ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Сплавы железа с углеродом из "Конструкционные и электротехнические материалы " Сплавы на основе железа и особенно железоуглеродистые сплавы — стали и чугуна — продолжают оставаться важнейшими материалами. Для правильного понимания природы свойств разнообразных марок современных сталей и чугунов, включая и специ-альные, так называемые легированные, стали, необходимо получить хорошее представление о диаграмме железо—углерод, разобраться в отраженном на ней структурно-фазовом составе и открытых Д. К. Черновым критических температурных точках. [c.22] Железо может находиться в двух аллотропических формах, которым соответствуют решетки ОЦК и ГЦК (см. рис. 1.4). Если чистое железо претерпевает аллотропическое превращение ОЦК ГЦК,. т. е. a-Fe ч у-Ре при 911 °С, то при сплавлении с углеродом эта температура может снизиться вплоть до 727 °С (рис. 1.12, линия PSK). Температура плавления железа составляет 1539 °С. [c.23] Второй компонент рассматриваемой системы сплавов — цементит — имеет более сложную, чем у железа, кристаллическую решетку и плавится при Т 1250 °С. [c.23] В аустените в зависимости от температуры нагрева может раствориться до 2,14 % углерода (при Т = 1147 °С). Атомы растворенного в аустените углерода располагаются в центрах ячеек ГЦК. [c.23] Обычно аустенит существует при Т 727 °С. При комнатной температуре он иногда в небольших количествах может сохраниться только в закаленной стали. Он очень пластичен (б = 40 Н- 50 %). его твердость НВ составляет 1700—2000 МПа (170—200 кгс/мм ). [c.23] При Т = 727 °С аустенит может содержать только 0,8 % углерода (точка S на рис. 1.12 во всех точках на линии PSK аустенит также содержит 0,8 % углерода, находясь в равновесии с сопутствующим ему на участке PS ферритом, а на участке SK — цементитом). [c.23] При повышении температуры растворимость углерода в аустените возрастает по линии SE вплоть до 2,14 % при 114 °С. Очень важно уяснить, что при охлаждении всех сплавов, содержащих аустенит и лежащие ниже и правее линии его насыщения углеродом Е, из него вследствие уменьшения растворимости будет выделяться углерод. Выделяющийся углерод образует цементит, получивший название вторичного—Цп (рис. 1.12, области ниже и правее линии SE). [c.23] Легко проследить, что количество цементита в сплавах возрастает от О до 100 % при 6,67 % углерода. В то же время количество феррита соответственно убывает от 100 % до 0. В связи с этим у сплавов будут возрастать свойства, привносимые цементитом, и снижаться характеристики, определяемые ферритом. [c.24] Твердость феррита зависит от фактического количества растворенного в нем углерода и может достигать 800 МПа (80 НВ). Феррит, входящий в состав реальной промышленной стали, благодаря неизбежно попадающим в нее при выплавке и растворяющимся в нш некоторым количествам кремния и марганца имеет более вы-сокую твердость, доходящую до 1000 МПа (100 НВ), Он очень пластичен, его относительное удлинение б = 50 %, а поперечное сужение = 80 %. [c.24] Цементит является самой твердой и хрупкой фазой и структурной составляюп1ей в рассматриваемом ряду сплавов. Его твердость максимальна (второе место после алмаза) и составляет 8000 МПа (800 НВ), а пластичность равна нулю, так как он способен только к небольшим упругим деформациям. [c.24] Теперь легко понять, что при увеличении в сплаве содержания углерода вследствие возрастания в нем количества твердого и хрупкого цементита и соответственно уменьшения доли мягкого и пла-стичного феррита твердость и прочность сплава должны повышаться, а пластичность и вязкость — уменьшаться. При этом, поскольку в данном случае образуется механическая смесь этих двух фаз (Ф + Ц), свойства согласно закону Курнакова изменяются по линейному закону (см. рис. 1.11, а, в соответственно для смесей А + В и а + р). [c.24] Таким образом, представленные на диаграмме рис. 1.12 сплавы охватывают собой широкий и противоречивый диапазон механических свойств высокие пластичность, вязкость сравнительно небольшая твердость в левой части и огромная твердость с ничтожно малыми пластичностью и вязкостью — в правой. [c.24] Все помещенные на этой диаграмме сплавы принято делить на стали и чугуны. К сталям формально относятся сплавы, содержащие менее 2,14 % углерода, остальные сплавы причисляются к чугунам. Перечисленные ранее входящие в состав сталей и чугунов фазы (аустенит, феррит, цементит) могут находиться в них как отдельные структурные составляющие в виде зерен или мелких продолговатых включений. Они также образуют характерные структурные составляющие — механические смеси с некоторыми присущими им признаками — перлит и ледебурит. [c.24] Перлит представляет собой механическую смесь тонких пластинок цементита и находящихся между ними более толстых пластинок феррита. Он образуется при 727 °С из аустенита, содержащего 0,8 % углерода. [c.24] Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их свойств. [c.25] При дальнейшем охлаждении содержание углерода в аустените из-за уменьшения растворимости снижается по линии FS и при 727 °С (линия SK) достигает 0,8 %. Аустенит при этом превращается в перлит и, таким образом, ледебурит становится смесью зернышек перлита и цементита. По описанной причине на диаграмме (рис. 1.12) ледебурит с аустенитом обозначен Лд, а с перлитом — Лп. Ледебурит содержится только в чугунах и отсутствует в сталях. [c.25] Понятие о выплавке и формировании качества чугуна и стали. Реальные свойства сталей и чугунов в значительной степени зависят от неизбежно попадающих в них при выплавке других элементов, которые могут или растворяться в феррите И цементите, или образовывать в сплавах твердые или газообразные неметаллические включения. Во всех этих случаях особенно сильно изменяются свойства сталей и надо четко себе представлять хотя бы схематично процесс выплавки стали. Основная масса производимой в стране стали получается из чугуна путем его переплавки. В свою очередь, чугун выплавляется из железной руды в специальных печных агрегатах, называемых доменными печами. Железная руда представляет собой сложный горный минерал, содержащий железо в количествах, обеспечивающих экономически рациональное ведение плавки. [c.25] Железо в руде содержится в виде оксида (Ре Оз, Рез04 или FeO), называемого рудным минералом. Кроме рудного минерала в руде содержится определенное количество перемешанной с ним пустой породы, в основном состоящей из кремнезема SiO-2. В железной руде, как правило, содержится небольшое количество марганца в виде минерала пиролюзита МпО . [c.25] На каждой из первых двух ступеней благодаря воздействию СО происходит частичное восстановление оксидов с образованием СОа, а на последней ступени взаимодействуют сильно разогретые кокс и закись железа, образуя губчатое железо. Последнее, взаимодействуя с раскаленным коксом и в особенности с СО, науглероживается и образует цементит 3Fe + 2СО Fe + СО . При увеличении суммарного содержания углерода до 4,3 % образуется легкоплавкая (ледебуритная) смесь, которая плавится и стекает в колодец доменной печи. Затем по мере повышения температуры в нижних горизонтах печи и образования новых порций губчатого железа они плавятся в образующемся чугуне, который скапливается в колодце. [c.26] Вернуться к основной статье