Железоуглеродистые сплавы – это сплавы железа с углеродом. Основными из них являются, стали и чугуны.

Чистое железо (Fe), в зависимости от температуры, может иметь различные кристаллические решётки: при температуре до 768°С – объёмно-центрированную решётку (ОЦК) – α-Fe (рисунок5 а), с магнитными свойствами (768° – точка Кюри); в интервале температур от 768°С до 910°С – ОЦК решётку, немагнитную; в интервале температур 910°С до 1392°С – гранецентрированную кубическую решётку (ГЦК) – g-Fe (рисунок5 б); в интервале температур 1392°С до 1539°С (температура плавления Fe) – ОЦК решётку – d-Fe .

Такое изменение кристаллической решётки в зависимости от температуры называется аллотропическим (полиморфным) превращением.

Графит (С) – разновидность углерода. Удельный вес – 2,2 г/см³. Твёрдость и прочность низкие. Кристаллическая решётка – гексагональная (рисунок 5 в).

Рисунок 5 – Кристаллические решетки:

а  – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Простые вещества (в данном случае Fe и С), образующие сплав, называют компонентами сплава. Ими могут быть чистые металлы или неметаллы, также промежуточные фазы постоянного состава, не разлагающиеся до полного расплавления (например – химические соединения).

Фаза – однородная часть сплава, отделённая от других частей (фаз) поверхностью раздела (границами), при переходе через которую химический состав и структура изменяются скачком. Это могут быть твердые растворы, химические соединения, чистые элементы. Совокупность фаз, находящихся в состоянии равновесия, определяет структуру сплава.

В железоуглеродистых сплавах образуются следующие фазы: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит.

Феррит – твёрдый раствор внедрения углерода в α - Fe и d - Fe . Кристаллическая решётка – ОЦК, в которую внедрены атомы углерода в междоузлия. Максимальная растворимость углерода в феррите (α-Fe) при 0°С – 0,006%, а при 727°С – 0,025%. Магнитен до 708°С, очень пластичен,    НВ = 80 – 90 кгс/мм²; s_в = 30 кгс/мм².

Аустенит – твёрдый раствор внедрения углерода в g - Fe . Кристаллическая решётка – ГЦК, в которую внедрены атомы углерода в центр куба. Максимальная растворимость углерода в g-Fe (аустените) при 1147°С – 2,14%, а при 727°С – 0,83%. В нормальных условиях ниже 727°С аустенита не существует. Аустенит не магнитен, имеет меньший удельный объём, чем феррит. Обладает хорошей пластичностью и прочностью при невысокой твёрдости (170 НВ).

Цементит – карбид железа ( Fe ₃ С) – химическое соединение, содержит 6,67%С, остальное железо. Очень твёрд (НВ 100 – 800) и хрупок. Магнитен до 210°С.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита.

Перлит содержит 0,83% С и образуется из аустенита при температуре 727°С. Перлит в зависимости от условий превращения может быть зернистый или пластинчатый. Свойства перлита зависят от формы цементита. Прочность перлита высокая, удельная вязкость невысока, НВ = 190 – 250 кгс/мм².

Ледебурит – механическая смесь (эвтектика), образующаяся из жидкого расплава при 1147°С и содержит 4,3% С. При температуре выше 727°С состоит из аустенита и цементита, ниже 727°С – из перлита и цементита. Твёрдая (600 НВ), но хрупкая и не пластичная структура.

Чугун – сплав железа с углеродом, содержание углерода от 2,14% до 6,67%.

Чугун классифицируется в зависимости от химического состава, назначения, структуры и технологии получения.

Углерод, входящий в состав чугуна, может находиться в свободном состоянии в, виде отдельных частиц графита, вкрапленных между зернами железа, и в химически связанном состоянии – в виде карбида железа Fe₃С (цементита). В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в чугуне, различают серый, высокопрочный и ковкий чугун.

Серый чугун– чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита пластинчатой формы. Его излом имеет серый цвет.

Отливки из серого чугуна маркируют буквами СЧ и двузначным числом, соединенными между собой дефисом; буквы обозначают серый чугун; число - предел прочности при растяжении в кгс/мм². Так, например, марка СЧ28 расшифровывается: серый чугун с прочностью при растяжении не менее28 кгс/мм² или 280 МПа. Применение необходимой марки определяется механическими свойствами.

Высокопрочный чугун – чугун с шаровидным графитом. Высокопрочный чугун обозначается аналогично серому: буквами и двузначным числом. Буквы ВЧ обозначают высокопрочный чугун, а число предел прочности при растяжении в кгс/мм². Например, ВЧ 60 – высокопрочный чугун имеет        s _в = 60 кгс/мм² = 600 МПа. Применяют для изготовления ответственных деталей.

Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитовые включения. Обязательными характеристиками ковких чугунов является предел прочности и относительное удлинение, по которым маркируют ковкие чугуны. Так, например, марка КЧ37-12 расшифровывается следующим образом: ковкий чугун, предел прочности при растяжении s _в =37 кгс/мм² = 370 МПа, относительное удлинениеd = 12%. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержание углерода до 2,14%.

Сталь, так же как и чугун содержит примеси: кремния (до 0,4%), марганца (до 1,1%), фосфора (до 0,045 %) и серы (до 0,055 %). Фосфор и сера являются нежелательными (вредными) примесями в составе стали.

