Лекции по "Материаловеденю"

Рис. 5.4 - Кристаллическая  решетка графита 

В виде графита углерод  находится в сплавах железа (типа чугунов). Температура плавления  графита ~ 3500 °С, плотность — 2,5 г/см³. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения Fe₃С — цементита (карбида железа) —содержит 6,67 % С.

Рис. 5.5 - Включения графита, извлеченные из чугуна

Цементит. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу. В вершинах октаэдров находятся атомы железа, каждый из которых одновременно принадлежит двум октаэдрам; атом углерода находится в центре октаэдра.

Характер связи между атомами  углерода и железа в цементите  точно не установлен. Однако в кристаллах цементита железо и углерод положительно ионизированы, благодаря чему цементит характеризуется некоторыми металлическими свойствами (электропроводностью, металлическим блеском).

Цементит очень твердый (>800НВ) и весьма хрупок. Температура плавления  цементита точно не установлена. Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых других металлов. В этом случае образуется легированный цементит. Углерод в цементите практически не растворяется.

Цементит — соединение неустойчивое и в определенных условиях может  разлагаться на железо и углерод в виде графита, что имеет большое значение в процессе структурообразования, чугуна,

                                5.2. Диаграмма состояния "Железо-Цементит"

Диаграмма состояния Fe-Fe₃С (железо—цементит) представлена на рис. 5.6. По оси абсцисс на диаграмме приведено содержание углерода и цементита. Видно, что количество цементита в сплаве равно 15-кратному содержанию углерода.

Рис. 5.6 - Диаграмма состояния  “железо—цементит”

На диаграмме имеется  восемь однофазных участков: на левой  оси ординат отрезок AN соответствует d-железу, отрезок NG - g-железу, отрезок ниже точки G - -железу.

Так как каждая из этих модификаций железа взаимодействует с углеродом, то диаграмму состояния можно рассматривать как трехэтажную, состоящую из частей I, II, III (рис. 5.6). Все модификации железа образуют с углеродом твердые растворы внедрения. В области AHN твердый раствор углерода в d-железе - феррит (Ф) (иногда обозначают d-твердый раствор). В области AJESG твердый раствор углерода в g-железе — аустенит (А). В области GSO твердый раствор углерода—в низкотемпературной модификации a-железа (Ф).

Растворимость углерода в a-железе весьма незначительная, составляет при температуре 600 °С около 0,01 %. В g-железе растворимость углерода доходит до 2,14 %.

Правая ордината DFKL диаграммы Fe – Fe₃С (рис. 5.6) соответствует цементиту. Область выше линии ликвидус ABCD соответствует жидкому состоянию (Ж).

Сложный вид диаграммы Fе – Fе₃С объясняется тем, что железо обладает полиморфными превращениями в твердом виде. Полиморфизм железа обусловливает и полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах.

                           5.3. Принцип классификации и маркировки сталей

Существует много признаков, по которым производится классификация  сталей. Ниже приводятся некоторые  из них.

Классификация по составу. По составу стали можно подразделить на углеродистые и легированные. По содержанию углерода стали условно делятся на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%, среднеуглеродистые с содержанием углерода 0,3...0,6 % и высокоуглеродистые с содержанием углерода от 0,7 % и выше. По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникель-молибденовые и т. д.

Классификация по качеству. Качество стали зависит от количества вредных примесей серы и фосфора. При количестве 0,04 % < S < 0,06 %, 0,04 % < Р < 0,08 % имеем углеродистые стали обыкновенного качества. При содержании S от 0,03 до 0,04 % и Р от 0,03 до 0,04 % имеем качественные стали. При S < 0,03 % и Р < 0,03 % стали считаются высококачественными. Кроме того, в качественных и высококачественных сталях меньше неметаллических включений, чем в сталях обыкновенного качества. Все легированные стали являются качественными или высококачественными.

Классификация по равновесной структуре. По этому признаку можно выделить следующие классы сталей: а) доэвтектоидные стали (перлит + феррит); б) эвтектоидные стали (перлит); в) заэвтектоидные стали (перлит + вторичные карбиды). Легированные стали могут быть ледебуритного класса. В структуре их имеются первичные карбиды в виде эвтектической структурной составляющей. Наличие ледебурита в структуре легированной стали может иметь место при содержании углерода значительно ниже 2,14 %, так как легирующие элементы сдвигают влево не только точку S, но и точку Е диаграммы Fe – Fe₃C (рис. 5.6). Следует отметить, что наличие ледебурита в структуре легированных сталей значительно слабее уменьшает пластичность, чем в железоуглеродистых сплавах.

