Лекция №3. Железоуглеродистые сплавы

Сплавы железа с углеродом (стали и чугуны) являются наиболее распространенными материалами. Они называются черными металлами и составляют около 95% от производства металлов. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении сталей и чугунов.

3.1. Диаграмма состояния железо – углерод

Прежде чем рассматривать превращения в сплавах этой системы, рассмотрим свойства и строение компонентов и фаз системы, а также области их существования.

Компоненты системы Fe – C. Чистое железо (Fe) – серебристо-белый полиморфный металл, с плотностью γ = 7,86г/см³, атомный номер 26, атомный вес 55,85, температура плавления 1539°C, имеет невысокую твердость HB80. При нагреве железо испытывает полиморфные превращения (рис. 1.9) и имеет две полиморфные модификации Fe_α и Fe_γ.

Углерод (C) – неметаллический полиморфный элемент (графит и алмаз), с плотностью 2,25 г/см³.

Фазы системы Fe – C. Все сплавы комбинируются из трех однофазных и двух двухфазных структурных составляющих.

Однофазные структурные составляющие. Феррит – твердый раствор внедрения углерода в F_α, обозначается Fe_α(C) – Ф. Максимальная растворимость углерода в феррите достигает 0,02% при 727°С и 0,006% при 20°С. Феррит - это белые по цвету кристаллы, по свойствам он близок к свойствам технически чистого железа. Область существования феррита – QPG.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Его обозначают Fe_γ(C) – A. Хорошо растворяет углерод, при t = 1147°С содержит 2,14% С, а при = 727°С – 0,8%С. Аустенит парамагнитная, пластичная фаза. Область аустенита NJESG.

Цементит (Ц) – химическое соединение Fe₃C- карбид железа, образующийся при содержании углерода 6,67%. Температура плавления 1600°С. Имеет белый, блестящий цвет, хрупкий, твердый. Может быть  первичный, вторичный, третичный. Область цементита DFKL.

Имеется еще жидкая фаза, располагающаяся выше линии ликвидус. Железо хорошо растворяет углерод, образуя однородную жидкую фазу – Ж.

Двухфазные структурные составляющие. Ледебурит – эвтектика системы Fe – Fe₃C,  представляет собой механическую смесь цементита и аустенита и содержит 4,3%С. Кристаллизуется при t = 1147°С, обозначается – Л. Эвтектическая реакция: Ж_C↔ Л_C(А_E + Ц_F).        При температуре 727°С происходит эвтектоидное превращение ледебурита, и его структура будет Л_C(П_S + Ц)

Перлит – эвтектоид системы Fe - Fe₃C – механическая смесь, состоящая из мелких пластинок цементита в ферритной основе. Обозначается – П. Перлит образуется из однофазного раствора Fe_γ(С) при полиморфном превращении Fe_γ→ Fe_α при температуре t = 727°С и концентрации углерода 0,8%.

Fe_γ(C)_0,8%→ Fe₃C_6,67% + Fe_α(C)_0,025%

Железо, взаимодействуя с углеродом, образует ряд химических соединений: Fe₃C, Fe₂C, FeC и др. Поскольку химическое соединение в диаграммах состояния может быть рассмотрено как компонент, то диаграмму железо-углерод обычно изображают только до содержания углерода 6,67%, при котором образуется карбид железа Fe₃C (устойчивое химическое соединение). Поскольку практическое значение имеет только эта часть диаграммы железо-углерод, то этот участок диаграммы называют диаграммой состояния железо – цементит.

Рис. 3.1. Диаграмма состояния железо – углерод (железо – цементит)

Линия ABCD является линией ликвидус (S), линия AHJECD- линией солидус (L) системы железо-цементит. По линии ECF, при t = 1147°С происходит эвтектическое превращение А_E + Ц_F → Л_C, т. е. образуется эвтектика – ледебурит.

По линии PSK происходит эвтектоидное превращение Ф_P + Ц_K → П_S, то есть образуется эвтектоид системы – перлит. К линии PSK аустенит подходит с концентрацией 0,8%С. Если концентрация углерода меньше 0,8%, то по линии GS из аустенита выделяется феррит, если больше – то по линии ES выделяется цементит вторичный – Ц_II. Линия PQ – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита. Избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe₃C – цементит. Чтобы отметить особенности выделения цементита в сплавах с концентрацией углерода менее 0,025% его обозначают цементит третичный – Ц_III. Он выделяется в виде дисперсных включений в зернах феррита, увеличивая его прочность.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы Fe – Fe₃C, т. е. критические точки, имеют условное обозначение. Все критические точки обозначаются буквой А. При нагреве к А добавляют букву «с», то есть Ас, а при охлаждении – «r», то есть Ar.

