розчин а, який охолоджується без перетворень до температури точки 3. В інтервалі температур 3-4 а-твердий розчин (ферит) перетворюється в у-твердий розчин (аустеніт). Концентрація фаз змінюється відповідно положення ліній ЯМ і УЯ. Наприклад, в т очці сі концентрація а-фази визначається точкою е, концентрація у- фази - точкою /; відношення кількості фаз відповідає відношенню відрізків:

*

СУС)_у= сі//всі.

В точці 4 сплав повністю набуває структуру у-твердого розчину - аустеніту. В правій частині малюнка показано криву охолодження сплаву з 0,08% С до аустенітного стану.

Охолодження сплаву з 0,16 % С протікає спочатку так, як і сплаву з 0,08 % С, тобто кристалізація починається з виділення а-фази (фериту) перемінної концешрації (точки 5-6). В точці 6, яка відповідає точці У, при 1499°С рідкий розчин має концентрацію вуглецю, відповідаючу точці В, а

ферит - кої іцсіпраціісь-/-/; в результаті їх взаємодії утворюється аустеніт концентрації точки./:

Ь_в + Фн -^{1499 с}> А; (перитектична реакція)

При наявності трьох фаз перетворення протікає при постійній температурі:

С₆ = 2- 3+ 1= 0.

Відрізок 6-6' на ‘кривій охолодження являється горизонтальним.

При концентрації вуглецю менше 0,16%, тобто лівіше точки і, або більше 0,16% (правіше точки І) після закінчення перитектичної реакції зостаються залишковими або ферит (а-фаза), або рідкий розчин, які при подальшому охолодженні перетворюються в у-фазу (аустеніт). Таким чином, який би ми сплав не брали, з вмістом вуглецю від 0,1 до 0,5%, не зважаючи на попереднє утворення а-фази, первинна кристалізація закінчується утворенням у-твердого розчину (аустеніту).

Подальше охолодження аустеніту приводить до вторинної кристалізації (перекристалізації) в твердому стані, що пов'язано з поліморфізмом заліза. При цьому збільшення вуглецю знижує температуру початку перетворення у—>а; крім того, в залізовуглецевих сплавах цей процес проходить не при постійній температурі, а в інтервалі температур і закінчується евтектоїдним перетворенням.

Всі перетворення, які мають місце при охолодженні, оборотні, тому під час нагрівання вони протікають в оборотному напрямку, а криві нагрівання представляють дзеркальне відображення кривих охолодження. Так, перитектична реакція при нагріванні має вигляд:

Аі ВД Ф_н + Ь_в

Евтектоїдна реакція має вигляд:

П(Ф_Р+ Ц_к)^А₅

На рис. 130 показана серія кривих нагрівання для залізовуглецевих сплавів з різним вмістом вуглецю.

В таблиці 6 вказані температури критичних точок діаграми залізо-цементит і відповідну їм концентрацію вуглецю.

На рис. 131 показані мікроструктури аустеніту, фериту і перліту пластинчастого, а на рис. 132 зображені схеми мікроструктур залізовуглецевих сплавів в залежності від кількості вуглецю.

Рис. 130. Криві нагрівання сплавів Ре-Ре₃С.

Позначення точки	Температура в °С	Концентрація вуглецю, %	Позначення точки	Температура в °С	Концен трація вуглецю, %
А	1539	0	7)	1600	6,67
В	1499	0,5	С	911	0
н	1499	0,1	Р	727	0,02
У	1499	0,16	В	727	0,8
N	1392	0	к	727	6,67
Е	1147	2,14	<2	20	0,006
С	1147	4,3	7,	20	6,67
Р	1147	6,67

Рис 132 Схеми мікроструктур залізовуглецевих сплавів в залежності від кількості вуглецю: а) С<0,02%; б) С=0,2%; в) С=0,4-0,6%; г) С=0,8%; д) С=1,2%;е) С~2,8%.

Рис. 133. Діаграма стану сплавів Рс-С для стабільної системи.

Діаграма стану залізографіт представлена на рис. 133 пунктирними лініями. Три лінії на цій діаграмі (АВС, АН]Е, С5) являються загальними. Інші суцільні й пунктирні лінії не співпадають, тому що при всіх температурах границя розчинності графіту в залізі менша, ніж цементиту. Евтектична і евтектоїдна температури у системі Ре-С графічно вищі, ніж у системі Ре-Ре^С.