Конструкционная сталь бывает углеродистой и легированной. Она служит для изготовления различных сооружений и инженерных конструкций, деталей машин, станков, крепежных и других изделий.

Конструкционную углеродистую сталь делят на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380) и стали качественные (ГОСТ 1050).

Конструкционную углеродистую сталь обыкновенного качества маркируют буквами Ст с рядом стоящими цифрами от 0 до 6. Чем больше цифра, тем больший процент углерода в стали, тем она тверже и прочнее с соответствующим снижением пластичности. Например, сталь марки Ст6 содержит около 0,56% углерода с пределом прочности на растяжение 590 МПа и более. В зависимости от условий и степени раскисления стали подразделяют на спокойную – к марке стали добавляют индекс сп; полуспокойную – пс; кипящую – кп. В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода.

Конструкционная углеродистая качественная сталь обозначается двузначным числом: 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10 15кп, 15, 20кп, 20, 25, 30, 35 40, 45, 50 55 60 65, 70, 75, 80, 85, 60, 65, 70, 75, 80, 85. Двузначное число обозначает количество углерода в сотых долях процента, следовательно, сталь может содержать от 0,05 до 0,85 % С. В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на: низкоуглеродистые (содержание углерода С£ 0,25 %); среднеуглеродистые (0,3 … 0,55 % С); высокоуглеродистые (0,6 … 0,85 % С).

Конструкционные легированные стали – стали, содержащие специально введенные с целью изменения строения и свойств легирующие элементы. Эти стали обладают особыми свойствами. Химический состав легированных сталей является основой для их маркировки буквенно-цифровой системой. Число, стоящее впереди марки конструкционной стали, обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента. За цифрами стоят буквы условных наименований легирующих элементов и числа, обозначающие процентное содержание их в стали. Отсутствие цифры после буквы указывает, что среднее содержание легирующего элемента не превышает 1 % (иногда 1,5%). ГОСТ 4543 приняты следующие буквенные обозначения: Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, Т – титан, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, Ю – алюминий, Д – медь, К – кобальт, Б – ниобий, Р – бор. Если в конце названия марки стоит буква А, то это означает, что сталь высококачественная, содержащая наименьшее количество вредных примесей. Если буква А стоит в середине марки, например, 16Г2АФ, то это означает, что сталь легирована азотом. Буква Л, стоящая в конце марки стали, обозначает литейную сталь, например, 15Х25ТЛ.

Например, сталь 12ХН3А содержит С ~ 0,12 %, Cr ~ до 1 %, Ni ~ 3 %, высококачественная сталь.

Задание на работу № 2.

Задача 1 (по вариантам). Определить количества феррита и цементита в железоуглеродистых сплавах по содержанию углерода. Построить совмещенную диаграмму изменения содержания феррита и цементита в сплавах.

Ф, Ц, %

С, %

(При решении задачи следует исходить из того, что в железоуглеродистых сплавах имеется только феррит (Ф) и цементит (Ц), а все другие структуры являются комбинациями из феррита и цементита, поэтому определяют только содержание цементита (смотри пример решения задачи), а феррит принимают по разности Ф = 100 % – Ц.)

Исходные данные:

Задача 2. Какие вредные химические примеси могут быть в стали и каково их предельное содержание?

Задача 3. Расчет вала выполняется в двух вариантах, отличающихся принятым материалом: 1) сталь 40; 2) сталь 40ХН.

Можно ли с уверенностью утверждать, что при одинаковых диаметрах и конструкции валов в обоих вариантах вал из стали 40ХН окажется прочнее, чем из стали 40 и почему?

Задача 4.Сталь испытана на растяжение в образце диаметром d ₀ = 10мм, l ₀ = 90 мм. После испытания установлены следующие показатели: нагрузка при пределе текучести Р_0,2 = 75000 Н; разрушающая нагрузка Р_в = 82000 Н; длина образца после разрыва l ₁ = 97 мм, диаметр образца после испытания d ₁ = 6,7 мм. Определить:s _0,2 , s _в , d , y , марку стали.

Задача 5. Арматура из высокоуглеродистой стали была испытана на твердость на твердомере Роквелла. При этом по индикатору твердомера на шкале С получено значение твердости HRC = 21.Определить марку стали.

Задача 6(по вариантам).Расшифровать марку стали (определить примерный химический состав стали).

Пример решения задачи 1.

Железоуглеродистый сплав содержит углерода 0,27 %. Определить в нем содержание цементита (Ц) и феррита (Ф).

Решение.

При содержании углерода 6,67 % в железоуглеродистом сплаве содержится 100% цементита. Исходя из этого, составим пропорцию

6,67 % С – 100 % Ц

0,27 % С – х % Ц.

х = (0,27 × 100) /6,67 =4% Ц.

Содержание феррита определяем по разности

Ф = 100 % – Ц = 100 – 4 = 96%.

При решении задачи 1 необходимо аналогично определить содержание цементита и феррита для каждого сплава (по содержанию углерода), а затем построить совмещенную диаграмму изменения содержания феррита и цементита в сплавах.

При решении задач 4, 5 следует воспользоваться теоретическими данными к работе № 1.

Справочные данные.

1 кгс/мм² = 10 МПа

Работа №3