Первая критическая точка А₁ лежит на линии PSK (727°С) и соответствует превращению П ↔ А; А₂ соответствует температуре 768°С – точка Кюри, А₃- линия GS, по которой происходит превращение Ф↔А, температура которого зависит от концентрации углерода в сплаве, Аcm – линия SE – начало выделения Ц_II.

Все сплавы системы Fe-Fe₃C по структурному признаку делят на две большие группы: стали и чугуны.

Углеродистыми сталями называют сплавы железа с углеродом до концентрации 2,14%С. Это теоретическое определение. На практике в сталях, как правило, не содержится углерода более 1,5%. Их подразделяют на: доэвтектоидные стали – (содержащие от 0,025% до 0,8%С, Ф + П), эвтектоидную – (0,8%С, П), заэвтектоидные – (0,8%...2,14%С, П + Ц_II), рис. 3.2.

а                                 б                                 в

Рис. 3.2. Микроструктуры углеродистых сталей:

а – доэвтектоидная; б – эвтектоидная; в – заэвтектоидная

В доэвтектоидной стали феррит выявляется в микроструктуре в виде светлых полей, а перлит – в виде полей полосчатого (темного) строения (рис.3.2а), где общий светлый фон – феррит, а темные места – тени от выступающих цементитных пластин.

Количество перлита в структуре стали возрастает пропорционально увеличению содержания углерода, это происходит до содержания углерода 0,8%, когда он становится единственной структурной составляющей эвтектоидной стали (рис. 3.2б).

Микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного, который при медленном охлаждении выделяется в виде сетки по границам зерен перлита (рис. 3.2в).

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода больше 2,14% (до 6,67%), называют чугунами. Их подразделяют на доэвтектические (2,14%...4,3%С, П + Ц_II + Л(П + Ц)), эвтектический (4,3%С, Л(П + Ц)) и заэвтектические (4,3%С…6,67%С, Ц_I + Л(П + Ц)) (рис. 3.3).

а                                  б                                  в

Рис. 3.3. Микроструктуры чугунов:

а– доэвтектический; б – эвтектический; в – заэвтектический

Кроме этого выделяют технически чистое железо (до 0,025%С, Ф + Ц_III).

При охлаждении железоуглеродистых сплавов углерод может не только химически взаимодействовать с железом, но и выделяться в форме графита. Иначе говоря, жидкий раствор, феррит и аустенит могут находиться в  равновесии не только с цементитом, но и графитом, и тогда диаграмма состояния будет железо – графит.

Цементит – фаза менее устойчивая, чем графит Г поэтому диаграмма Fe – Fe₃C неустойчивая, метастабильная, а Fe – Г – устойчивая. Процесс образования графита носит название графитизация. Графитизация больше проявляется в правой части диаграммы и приводит к образованию половинчатых или серых чугунов, имеющих в своей структуре графит, в отличие от белых чугунов, содержащих в своей структуре только цементит.

3.2. Углерод и постоянные примеси в стали, их влияние на ее свойства

Фазовый состав любой стали в равновесном состоянии – феррит + цементит. Количество цементита возрастает пропорционально росту содержания углерода, и поскольку цементит – твердая, хрупкая фаза, то повышаются прочностные свойства стали (до 0,9%С), твердость, снижаются пластичность и ударная вязкость. С повышением содержания углерода ухудшаются технологические свойства – падают свариваемость, обрабатываемость резанием, деформируемость в горячем и холодном состоянии. На каждые 0,1% С повышается на 20°С порог хладноломкости. Кроме железа и углерода в стали всегда присутствует постоянные примеси.

К постоянным примесям относятся марганец – Mn, кремний – Si, сера – S, фосфор – P.

 Кремний и марганец являются технологическими примесями и находятся в углеродистых сталях в количестве 0,35…0,40% и 0,5…0,8% соответственно. Раскисляя сталь, Si и Mn улучшают её свойства и являются полезными примесями. Растворяясь в феррите, Si и Mn упрочняют его, повышают предел упругости, причем Mn связывает серу и парализует ее вредное влияние.

Сера резко ухудшает свойства стали, выше допустимого предела (0,06%) способна образовывать с железом легкоплавкую эвтектику FeS + Fe и вызывать красноломкость.