На практиці обидві системи можуть взаємодіяти. Характерним прикладом є сірий чавун, в структурі якого присутні і графіт, і цементит, і перліт.

Процес графітизації в залізовуглецевих сплавах може йти шляхом кристалізації (виділення) графіту як із рідкої фази під час охолодження, так і із твердої фази - аустеніту.

Процес графітизації із рідкої фази відбувається згідно з діаграмою графітної системи. При цьому нижче лінії С7) утворюється первинний графіт, на евтектичній лінії Е' С' Р' - евтектичний графіт, по лінії 5' Е' - вторинний графіт, а на лінії Р' 5' К' - ев- тектоїдний графіт.

Якщо під час охолодження сплавів заліза з вуглецем графіт не встигає виділятись і утворюється цементит, то графітизація може в певних умовах відбуватися в твердому стані через аустеніт. В такому разі мають місце слідуючі процеси:

1. розпад цементиту і розчинення атомів вуглецю в аустеніті;

2. утворення центрів графітизації в аустеніті;

3. дифузія атомів вуглецю в аустеніті до центрів графітизації;

4. самодифузія атомів заліза в аустеніті навколо центрів графітизації, що сприяє росту кристалів графіту;

5. ріст кристалів (виділень) графіту.

Процес графітизації високовуглецевих сплавів - чавунів залежить від швидкості охолодження, тому у виливках з товстими стінками графітизація йде скоріше й повніше (графіт утворюється крупним, його стає більше). Це показано на рис. 134а.

В тонкостінних виливках, де охолодження йде швидко, графітизація утруднюється, графіту утворюється менше, а його пластинки стають тоншими (рис. 1346,в). Замість фериту утворюється перліт. Прискорене охолодження тонких виливок може призвести до появи в структурі ледебуриту, тобто до утворення структури білого чавуну (рис. 132е).

І*

*г\

^{\£ ⁷"> V- *

мЧ-А' ^

——іл Ч^ч > п

М

у

У'Лг<

У

/

б) В)

Рис. 134. Графітні виділення в звичайному сірому чавуні різної довжини і товщини, х 100: а) Г д 9 (500-1000 мкм); б) Г д 7 (150-300 мкм); в)Г д 4 (25-40мкм).

В реальних залізовуглецевих сплавах міститься багато домішок, які потрапляють в сплави із руд, розкислювачів і скрапу. Всі вони діляться на дві групи:

1. Графітоутворюючі, тобто такі, що прискорюють графітизацію (Зі, М, АІ, Си тощо).

2. Карбідоутворюючі (Сг, Мп та інші), які сприяють карбідотво- реншо, тобто вибілюванню.

Сірка і кисень перешкоджають графітизації. Чавуни з графітом у зламі мають сірий колір, тому вони називаються сірими, що відрізняє їх від білих чавунів, які у зламі мають матовобілий колір.

Залізо і його сплави називаються чорніти металами. Вони діляться на три групи:

1. Технічно чисте залізо (або армко-Т’є). Так називають залізо, в якому може бути до 0,02% С.

2. Сталі (сплави заліза з вуглецем, якого може бути від 0,02 до 2,14%).

.3. Чавуни (сплави заліза з вуглецем, вміст якого в них більше 2,14%).

Характеристики міцності, навпаки, низькі: с„=250 МПа; #5=600-800 МПа

В структурі сталей з вмістом вуглецю більше 0,02%, окрім фериту, присутнім є перліт, причому збільшення вуглецю приводить до збільшення його кількості (рис. 135а-д), а при 0,8% С структура сталі складається з одного перліту. При концентрації вуглецю більше 0,8% в сталях окрім перліту з'являється надлишкова фаза- цементит вторинний (Цп). Це показано на рис. 132д і 135е.

З підвищенням кількості вуглецю структура сталей все більше збагачується твердою фазою - цементитом. В зв'язку з цим, чим більше в сталі вуглецю, тим вищі її твердість і міцність і тим менша пластичність. Вуглець впливає також і на технологічні властивості сталей: чим його більше, тим гіршими становляться зварюваність, обробка різанням, рідиннотекучість, тим вища схильність до тріщиноутворення.

