1.4 Железоуглеродистые сплавы - основные
конструкционные материалы
1.4.1 Общие положения
С древнейших времен в качестве конструкционных материалов используются не только металлические, но и неметаллические материалы. Однако, несмотря на успехи, достигнутые в создании неметаллических материалов, все же основными являются металлические конструкционные материалы.
В технике наиболее широко применяются железоуглеродистые сплавы, к которым относятся стали и чугуны. Например, сталь имеет лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности из всех известных в технике материалов и поэтому является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Чугуны также обладают рядом ценных качеств, выгодно отличающих их от других конструкционных материалов. Объем производства чугуна и стали более чем в 10 раз превосходит объем производства других металлических материалов.
Изучение процессов кристаллизации железоуглеродистых сплавов и закономерностей образования фаз и структурных составляющих осуществляется на основании диаграммы состояния системы Fe – C, а именно той её части, которая имеет промышленное значение и ограничивается концентрацией углерода равной 6,67%, т. е. диаграммы Fe – Fe3C.
Компонентами в этой системе являются железо и углерод.
Железо – металл серебристо-белого цвета, с температурой плавления, равной 1539оС. До температуры 768оС (точка Кюри) железо является ферромагнитным, а выше – парамагнитным.
Железо имеет две аллотропические модификации: Fea (с объемно-центрированной кубической решеткой) и Feg ( с гранецентрированной кубической решеткой). Fea существует при температурах ниже 911оС и выше 1392оС. В интервале температур 911…1392оС существует Feg.
Углерод также существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.
Имеются две диаграммы состояния: метастабильная – характеризующая превращения в системе железо-цементит, и стабильная, характеризующая превращения в диаграмме железо – графит (рис. 5).
Фазами в сплавах железа с углеродом являются жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.
Линия PSK обозначается А1, линия GS – А3. При нагревании добавляется индекс с – (АС1), а при охлаждении r – (Ar1). Линия SE обозначается Аcm.
Рисунок 5 - Диаграмма состояния системы Fe-Fe3C (сплошные
линии отвечают метастабильной диаграмме,
штриховые – стабильной)
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fea. Различают низкотемпературный (предельная растворимость углерода – 0,025%) и высокотемпературный феррит (предельная растворимость углерода – 0,1%). Механические свойства феррита: sв = 300 МПа; δ = 40%; y = 70%; КСU = 2,5 МДж/м2; 80…100 НB.
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Feg с максимальной растворимостью 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита, его твердость составляет 160…200 НВ при комнатной температуре.
Цементит представляет собой химическое соединение Fe3C, содержит 6,67%С и имеет сложную ромбическую решетку. Цементит тверд (до 800 НВ) и хрупок, обладает слабым ферромагнетизмом до 210оС. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве, но при сверхбыстром нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260оС.
Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет слоистую гексагональную кристаллическую решетку с расстоянием между плоскостями, равным 0,340 нм. Межатомные расстояния составляют 0,142 нм. Графит обладает низкой прочностью и твердостью, что объясняется большими расстояниями и слабой связью меду слоями в его решетке. Температура плавления графита достигает 3500оС, а плотность – 2,5 г/см3.
В результате эвтектоидного превращения при температуре 727оС образуется эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита – перлит.
В результате эвтектического превращения при температуре 1147оС образуется эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита – ледебурит.