Фосфор допускается до 0,045%, растворяясь в феррите, упрочняет его и охрупчивает при низких температурах – резко повышает порог хладноломкости. Сера и фосфор являются вредными примесями.

Кроме постоянных примесей в сплавах железо-углерод имеются скрытые и случайные примеси.

К скрытым примесям относятся газы (O₂, H₂, N₂), находящиеся в сталях в очень малых количествах. Эти примеси ухудшают пластичность стали.

Случайными называют примеси цветных металлов (Cu, Pb, Sn, Sb и др.), внесенные в сталь вместе с шихтовыми материалами.

3.3. Классификация и маркировка сталей

По химическому составу стали могут быть углеродистыми и легированными. Углеродистые содержат железо, углерод и примеси, а легированные содержат дополнительно легирующие элементы, введенные в сталь с целью изменения ее свойств.

По содержанию углерода углеродистые и легированные стали делят на низкоуглеродистые (до 0,25%С), среднеуглеродистые (0,25…0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7%С).

По назначению различают стали конструкционные, идущие на изготовление конструкций, сооружений, деталей машин и инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента.

По качеству конструкционные стали классифицируют на стали обыкновенного качества и качественные. Качество стали определяется совокупностью свойств, определяемых процессом производства, химическим составом, содержащим газов и вредных примесей. В соответствии с ГОСТом стали обыкновенного качества должны содержать не более 0,04% Р и 0,05% S, а качественные -не более 0,035% Р и 0,04% S.

Инструментальные углеродистые стали могут быть качественные и высококачественные (Р, S ≤0,035%).

По раскислению – в зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп), что и указывают в марке.

По выплавке – конверторные, мартеновские, электростали.

Углеродистые стали. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества а зависимости от назначения и гарантируемых свойств делятся на три группы А, Б и В.

Стали группы А имеют гарантируемые механические свойства. Они используются в состоянии поставки без горячей обработки. Они маркируются буквами Ст. и цифрами, обозначающими порядковый номер марки. Выпускается семь марок сталей этой группы: Ст.0, Ст.1, Ст.2…Ст.6. В зависимости от раскисления ставятся буквы «сп», «пс», «кп». Например, Ст.1сп, Ст.3кп, Ст.5пс. С увеличением номера стали увеличивается содержание углерода (от 0,1 до 0,5% С, исключение – Ст.0 ≈ 0,23% С).

Стали группы Б имеют гарантируемый химический состав. Эти стали подвергаются горячей обработке (ковке, сварке, термообработке, упрочнению ТМО и т. д.). При этом механические свойства не сохраняются, а химический состав важен для определения режима обработки. Они маркируются: БСт. 1… БСт.6.

Стали группы В имеют гарантируемые механические свойства и химический состав и используются, как и сталь группы Б. В марках этой стали на первое место ставится буква В: ВСт.1…ВСт.5. Углеродистая сталь обыкновенного качества – дешевая, ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей.

Из сталей Ст.1, Ст.2, Ст. 3 группы А изготавливают крепеж, балки и т.д., из Ст.1,Ст.2,Ст.3 групп Б, В – цементуемые изделия, малонагруженные валы, детали машин, Ст.4 – используют в судостроении, Ст.5, Ст.6 – идут на изготовление средненагруженных деталей (валы, пружины, рессоры, крепеж)

Углеродистые качественные конструкционные стали маркируются двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента и буквами, показывающими степень раскисления стали: сталь 08, сталь 10кп, сталь 20 и т. д. При содержании в стали 0,7- 1% Mn в марке стали добавляется буква Г: 15Г, 30Г, 65Г и т.д. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам.

Низкоуглеродистые конструкционные стали это малопрочные, высокопластичные стали, используемые для изготовления малонагруженных и цементуемых деталей, работающих на износ: шестерни, валы, втулки, прокладки и т.д.

Среднеуглеродистые стали более прочные и менее пластичные. Из них изготавливают: шпиндели, штоки, шатуны.

Высокоуглеродистые стали прочные с упругими свойствами, износостойкие. Из них изготавливают наиболее ответственные детали – пружины, рессоры и т.д.

Углеродистые инструментальные качественные стали маркируются буквой «У» и цифрой, обозначающей содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 …У13. В высококачественных сталях в конце марки ставится буква А – У7А.

Легированные стали. Легированной называют сталь, содержащую специально введенные в нее легирующие элементы с целью изменения строения и свойств. Легирующие элементы могут образовывать с железом твердые растворы – легированный феррит и легированный аустенит, и химическое соединение – легированный цементит или специальные карбиды.

Легированные стали классифицируются:

-     по равновесной структуре: доэвтектоидные стали (с избыточным ферритом), эвтектоидные (перлитная структура) и заэвтектоидные (с избыточным карбидом) – эти стали составляют перлитный класс, ледебуритные, аустенитные, ферритные;

-     по составу: никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.д.;

-     по назначению: конструкционные, инструментальные, с особыми свойствами;

-     по количеству легирующих элементов: низколегированные стали до 5%, среднелегированные – 5…10%, высоколегированные – более 10% легирующих элементов;

-     по качеству: качественные, высококачественные, особовысококачественные;

Маркируются легированные стали с помощью букв и цифр, указывающих примерный химический состав стали.

В конструкционных сталях первые две цифры в марке показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее показывается содержание легирующих элементов. Каждый элемент обозначается своей буквой: Х- хром, Н – никель, Т – титан, Д – медь, Г – марганец, С – кремний, А – азот, К - кобальт, Р – бор, Ф – ванадий, М – молибден, В – вольфрам, Ю – алюминий.

Цифры после буквы указывают примерное содержание этого элемента в процентах. Буква А в конце  обозначает, что сталь высококачественная, Ш - особовысококачественная.

В инструментальных сталях содержание углерода указывается одной цифрой и берется в десятых долях; если эта цифра отсутствует, то содержание углерода – более одного процента, легирующие элементы и их количество обозначают как обычно: 9ХС, ХВГ, ХВ5 . Например, сталь 9ХС содержит 0,9% С и примерно по одному проценту хрома и кремния.

Для некоторых групп сталей применяют другую маркировку.

3.4. Классификация и маркировка чугунов

Чугуном называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14%С. В практике машиностроения в большинстве случаев используют чугун с содержанием 2,5…4,0% С.

Чугуны классифицируются по назначению, степени графитизации или структуре, форме графита, микроструктуре металлической основы, химическому составу.

По назначению группы подразделяются на передельные (идут на переработку в сталь) и литейные (для изготовления отливок).

По структуре чугуны подразделяются на белый, серый и половинчатый, в зависимости от формы выделения С.

Белым называют чугун, в котором при нормальных условиях весь углерод находится в связанном состоянии, главным образом в форме цементита. На изломе у этого чугуна белый цвет и характерный металлический блеск. Наличие большого количества высокотвердого цементита обусловливает высокую хрупкость и плохую обработку резанием. Белый чугун в основном перерабатывают в сталь или при помощи термообработки трансформируют в ковкий чугун, иногда применяют как очень износостойкий материал.

Серым называют чугун, в котором весь углерод или большая его часть находятся в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержатся не более 0,8%. На изломе он имеет серый цвет.

В половинчатом чугуне часть углерода находится в виде графита, но при этом не менее 2%С присутствует в форме цементита.

По форме графита чугун подразделяется на серый – с пластинчатым графитом различной степени завихренности и толщины пластинок; ковкий – с хлопьевидными включениями графита; высокопрочный – с шаровидными включениями графита.

По структуре металлической основы чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

По химическому составу чугуны подразделяются на нелегированные, низко-, средне- и высоколегированные, содержащие соответственно 3…3,5%, 7…10% и более 10% легирующих элементов.

В промышленном чугуне кроме углерода обязательно содержатся кремний, марганец, сера и фосфор.

Кремний способствует графитизации чугуна и специально добавляется, его содержание в чугунах от 0,5% до 4,5%.

Марганец препятствует графитизации и способствует получению в структуре Fe₃С, содержание Мn в чугунах от 0,4 до 1,3%.

Сера является нежелательным элементом, она снижает жидкотекучесть, отбеливает чугун. Содержание S допускается не более 0,08…0,12%.

Фосфор – полезная примесь, улучшает жидкотекучесть, увеличивает твердость и износостойкость чугуна. Содержание P – 0,3…0,8%.

На структуру чугуна кроме углерода и кремния существенно влияет скорость охлаждения отливок. При быстром охлаждении получается белый чугун, при медленном – серый. Наибольшее применение находит серый чугун.

Серый чугун содержит до 3,8%С, при этом в форме цементита находится не более 0,8%С, а остальной углерод находится в виде графитовых пластинок – чешуек.

Металлической основой серого чугуна может быть Φ, Φ+Π, Π, при этом структура не влияет на пластичность серого чугуна (все равно низкая), но оказывает влияние на его твердость и прочность.

Графит имеет низкую механическую прочность, и места его залегания можно рассматривать как внутренние надрезы, трещины, нарушения сплошности. Чем больше графита и чем крупнее включения, тем ниже механические характеристики. Для измельчения включений графита проводят модифицирование жидкого чугуна путем добавления в него силикокальция, алюминия и ферросилиция.

Серый чугун широко применяют в машиностроении. Это дешевый металл с хорошими литейными свойствами. Он легко обрабатывается режущим инструментом, обладает хорошими антифрикционными и демферирующими свойствами.

Рис. 3.4. Влияние металлической основы и формы включений

графита на свойства чугуна

Серые чугуны маркируются буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, показывающими предел прочности при растяжении (временное сопротивление при растяжении σ_в). Например: СЧ12, СЧ18, СЧ21, СЧ36, СЧ40 и т.д.

Чугуны СЧ12 – СЧ18 используют для изготовления неответственных деталей: крышек, корпусов подшипников, фундаментных плит и т.п.

Чугун, начиная с СЧ21, используют для изготовления станин мощных станков, ответственных деталей, зубчатых колес и т.п.

При быстром охлаждении отливок графитизация может произойти только в середине отливки, а поверхность приобретает структуру белого или половинчатого чугуна. Такие отливки из серого чугуна называют отбеленными, они обладают хорошим сопротивлением износу, из них изготавливают валки и шары для мельниц, тормозные колодки и т.д.

Высокопрочный чугун содержит около 3,0…3,6%С. Его получают добавлением в жидкий чугун магния (0,03…0,07%) или других щелочных или щелочноземельных металлов. При этом выделяющийся графит приобретает шаровидную форму, такой графит меньше ослабляет металлическую основу, и механические свойства чугуна улучшаются – повышается его пластичность и увеличивается твердость. Металлическая основа высокопрочного чугуна также может быть различной: Ф, Ф+П, П.

Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности при растяжении в кгс/мм² и относительное удлинение в %, например: ВЧ38-47, ВЧ40-10, ВЧ50-2,5, ВЧ60-2 и т.д.

Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса двигателей внутреннего сгорания, крупные валы и другие ответственные детали.

Ковкий чугун содержит: 2,2…3,0%С, 0,7…1,5%Si, 0,2…0,6%Mn, менее 0,2%Р и менее 0,1%S. Термин «ковкий чугун» является условным и отражает повышенную пластичность этого чугуна при растяжении по сравнению с другими видами.

Ковкий чугун получают путем отжига отливок из белого чугуна, в результате чего цементит распадается и графит выделяется в виде хлопьев.

При отжиге изделия из белого чугуна нагревают выше температуры А₁(950…1000°С), выдерживают около 15 часов, медленно охлаждают в течение 30 часов в зоне А₁ (температуры эвтектоидного превращения) с 760°С до 720°С и затем охлаждают до комнатной температуры.

Рис. 5.4. Схемы отжига белого чугуна на ферритный (1) и перлитный (2) ковкие чугуны

При t = 950°С происходит распад цементита Fe₃С →3Fe + Г, а затем при t = 760…720°С – распад аустенита А→ Ф + Г.

В результате всех превращений структура ковкого чугуна будет состоять из зерен Ф и равномерно распределенных хлопьев Г. Поскольку в таком чугуне находится довольно много графита, излом получается темным и его называют черносердечным (Ф + Г) – ковкий ферритный чугун.

Если в области эвтектоидного превращения скорость охлаждения будет выше, то у чугуна возможна структура перлита и графита, т.е. П + Г, такой чугун называют ковким перлитным чугуном, или светлосердечным.

Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами предела прочности и относительного удлинения, например: КЧ30-6, КЧ50-4, КЧ60-3 и т.д.

Из ковких ферритных чугунов изготавливают как изделия, работающие при высоких статических и динамических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, кроки), так и менее ответственные детали (хомуты, гайки, фланцы муфт).

Из ковкого перлитного чугуна делают вилки карданных валов, звенья и рамки конвейеров, втулки, тормозные колодки.

Ковкий чугун применяют для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Легированные и специальные чугуны получают введением присадок легирующих элементов. В качестве присадок применяют Cr, Ti, V и др. Специальные чугуны отличаются содержанием кремния и марганца.

Маркируются чугуны по-разному, например, антифрикционные: АЧС-1, АЧК-1, АЧВ-1 или АЧС-2, АЧК-2 и т.д., кремнистые (14-18% Si): С-15, С-17, жаростойкие: ЖЧХ-20 (20% Cr), ЖЧХ-22 и т.д.