Класифікація вуглецевих сталей проводиться за слідуючими характеристиками:

1. За кількістю вуглецю сталі розподіляються на маловуглецеві (С < 0,25%), середньовуглецеві (С= 0,3- 0,5%) й високовуглецеві (С > 0,7%).Окремою групою можна виділити сталі з 0,55- 0,65% С, які називаються пружинно-ресорними сталями;

2. За структурою в рівноважному стані сталі діляться на доев- тектоїдні (структура ферит+перліт), евтектоїдні (перліт) і заевтек- тоїдні (перліт+цементит вторинний);

3. За якістю сталі розподіляються в залежності від кількості шкідливих домішок (5 і Р). При цьому визначають: сталі звичайної якості, коли в них допускається до 0,05% 5 і до 0,04% Р\ сталі якісні, в яких 5 і Р повинно бути не більше 0,04% і 0,035% відповідно; сталі високоякісні, в яких 5 і Р - не більше 0,025% кожного;

4. За призначенням сталі розподіляються на конструкційні та інстру ментал ьн і.

Конструкційні сталі розподіляються на будівельні та машинобудівні.

Будівельні сталі бувають в основному маловуглецеві, а машинобудівні - маловуглецеві, середньовуглецеві й високовуглецеві.

За якістю конструкційні сталі бувають: звичайної якості (частіше будівельні), якісні й високоякісні.

Рис 135 Мікроструктура вуглецевих сталей з різним вмістом вуглецю: а) 0,08% (хТоО) б) - 0 15% (х100); в) - 0,25% (хЮО); г) - 0,40 % (х!34); д) - 0,50% (х230);

е) 0,95 % (х230).

Інструментальні сталі - це високовуглецеві матеріали. Вони розподіляються на ріжучі, вимірювальні та штампові. За якістю вони можуть бути тільки якісними та високоякісними.

На вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості поширюється ГОСТ 380-94 (ДСТУ 2651-94). З цих сталей виготовляється гарячекатаний прокат (сортовий, фасонний, листовий) та холоднокатаний тонколистовий прокат, а також злитки для одержання металургійних виробів різнрго профілю й призначення.

Маркуються такі сталі сполученням "Ст", що означає "сталь" й цифрами 0,1,2,3,4,5,6, які означають порядковий номер марки сталі. Кількість вуглецю не відповідає цьому номеру.

Хімічний склад сталей вказується в самому стандарті. Відповідно до нього сталі звичайної якості різних марок мають слідуючий склад вуглецю:

Марка	Ст.О	Ст.1	Ст.2	Ст.З	Ст.4	Ст.5	Ст.6
сталі Кількість вуглецю, %	0,23	0,06- 0,12	0,09- 0,15	0,14- 0,22	0,18- 0,27	0,28- 0,37	0,38- 0,49

В залежності від умов і ступеня розкислення сталі звичайної якості можуть бути: спокійні (Стісп, СтЗсп, Ст5сп); напівспокійні (Стіпс, Ст2пс, СтЗпс); киплячі (Стікп, Ст2кп, СтЗкп, Ст4кп).

Спокійні сталі одержують після повного розкислення феромарганцем, феросіліцієм, алюмінієм в печі, а потім в ковші. Вони остигають спокійно, без бурхливого газовиділення. Напівспокійні розкислюються феромарганцем і алюмінієм. Киплячі сталі розкислюють тільки феромарганцем, і до затвердіння в них присутня підвищена кількість РеО. Під час охолодження РеО взаємодіє з вуглецем сталі, утворюючи СО, яке виділяється у вигляді бульбашок; складається враження, що метал кипить.

Масовий вміст кремнію і кисню в сталях різний: в спокійних 0,15- 0,30% Зі і 0,002% Оу в напівспокійних- 0,05- 0,15% Зі і 0,01% Оу в киплячих - не більше 0,05% Зі і ~ 0,02% СЬ.

Сталі звичайної якості, особливо киплячі, найбільш дешеві. В процесі виплавки вони менше очищуються від шкідливих домішок. Масова доля сірки повинна бути не більше 0,05%, фосфору - не більше 0,04% і азоту - не більше 0,010%.

Якісні конструкційні вуглецеві сталі маркуються і постачаються відповідно ГОСТ 1050-88. До їх хімічного складу і структури пред'являють більш високі вимоги. В них менше вміщується сірки і фосфору, а також менша кількість неметалевих включень; регламентована макро- і мікроструктура. Марки якісних вуглецевих сталей мають дві цифри (05,08, 10, 15, 20,..., 40,...,85), які вказують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка (див. табл. 7). Наприклад, сталь марки 08 має вуглецю приблизно 0,08%; сталь марки 20 - приблизно 0,20%; сталь 45 - приблизно 0,45%. Таке маркування прийнято для сталей спокійних. Але низьковуглецеві якісні сталі можуть бути киплячими. В такому разі вони маркуються 08кп, Юкп.

Сталі з підвищеним вмістом марганцю (від 0,7 до 1,2%) маркуються з додаванням літери "Г" (наприклад, 15Г, 40Г, 65Г).

За ГОСТ 1050-88 сталі виробляють і постачають без термічної обробки (гарячекатаними, кованими), термічно обробленими і нагартованими.

Якісні сталі знаходять різноманітне застосування в техніці, так як в залежності від кількості вуглецю і послідуючої термічної обробки вони володіють необхідними механічними і технологічними властивостями. Якісні вуглецеві сталі - основний конструкційний матеріал багатьох галузей машинобудування і будівельної промисловості.

Інструментальні вуглецеві сталі маркують відповідно ГОСТ 1435-90. Це високовуглецеві сталі. При їх маркуванні спочатку пишеться літера "У", а потім число, вказуюче середню кількість вуглецю в десяти долях відсотка.

Наприклад, в сталі У8 міститься в середньому 0,8% С, а в сталі У12 - 1,2% С. Таке маркування прийнято для сталей якісних. Якщо сталі високоякісні*то в кінці марки ставиться літера "А".

В самих держстандартах вказується допустима мінімальна і максимальна кількість вуглецю і домішок для кожної марки сталі окремо. ⁸

Марка сталі	Масова доля вуглецю, %	Механічні властивості після нормалізації						КСІ), МДж/м2 після поліпшення (загартування і відпускання при 600° С)
		о»	0(1.2	5	V	нв
		МПа		%		МПа	МПа після від палу
08	0,05-0,12	320	200	33	60	1310
10	0,07-0,14	340	210	31	55	1430
15	0,12-0,19	380	230	27	55	1490
20	0,17-0,24	420	250	25	55	1630
25	0,22 - 0,3	460	280	23	50	1700		0,9
ЗО	0,27 - 0,35	500	300	21	50	1790		0,8
35	0,32 - 0,4	540	320	20	45	2070		0.7
40	0,37 - 0,45	580	340	19	45	2170	1870	0,6
45	0,42 - 0,5	610	360	16	40	2290	1970	0,5
50	0,47 - 0,55	640	380	14	40	2410	2070	0.4
55	0,52 - 0,6	660	390	13	35	2550	2170
60	0,57 - 0,65	690	410	12	35	2550	2290
65	0,62-0,7	710	420	10	зо	2550	2290
70	0,67 - 0,75	730	430	9	зо	2690	2290
75	0,72 - 0,8	1100	900	7	зо	2850	2410
80	0.77 - 0,85	1100	950	6	зо	2850	2410
85	0,82 - 0,9	1150	1000	6	зо	3020	2550
60Г	0,57 - 0,65	710	420	11	35	2690	2290
65Г	0,62 - 0,7	750	440	9	—	2850	2290
70Г	0,67 - 0,75	800	460	8	...	2850	2290

Забрудненість сталей залежить від способу виплавлення й способу розкислення. Злитки з киплячої сталі суттєво відрізняються від злитків спокійної сталі.

Злиток з киплячої сталі має газові пухирі по всьому об'єму. І Іід час прокатування пухирі заварюються, але зостається велика неоднорідність за хімічним складом в різних перерізах злитку. Це так звана зональна ліквація. На поверхні, яка кристалізується першою, злиток має менше вуглецю, фосфору, сірки та інших домішок, ніж в середині. Наприклад, неоднорідність за вуглецем доходить до 170%; за фосфором - до 300%; за сіркою - до 600%; неоднорідність за марганцем менша, але й вона складає 40%.