Во многих случаях  высоколегированные стали могут  иметь при нормальной температуре  структуру аустенита или феррита. Поэтому дополнительно различают  аустенитные, полуаустенитные, ферритные  и полуферритные стали.

Маркировка  сталей. Углеродистые стали обыкновенного качества можно различить по наличию в марке букв Ст, что означает сталь. После Ст следует условный номер марки (от 0 до 6), например Ст1, СтЗ и т. д. В марке отражены также группа, категория и степень раскисленности стали.

Качественные  конструкционные углеродистые стали маркируются двузначными числами, которые характеризуют количество углерода в стали в сотых долях процента (например, сталь 45 в среднем содержит 0,45 % С).

Высокоуглеродистые стали, которые используются для изготовления инструментов, имеют перед маркой букву У (что означает “углеродистая”) и число, характеризующее количество углерода в стали в десятых долях процента, например У7, У12 и др.

По маркам легированной стали в большинстве случаев можно судить как о качественном, так и в первом приближении о количественном составе стали.

Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каждому из них присвоена своя буква: Ni - Н, Сu - Д, N - A, Сг - Х, В - Р, Р - П, Со - К, Nb - Б, Мо - М, Zr - Ц, Ti - Т, Мn - Г, Si - С, V - Ф, А1 - Ю.

Для указания количества легирующего элемента в составе  стали после соответствующей  буквы в марке ставится число, равное процентному содержанию элемента в целых процентах. При содержании элемента меньше 1...1,5 % число не ставится.

Так как углерод в  составе легированной стали имеет  очень большое влияние на свойства, то для отражения его количества в начале марки также ставится число. Если это число двузначное, то оно соответствует содержанию углерода в сотых долях процента; если однозначное — в десятых долях процента; если перед маркой нет числа, то это означает, что содержание углерода равно или больше 1 %.

Для отражения степени  качественности стали (по количеству серы и фосфора) в конце марки высококачественной стали ставится буква А, что означает, что сталь имеет высокую чистоту от вредных примесей (содержание S и Р каждого не выше 0,03%). (Символ А в середине марки указывает на наличие азота). В случае отсутствия в конце марки буквы А следует понимать, что сталь качественная и содержит несколько больше серы и фосфора.

Помимо подобных обозначений  марок для некоторых сталей употребляются  специальные буквы и условные обозначения. Так, быстрорежущие стали  обозначаются Р18, Р9 и т. д. (цифры 18 и 9 показывают содержание вольфрама в процентах). Шарикоподшипниковые стали ШХ15, ШХ9 (цифры 15 и 9 отражают содержание хрома в десятых долях процента). Электротехническая сталь имеет индекс Э, магнитная сталь - Е.

5.4. Стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием (автоматные стали)

Для улучшения обрабатываемости резанием применяют углеродистые стали, с повышенным содержанием серы (0,08 - 0,3 %) и фосфора (0,06 %). В этих сталях сера находится в виде сульфидов  марганца, вытянутых вдоль направления прокатки, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфида марганца. Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.

Углеродистые стали  с повышенным содержанием серы и  фосфора — автоматные стали маркируют буквой А с цифрами за ней: A11, А12, А20, А30, А35. Из стали А12 на быстроходных автоматах изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а из А20, А30, А40Г — детали, работающие в условиях повышенных напряжений. Эти стали выпускают без термической обработки, в виде калиброванных высокоотпущенных (отожженных) и калиброванных нагартованных профилей.

Хорошо обрабатываются точением на станках-автоматах стали  со структурой пластинчатого перлита, при этом стружка легко определяется. Стали с повышенным содержанием  серы обладают большой анизотропией свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Улучшение обрабатываемости стали достигается и в результате микролегирования стали Pb, Ca, Se, Те, образующими в структуре металлические и неметаллические включения. Эти включения создают в очаге резания внутреннюю смазку — тончайший слой, препятствующий схватыванию материала инструмента с материалом обрабатываемой детали, вследствие чего легче отделяется стружка.

