Відповіді на питання по курсу «Матеріалознавство і термічна обробка чорних і кольорових металів»
1. Діаграма стану «Залізо – цементит» (метастабільні стани), і вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталі
На діаграмі (мал. 1) стану залізо-вуглець (цементит) приведені фазовий склад і структура сплавів з концентрацією від чистого заліза до цементиту (6,67% С). Система Fe- Fe3С метастабільна.
Мал. 1. Діаграма стану Fe- Fe3С
Лінії діаграми стану Fe- Fe3С , що визначають процес кристалізації, мають наступні позначення і фізичний сенс. АВ (лінія ліквідус) показує температуру початку кристалізації а (5) - фериту (Ф5) з рідкого сплаву (Ж); ВС (лінія ліквідус) відповідає температурі початку кристалізації первинного аустеніту (А) з рідкого сплаву (Ж); CD (лінія ліквідус) відповідає температурі початку кристалізації первинного цементиту (Fe3С) з рідкого сплаву (Ж); АН (лінія солідус) є температурним кордоном області рідкого сплаву і кристалів а (6) -фериту - нижче за цю лінію існує лише а (б) - ферит; HJB - лінія перитектичної нонваріантної (С=0) рівноваги (1490); по досягненню температури, відповідній лінії HJB, протікають перетектично реакції (рідина складу В взаємодіє з кристалами α(δ) - фериту складу Н з утворенням аустеніту складу J):
ЖВ+ФН→АJ
Лінії ECF(лінії солідус) відповідають кристалізації евтектики – ледебуриту:
Жc→АЕ+Fe3С
Сталь є багатокомпонентним сплавом, що містить вуглець і ряд постійних домішок: Si, Mn, S,P, O, N та ін., які роблять впливи на властивості.
Структура сталі після повільного охолодження складається з двох фаз – фериту і цементиту. Кількість цементиту зростає в сталі прямо пропорціонально вмісту вуглецю. Із збільшенням вмісту вуглецю в сталі знижується щільність, зростають електроопір і коерцитивна сила і знижуються теплопровідність, залишкова індукція і магнітна проникність.
Вміст кремнію у вуглецевій сталі, в якості домішку зазвичай не перевищує 0,35-0,4%, а марганцю 0,5-0,8%. Кремній, що залишається після розкислювання в твердому розчині (фериті), сильно підвищує межу текучості. Це знижує здатність сталі до витягу і особливо холодної висадки.
Сірка і фосфор є шкідливою домішкою, і вміст їх в сталі допускається не більше 0,025-0,045%. Шкідливий вплив фосфору ускладнюється тим, що він має велику схильність до ліквації. Внаслідок цього в серединних шарах злитка окремі ділянки збагачуються фосфором і мають різко знижену в'язкість.
Азот і кисень присутні в сталі у вигляді крихких неметалічних включень, оксидів, нітридів й ін. Неметалічні (оксиди, нітриди, частки шлаку) включення будучи концентратором напруги, можуть сильно знизити, якщо вони присутні в значних кількостях або розташовуються у вигляді скупчень, межа витривалості і в'язкість руйнування.
2. Класифікація чавунів залежно від форми графіту і умов його утворення. Вплив вуглецю і постійних домішок на структуру і механічні властивості чавунів
Сплав заліза з вуглецем > 2,14% називають чавуном. Вуглець в чавуні може знаходитися у вигляді цементиту або графіту, або одночасно у вигляді цементиту і графіту. Залежно від форми графіту і умов його утворення розрізняють наступні групи чавунів: сірий, високоміцний, з кулевидним графітом і ковкий.
Сірий чавун (технічний) є по суті сплавом Fe-Si-C, що містить як неминучі домішки Mn, S і Р. В структурі сірих чавунів велика частина або весь вуглець знаходиться у вигляді графіту. Найбільш широке вживання отримали доевтектоїдні чавуни, що містять 2,4-3,8% С: чим вище вміст в чавуні вуглецю, тим більше утворюється графіту і тим нижчі його механічні властивості.
Високоміцний чавун отримують присадкою в рідкий чавун невеликих добавок деяких лужних або лужноземельних металів (сфероідизуючі модифікатори). Частіше для цієї мети застосовують магній в кількості 0,03-0,07%. Під дією магнію графіт в процесі кристалізації набуває не пластинчастої, а кулевидної форми. Чавуни з кулевидним графітом мають вищі механічні властивості, не поступаючи литій вуглецевій сталі, зберігаючи при цьому хороші ливарні властивості і оброблюваність різанням.
Ковкий чавун отримують тривалим нагрівом при високих температурах з білого чавуну. В результаті відпалу утворюється графіт пластівчастої форми. Такий графіт в порівнянні з пластинчастим менше знижує міцність і пластичність металевої основи структури чавуну. Металева основа ковкого чавуну: ферит і рідше перліт. Найбільшою пластичністю володіє феритний ковкий чавун, який застосовують в машинобудуванні.
До спеціальних чавунів відносяться жаростійкі, які володіють окалиностiйкiстю, трiщиностiйкiстю; жароміцні, такі, що володіють високою тривалою міцністю і повзучістю при високих температурах, і корозiйностiйкi чавуни.