Кипляча сталь має низькі механічні властивості, але вона пластична через те, що не розкислена кремнієм. В зв'язку з цим кипляча сталь постачається у вигляді прутків і листів, з яких виготовляють деталі холодним штампуванням.

Якісна машинобудівельна сталь виготовляється із спокійної сталі, злиток якої в більшій частині перерізу щільний і однорідний. Тільки у верхній частині його утворюються усадкова раковина і дірчастість, забруднення домішками. Цю дефектну частину за допомогою утеплювачів вдається зосередити зверху злитка, а потім після обтиску на блюмінгу - відрізати. Залишений метал після подальшого прокатування буде щільним і однорідним.

Після обробки тиском основними пороками макроструктури являються: залишки усадкової раковини, загальна пористість, ліквація сірки і фосфору, флокени. Останні два пороки небезпечні для легованих сталей.

Флокени у зламі деталі представляють собою світлосірі круглі

п лями, які мають вигляд лапатого снігу (назва німецького походження), рис. 136. У поперечному перерізі на макрошліфі або на поверхні сталі флокени мають вигляд дрібних тріщин.

Причиною появи флокенів може бути присутність водню в металі після недос- Рис. 136. Флокени в зламі деталі, х 2. татнього відпалу злитків пе

ред обробкою тиском. При охолодженні водень інтенсивно виділяється і зосереджується в порах металу. Тут його тиск поступово збільшується, що й призводить до утворення внутрішніх тріщин під час прокатування або кування. Особливо небезпечні флокени в крупних деталях. В заготівках малих перерізів флокени виявляються рідко, бо вони "заварюються" в результаті великих ступенів деформації під час обробки тиском.

Дуже небезпечним пороком макроструктури є волосоподібні, ледь помітні поверхневі тріщини, які йдуть у повздовжному напрямку деталі і служать причиною утворення загартовочних тріщин і зламів втомленості. Причиною утворення таких тріщин являються незаварені прокатуванням газові пухирі, з окисленими під час нагрівання краями, а також неметалеві включення й пороки прокатування (закати, зморшки, підрізи, подряпини тощо). Останні класифікуються за ДОТУ 2658-94.

Важливішими пороками мікроструктури сталей являються неметалеві включення (сульфіди, оксиди, силікати). Вони порушують суцільність металу, знижують його міцність, а, головне, являються осередком концентрації напружень, особливо небезпечних

д

>/ ». *

в)

бї г)

Рис. 137. Неметалеві включення в сталі: а ) сірчиста евтектика по межах зерен, х 500; б) сірчистий марганець, деформований, х 300; в) окисли алюмінію, х 300; г) крихкі силікати, х 100.

ля деталей, працюючих при знакозмінних навантаженнях. Крім того, при загартуванні сталей неметалеві включення можуть бути причиною утворення загартовочних тріщин. Сульфіди заліза (РеЗ) можуть утворювати евтектику (рис. 137а), яка розташовується поблизу меж зерен. Така форма включень є найбільш небезпечною, тому що під час обробки тиском евтектика плавиться при 1200°С і сприяє розтріскуванню (краснолому).

Сульфід марганцю (МпЗ) менше небезпечний,

тому що він плавиться при 1620°С, сам по собі пластичний, і під впливом зовнішніх сил витягується в продовгуваті лінзи (рис. 1376).

Особливо небажаними включеннями являються крихкі тверді гострокуті оксиди (наприклад, окисли алюмінію та силікати), рис. І37в,г.

Вивчення неметалевих включень в сталях проводиться відповідно до еталонів ГОСТ 1778-57.

До пороків мікроструктури сталі відноситься крупіюзернистсі структура. Вона може бути сітчаста або Відманштедтова. Остання особливо небезпечна, тому що вона відрізняється голчастими- виділеннями фериту, що знижує і міцність і ударну в’язкість металу.

Із збільшенням розміру аустенітного зерна температура початку утворення Відманштедтової структури підвищується. Тому така структура найбільш яскраво проявляється в литих сталях, в сталях після зварювання або після перегріву під час термообробки.