Свинец, улучшает обрабатываемость стали при пониженных и средних скоростях резания и улучшает качество обрабатываемой поверхности. Легирование стали 0,15—0,3 % Pb повышает скорость резания на 20 - 35 %, а при сохранении постоянной скорости резания увеличивает стойкость инструмента в 2 - 7 раз.

В автомобильной промышленности для деталей, изготовляемых из прутков на металлорежущих и холодновысадочных автоматах широко применяют улучшаемые и цементуемые (нитроцементуемые) автоматные стали, содержащие свинец (AC — автоматная, содержащая свинец). Так стали АС38Г2, АС30ХМ, АС38ХГМ и АС40ХТНМ после закалки и высокого отпуска при 550 - 620 °С применяют для изготовления червяка рулевого управления, валика масляного насоса, кольца запорного подшипника и др. Стали АС12ХН, АС14ХГН, АС19ХГН предназначены для изготовления оси сателлитов дифференциала, фланца масляного насоса, тяги, гаек, муфт, деталей типа промежуточной шестерни заднего хода и др. Стали, содержащие свинец, поставляют после улучшения или изотермического отжига.

Стали для деталей, подвергающихся сложной механической обработке (коленчатые валы, шатуны и др.), а также нержавеющие для улучшения их обрабатываемости резанием имеют повышенное содержание серы (0,06 - 0,10 %), кроме того их легируют селеном (0,04 - 0,10%); стали А35Е, А40ХЕ (Е — селен) применяют после нормализации. Они менее склонны к хрупкому разрушению и позволяют увеличить скорость резания в 1,5 - 1,8 раза, а стойкость инструмента более чем в два раза. Кальцийсодержащие (Ц — кальций) стали (0,002—0,008 % Са), дешевы и нетоксичны, могут быть рекомендованы для широкого использования (АЦ20, АЦ30, АЦ40, АЦ40Х, АЦ40Г, АЦ30ХМ, АЦ20ХН3 и др.).

                              5.5. Классификация и маркировка чугунов

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2,14 %, называют чугуном. Углерод в чугунах может находиться в свободном состоянии в виде графита и в связанном состоянии в виде карбидов. По химическому составу чугуны делятся на нелегированные, в которых, кроме железа и углерода, содержатся кремний, марганец, сера, фосфор, и легированные, в которых могут содержаться, кроме перечисленных элементов, также хром, никель, медь и другие полезные компоненты. В отличие от стали химический состав чугуна еще не характеризует достаточно надежно его свойства. Структура чугуна и его основные свойства зависят как от химического состава, так и от того, в каком состоянии находится углерод.

Чугуны подразделяются на две группы:

1) чугуны в которых  весь углерод находится в связанном  состоянии в виде цементита  или других карбидов;

2) чугуны, в которых  весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита.

К первой группе чугунов  относятся белые чугуны. Излом такого чугуна белый, блестящий. Белые чугуны очень хрупкие и твердые, плохо поддаются механической обработке режущим инструментом Белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на передел в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

Структура белых чугунов  соответствует диаграмме равновесного состояния “железо - цементит”. Образуется она в результате ускоренного охлаждения железоуглеродистых сплавов, содержащих более 2,0 % углерода при литье.

Рис. 5.12 - Микроструктура белого чугуна. (x100):а - доэвтектического; б - эвтектического: в - заэвтектического

По структуре белые  чугуны делятся на:

а) доэвтектические, содержащие от 2 до 4,3 % углерода; структура их состоит  из перлита, вторичного цементита и  ледебурита;

б) эвтектические, содержащие 4,3 % углерода, структура их состоит  из ледебурита;

в) заэвтекгические, содержащие от 4,3 до 6,67 % углерода; структура их состоит из первичного цементита и ледебурита.

Следовательно, структура  этих чугунов отличается от структуры  стали наличием в них ледебурита или ледебурита и первичного цементита.

Ко второй груше чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Излом этих чугунов будет серый, матовый. В их структуре различают: металлическую основу (структуру) и форму выделения графита. В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок (прожилок, чешуек); в высокопрочных - в виде шаров; в ковких - в виде хлопьев. По структуре металлической основы серые чугуны подразделяются в основном на следующие группы: