4.1. Сплавы железо – углерод
. В этих сплавах могут присутствовать следующие фазы:
1) жидкий раствор Fe и С;
2) феррит (обозначение Ф или σ) – твёрдый раствор внедрения С в α-Fe. Концентрация углерода С = 0,02 – 0,1%. Это мягкий, пластичный материал.
3) аустенит (А или γ) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-Fe, концентрация углерода до 2,14%;
4) цементит – карбид железа Fe3C, содержит 6,69% углерода. Цементит очень твёрд;
5) графит.
Рассмотрим фазовую диаграмму Fe – Fe3C (рис. 4.2). Диаграмма содержит 2 эвтектические точки – точку С и точку S. В точке С при температуре 1147 оС из расплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит. Сплав этого состава (4,3 % С) называется ледебурит. Сплавы, содержащие от 2,14 до 4,3 % С называют доэвтектическими, содержащими от 4,3 до 6,67 % С – заэвтектическими.
Рис. 4.2. Фазовая диаграмма железо – карбид железа Fe3C..
В левой части диаграммы в области AESG находится аустенит, в область GPQ - феррит. Между ферритом и аустенитом существует область GSPG, где одновременно существует феррит и аустенит, а при более низкой температуре – феррит и цементит. В эвтектической точке S (содержание С = 0,8 %) при температуре 727 оС аустенит превращается в перлит, представляющий собой смесь феррита и цементита. Сплавы, содержащие меньше 0,8 % С называются доэвтектоидными, содержащий 0,8% С называют эвтектоидными, а от 0,8 до 2,14 % С – заэвтектоидными. Сплавы с содержаием углерода до 2,14 % называются сталями, а от 2,14 до 6,67 % С – чугунами. Чугуны в зависимости от скорости охлаждения могут быть белыми или серыми. В белых чугунах весь углерод связан в цементит Fe3C, а в серых углерод присутствует в виде графита – шаровидного, пластинчатого или хлопьевидного. Сплав, содержащий углерода меньше 0,025 %, называют техническим железом. Если перлит нагреть выше эвтектической точки S, начнётся превращение перлита в аустенит. Здесь может протекать два параллельных процесса: а) превращение α-Fe в γ-Fe;
б) растворение цементита Fe3C в γ-Fe с образованием аустенита.
Доэвтектоидные стали при 20 оС имеют структуру феррита, заэвтектоидные имеют двухфазную структуру и содержат перлит и цементит
Доэвтектические чугуны при 20оС содержат перлит, цементит и ледебурит, заэвтектические – ледебурит и цементит.
Критичские точки, лежащие на линии GS, обозначают индексом А3, при нагревании их обозначают Ас3, а при охлаждении – Аr3.
Критические точки, лежащие на линии SE, обозначают Асm.
Критическиеточки, лежащие на линии PSK, обозначают А1.
4.2. Легированные стали.
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей, влияющих на ее свойства. Эти же примеси, но в большем количестве, присутствуют и в чугунах.
Влияние углерода на свойства сталей. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз - феррита и цементита (см. рис. 4.2). Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и вязкость. Поэтому с увеличением в стали углерода возрастают твердость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость. Предел выносливости с повышением содержания углерода снижается. С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растет электрическое сопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.
Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой, хорошо раскисленной стали в качестве примеси обычно не превышает 0,37 %, а марганца - 0,8 %. Кремний и марганец переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Процессы раскисления улучшают свойства стали. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести. Марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности и резко уменьшая красноломкость стали, то есть хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.
Влияние серы. Сера - вредная примесь в стали. Она приводит к красноломкости (горячеломкости) при нагреве до температур прокатки или ковки (1000 - 1200 0С). Сернистые включения снижают ударную вязкость, пластичность и предел выносливости, сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Содержание серы в стали не должно превышать 0,035 - 0,06 %. Марганец в стали исключает явление красноломкости.
Влияние фосфора. Фосфор - вредная примесь, его содержание в стали не должно превышать 0,025 - 0,045 %. Фосфор увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость, повышает порог хладноломкости стали.
Введение специальных добавок в вещество называется легированием. В стали, представляющие собой систему железо – углерод, обычно вводят следующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb, реже – Al, Cu, B.
Легирующие добавки (лигатуры) изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектики, влияют на растворимость углерода в аустените (С + γFe). Некоторые лигатуры образуют с углеродом карбиды или взаимодействуют друг с другом и железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллоиды.
Сплавы подразделяются:
в зависимости от введённых элементов - на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.д.;
в зависимости от количества добавки – на низко-, средне-, и высоколегированные. Низколегированные содержат до 5% добавок, среднелегированные – от 5 до 10%, высоколегированные – свыше 10% добавок.
По качеству стали подразделяются на обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Качество – это совокупность свойств.
Марки легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, обозначающих её состав. Буквы русского алфавита соответствуют: Х – Cr, H – Ni, Г – Mn, C – Si, M – Mo, B – W, T – Ti, Ф – V, Ю – А1, Д – Сu, Б – Nb, P – B, K – Co. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в %. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента меньше 1%. Две цифры в начале марки обозначают содержание углерода в сотых долях %. Например: 20ХН3А обозначает, что сплав содержит 0,2% С, 1% Cr и 3% Ni. Буква А говорит о том, что сталь высококачественная. Особовысококачественная сталь обозначается буквой Ш. Некоторые марки стали имеют вначале, перед цифрами, букву Ш – это шарикоподшипниковая сталь. Буква Э говорит о том, что сталь электротехнического назначения.
Лигатуры влияют на устойчивость феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске и прокаливании, на размер зёрен.
Из сталей нормальной и повышенной прочности в машино- и приборостроении наибольшее применение имеют низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеуглеродистые (улучшаемые), содержащие обычно менее 5% легирующих элементов.
Цементуемые ( С = 0,1 – 0,3%) могут содержать Cr, Mn, Mo, Ti, Ni, Si, например, 15Х, 20ХН3А, 18Х2Н4МА. Свойства изделий из них повышают
путём насыщения поверхности углеродом с последующей закалкой (800 – 900 оС) и отпуском (≈ 200оС). В результате такой обработки повышается поверхностная прочность (HRC = 58 – 63), а сердцевина остаётся прочной и вязкой. Такие изделия (зубчатые колёса, кулачки и т.д.) приобретают устойчивость к циклическим и ударным нагрузкам. Они обладают σв = 700 – 1500 МПа, σ0,2 = 500 – 1300 МПа.
Улучшаемые стали подвергают закалке при 830 – 850 оС и отпуску при 500 – 600 оС. После такой термообработки материал обладает повышенной прочностью (σв = 1000 – 1200 МПа, σ0,2 = 800 – 1100 МПа), хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещин, уменьшается порог хладноломкости. Из улучшаемых сталей изготавливают валы, штоки, шатуны и т.д. Примерами таких сталей служат 40Х, 30ХГСА, 38ХН3МА и др.
Рессорно-пружинные стали должны обладать высоким модулем упругости. Они содержат 0,5 – 0,7 % С и лигатуры, выбираемые из Mn, Si, Cr, V, Ni. Эти стали подвергают закалке и отпуску при 420 – 520 оС. Наивысшие механические свойства проявляют стали 70С3А, 60С2Н2А, 60С2ХА. σв этих сталей достигает значений более 1800 МПа, а σ0,2 = 1600 МПа.