С трочечність або смугастість структури після прокатування теж являється пороком сталі, тому що ферит і перліт витягуються вздовж неметалевих включень (рис. 138). Потому механічні характеристики металу будуть неоднаковими вздовж і поперек заготівок. Погіршуються також технологічні властивості сталі: утруднюються холодне штампування і обробка різанням.

Небезпечним пороком є зпевуглеііьовувашія поверхні сталі при нагріві. Воно різко^знижує міцність, твердість і зносостійкість виробів, бо пошкоджує поверхню деталей, на якій виникають найбільші напруження і розвиваються процеси зношування і руйнування.

6. Чавуни

Чавуни за складом відрізняються більш високим вмістом вуглецю. За технологічними характеристиками чавуни мають кращі ливарні якості, що пояснюється зниженням температури кристалізації і

постійним складом фаз при утворенні евтектики. Чавуни мають низьку пластичність і не обробляються тиском в звичайних умовах.

Як литтєві матеріали, чавуни широко застосовують в машинобудуванні для виготовлення різних деталей складної конфігурації. Це дозволяє зменшити витрати на механічну обробку і дає значну економію металу. Багато сучасних марок чавуну за властивостями не поступаються сталям і забезпечують надійність роботи деталей при експлуатації.

Крім вуглецю, в чавуні є багато домішок (Мп, 5і, 5, Р), але їх вплив на властивості чавуну інший, ніж в сталях. Ці домішки впливають в основному на умови графітизації, від яких залежить струк- тура і властивості чавуну.

Кремній являється важливішим елементом, який входить до складу чавуну. Він нарівні з вуглеці/ сприяє процесу графітизації, знижує , температуру плавлення чавуну, забезпечує його високі Лйті'євї властивості (добру рідиннотекучість і малу усадку). Вміст кремнію в різних сортах чавуну може бути від 0,5 до 4,5%.

Марганець - карбідоутворюючий елемент. В чавунах він може розчинятися в цементиті або утворювати карбід Мп₃С, що збільшує схильність чавуну до відбілення. В одночас марганець з сіркою утворює хімічну сполуку Мп5, що паралізує його вплив на відбілювання. Вміст марганцю не повинен перевищувати 0,4- 0,6%.

Сірка - шкідлива домішка в чавуні. Вона сприяє відбіленню, зменшує його рідиннотекучість і викликає утворення газових пухирів. Відбілюючий вплив сірки в 5- 6 разів більший, ніж марганцю.

Фосфор - в невеликій кількості являється корисною домішкою, бо підвищує рідиннотекучість. Фосфор утворює фосфідну евтектику (Ф+Ц+РезР) з температурою плавлення 950- 980°С. Якщо вона присутня в структурі у вигляді дрібних виділень, не утворюючих сітки, то підвищуються пружні властивості чавуну і опір зносу.

Водень - являється шкідливою домішкою в чавуні. Він потрапляє в чавун із вологого повітря, і підвищує стійкість цементиту, викликаючи відбілення виливків.

Чавуни діляться на сірі й білі. Вони відрізняються поміж собою тим, що в білих чавунах майже весь вуглець знаходиться у хімічно зв'язаному стані у вигляді цементиту, а в сірих чавунах більша частка вуглецю виділяється у свободному стані, у вигляді графіту.

Як видно з діаграми Ре-Ре_}С, білий чавун може бути: 1 - доев- тектичним (структура П+Ц_м+Ледебурит); 2 - евтектичним (структура Ледебурит); 3 - заевтектичним (структура Ледебурит+ Щ.

Практично використовується лише доевтектичний білий чавун (рис. 132е), коли переважне значення має така його властивість, як висока зносостійкість, або коли з нього після спеціального відпалу одержують ковкий чавун. Білі чавуни дуже тверді (НВ=7000 МПа), зовсім не мають пластичності і не піддаються обробці різанням.

Сірі чавуни представляють собою трикомпонентні сплави Ре- 8і-С, до складу яких входять постійні домішки: Ми, Р, 5. В сірих чавунах сума кремнію і вуглецю дорівнює приблизно 5%, тому при вивченні структуроутворення в сірих чавунах треба користуватись не діаграмою стану Ре-С, а потрійною діаграмою Ре-8і-С, розріз якої для постійного вмісту кремнію (2%) показано на рис. 139.

При кристалізації сірих чавунів евтектичне перетворення (Ь —у Л+Гр) і евтектоїдне (А —у Ф+Гр) протікають не при постійних температурах, а в певних інтервалах температур, які залежать від кількості кремнію.

Структура чавунних відливок залежить, однак, не тільки від хімічного складу (вмісту вуглецю і кремнію), але й від швидкості

к

		1
	А 1-і			и
/ А
		А+Г,
—	Фч		фу-А+Гр

Ф

1100■

Ш^с

1000'

800'

ф

0 7 2. з Ц %С

Рис. 139. Діаграма стану Ре - Зі - С (2% Зі).

ристалізації в реальних умовах охолодження. На рис. 140 представлена структурна діаграма для чавуну, за допомогою якої можна визначити структуру відливка в залежності від двох факторів: суми вмісту вуглецю й кремнію і товщини стінки.

Класифікують сірі чавуни за формою графіту і за структурою металічної основи (рис. 141, 142).'

За формою графіту сірі чавуни діляться на : 1) звичайні сірі чавуни - з пластинчастою формою графіту; 2) ковкі чавуни - з пластівчастою формою графіту; 3) високоміцні чавуни - з кулястою формою графіту.

Рис. 140. Структурна діаграма для чавунів, на якій показано, яка може утворюватись структура у виливках в залежності від кількості вуглецю і кремнію (Зі + С) і товщини стінки. І- білі чавуни; II - сірі перлітні чавуни; III - сірі феритні чавуни.

На механічні властивості сірих чавунів значно впливають розміри й форма графітних включень. Сам графіт в порівнянні зі сталлю має дуже низькі механічні властивості, і тому графітні включення можна розглядати, як порожнини або тріщини. Отже, можна вважати, що чавун - це сталь з великою кількістю дефектів у вигляді порожнин і тріщин. Особливо небезпечною є пластинчаста форма графіту. Пластинки мають форму широких пелюстків і діють як тріщини, (їх гострі кінці являються концентраторами напружень в металічній основі чавуну). Пластинки графіту можуть бути крупними, прямолінійними, а можуть бути дрібними, закрученими. Звичайний сірий чавун з дрібними графітними виділеннями має більш високі механічні властивості. Його одержують модифікуванням. Для цього в рідкий чавун перед розливкою вводяться добавки (графіт, 75%-ний феросиліцій; силікокальцій в кількості 0,3- 0.8% тощо).

Пластівчаста форма графіту у ковкого чавуну і куляста форма графіту у високоміцного чавуну значно менше знижують міцність і пластичність металічної основи. Кулястий графіт утворює навколо себе тільки стискаючі напруження, які не сприяють розвиненню тріщин. Тому високоміцний чавун серед всіх чавунів має найбільш високі механічні властивості і призначається для виготовлення відповідальних деталей. Ковкий чавун з пластівчастим

графітом займає середнє положення за міцністю поміж звичайним сірим чавуном і високоміцним чавуном.

Стуктура металевої основи сірих чавунів може бути: феритною, перлітною і ферито-перлітною. Чим більше перліту, тим вища міцність чавуну.

Звичайні сірі чавуни (ГОСТ 1412-85) маркуються буквами СЧ, поряд з якими пишуться дві цифри, які відповідають значенням границі міцності при випробуванні на розтяг. Наприклад, СЧ15 - це звичайний сірий чавун з феритною металевою основою, границя міцності його о_в=150МПа (15 кг/см²); СЧ45 - звичайний сірий пер- літний чавун з а_в=450 МПа (45 кг/см²). Пластичності звичайні сірі чавуни не мають (5<1%).

Застосування відливок з сірого чавуну різноманітне - від поршневих кілець двигунів до станин масивних верстатів. Сірі чавуни - дешеві, мають хороші ливарні властивості, добре обробляються різанням, а під час експлуатації надійно працюють при стискаючих навантаженнях, добре гасять коливання агрегатів, працюють як підшипникові й зносостійкі матеріали.

С

Рис.141. Схеми мікроструктур сірих чавунів: а) феритного;

б) фернто-перлітного;

в) перлітного; г) ковкого; д) високоміцного.

в)

хеми мікроструктур сірих чавунів представлені на рис. 141, а фотографії мікроструктур показані на рис. 142.

К

Рис. 142. Мікроструктури чавунів: а) сірого ферито- перлітного; б) сірого перлітного; в) ковкого феритного; г) високоміцного ферито-перлітного, х 230.

овкі чавуни з пластівчастою формою графіту одержують після спеціального відпалу виливок з білого доевтектичного чавуну. Хімічний склад білого чавуну вибирають в границях: 2,5-3,0% С; 0,7-1,5% 5і; 0,3-1,0%Мп; < 0,12% 8; < 0,18% Р (в залежності від потреби структури металічної основи). Металічна основа може бути феритна або перлітна. Відпал проводять в два етапа. Спочатку виливки витримують при 950-970°С. В цей період протікає стадія графітизації, тобто розпад цементиту, який входить до складу ледебуриту (А+Ре₃С), і цементиту вторинного. В результаті після повільного охолодження аустеніт перетворюється в перліт, і мікроструктура ковкого чавуну буде складатись із перліту, графіту і невеликої кількості фериту, розташованого навколо графітних виділень. .Якщо в евтектоїдному інтервалі температур (760-720°С) різко знизити швидкість охолодження або дати витримку при температурі трошки нижче цього інтервалу (720°С), то пройде графітизація евтектоїдного цементиту. В результаті структура ковкого

чавуну буде складатись із фериту і графіту (рис. 142в). Феритні чавуни мають більшу пластичність, а перлітні - більшу міцність. Норми механічних властивостей ковких чавунів і їх маркування приведено в ГОСТ 1215-79. В марках спочатку пишуться літери КЧ, а потім значення а„ і 8%. Наприклад, КЧ 37-12 означає марку ковкого чавуну з границею міцності о_в=370 МПа і пластичністю 8=12%.

і ковких чавунів виготовляють деталі підвищеної міцності, які працюють в тяжких умовах зносу, при ударних навантаженнях (деталі водяної арматури, муфти, гаки, колеса, фланці, гайки, маточини тощо).

Високоміцні чавуни з кулястою формою графіту (ЧШГ) одержують модифікуванням рідкого чавуну в ковші (або в самих виливках) металічним магнієм (0,03-0,07%), а також введенням 8-10% магнієвих лігатур з нікелем, феросиліцієм, РЗМ (У).

Під впливом модифікаторів графіт в процесі кристалізації приймає кулясту форму. За властивостями високоміцний чавун не поступається вуглецевим сталям. Крім того, він має хороші ливарні властивості, добру обробляємість різанням, здатність гасити вібрації, високу зносостійкість тощо. Звичайний склад чавуну: 3,2- 3,6%С; 1,6-2,9%5ї; 0,3-0,7%Мп; до 0,02%5 ; до 0,1 %Р. Металічна основа може бути феритна, ферито-перлітна, перлітна (рис. 142г). За ГОСТ 7293-79 високоміцні чавуни маркують літерами ВЧ і цифрами, що вказують механічні властивості. Напрклад, ВЧ 80-2 означає марку високоміцного чавуну з о_в = 800МГ1а і 5 = 2%. Але відповідно до ГОСТ 7293-85 цифра відносного подовження 8 не враховується і не пишеться (наприклад, ВЧ 60, ВЧ 45).

Для підвищення механічних властивостей (пластичності і в'язкості), а також зняття внутрішніх напружень виливки з високоміцних чавунів термообробляються. Високоміцні чавуни відносяться до машинобудівних матеріалів і в багатьох випадках заміняють сталі. Наприклад, з них виготовляють колінчасті вали, поршні, обладнання прокатних станів, ковальські молоти тощо.

На практиці чавуни часто використовують як антифрикційні зносостійкі матеріали. Антифрикційні чавуни застосовують для виготовлення підштаників ковзання, втулок і інших деталей; вони містять підвищену кількість графіту і мають ферито-перлітну або перлітну структуру. Маркуються сірі антифрикційні чавуни АЧС-1; АЧС-2; АЧС-3; високоміцні - АЧВ-1 і АЧВ-2, ковкі - АЧК-1, АЧК-2.

В наш час створено велику кількість легованих чавунів, які мають спеціальні властивості, що дозволяє їх застосовувати для роботи при підвищених температурах, в хімічно агресивних середовищах та в інших складних умовах.