Основні Поняття про сплави. Сплави заліза з вуглецем

1. Поняття про металеві сплави.

2. Діаграми стану сплавів.

3. Структурні складові залізовуглецевих сплавів і їх властивості.

4. Класифікація залізовуглецевих сплавів.

5. Вплив домішок на властивості залізовуглецевих сплавів.

1. Сплавом називається складна речовина, одержувана шляхом сплавлення декількох простих речовин, званих компонентами сплаву. В металевому сплаві основним компонентом (більше 50%) повинен бути метал. У сплавах можна отримати більш високі механічні, фізичні і хімічні властивості, ніж у чистих металів, тому їх широко застосовують у техніці.

Залежно від природи компонентів, що сплавляються, в сплавах можуть спостерігатися у вигляді зерен такі фази:

- суміш зерен чистих компонентів, якщо останні не вступають один з одним ні в яку взаємодію;

- тверді розчини одного компоненту в іншому, коли кристалічні гратки в зернах побудовані з атомів обох компонентів, з яких один є розчинником, а інший - розчинним;

- хімічні з'єднання компонентів сплаву один з одним, що мають свою, властиву їм, кристалічну гратку, відмінну від граток початкових компонентів.

2. Розглянемо діаграму станів, в якій відображена зміна структури і фазового складу сплавів даних компонентів залежно від їх вмісту (концентрації) і температури Т (рис. 1.10)

Діаграма станів сплавів – механічних сумішей (рис. а) – це випадок, коли компоненти А і В взаємно розчиняються тільки в рідкому стані, а в твердому не розчиняються і не вступають у хімічну взаємодію. У твердому стані (нижче за лінію С, D, Е) всі сплави цієї суміші складаються із зерен чистих компонентів А+В. Властивості сплавів у даному випадку залежать від властивостей компонентів і їх відносних кількостей у кожному сплаві і змінюються за лінійним законом від компонентів А і В.

ТЕМПЕРАТУРА	А В С D E A+B	B А a	А B а b С D E a + b
Т В Е Р Д І С Т Ь М І Ц Н І С Т Ь
ЕЛЕКТРО - ПРОВІДНІСТЬ	0 В% 100	0 В% 100	0 В% 100

а б в

Рисунок 1.10.

При необмеженій взаємній розчинності компонентів у твердому стані виходить діаграма станів рисунок б. У даному випадку утворюється безперервний ряд сплавів - твердих розчинів a змінної концентрації.

На рисунку в діаграма станів відображає поведінку компонентів, що сплавляються, при обмеженій розчинності. В даному випадку в твердому стані (нижче лінії АСДЕВ) спостерігається три структурно-фазові області: області обмежених a (зліва) і b (справа) розчинів і між ними область механічних сумішей цих розчинів (a + b). В областях, зайнятих тільки одним розчином, властивості змінюються за криволінійними законами, а в змішаній області - за лінійним.

3. Сплави на основі заліза і особливо залізовуглецеві сплави продовжують залишатися найважливішими матеріалами.

Для правильного розуміння природи властивостей різноманітних залізовуглецевих сплавів, необхідно отримати добре уявлення про діаграму залізо-вуглець і розібратися у відображеному на ній структурно-фазовому складі і відкритих Д.К.Черновим критичних температурних точках. У теперішній час найбільш практичне значення має приведена на рисунку 1.11 діаграма стану Fе-С, на якій однією з важливих фаз, яка впливає на властивості сплавів, вказаний карбіт заліза Fе₃С чи цементит. Аналіз цієї діаграми показує, що цементит існує як самостійний компонент. Тому на діаграмі приведені дві шкали концентрацій: одна вказує вміст вуглецю, друга – кількість цементиту у відсотках. У цементиті міститься 6,67% вуглецю. Тому коли ліва ордината відповідає чистому залізу, то права – цементиту.

Рисунок 1.11

Основними структурними складовими залізовуглецевих сплавів, від яких залежать властивості сплавів і їх поведінка при навантаженні і нагріві, є ферит Ф, аустеніт А і цементит Ц.

В аустеніті залежно від температури нагріву може розчинитися до 2,14% вуглецю (при Т=1147°С). Атоми розчинного в аустеніті вуглецю розташовуються в центрі комірок ГЦК.

При Т<727°С всі сплави Fe - Fe₃C з вмістом вуглецю від 0% до 6,67% складаються тільки з фериту і цементиту, що знаходяться в них в різних кількісних поєднаннях. Кількість цементиту в сплавах зростає від 0 до 100% при 6,67% вуглецю. В той же час кількість фериту зменшуєтьсяє від 100% до 0. У зв'язку з цим у сплавів зростатимуть властивості, які додаються цементитом, і знижуються характеристики, визначувані феритом. Ферит, що входить до складу реальної промислової сталі, завдяки деякій кількості кремнію і марганцю, що неминуче потрапляють в неї при виплавці і розчиняються в ньому, має більш високу твердість, що доходить до 1000 МПа (100НВ). Він дуже пластичний, його відносне подовження d=50%, а поперечне звуження y=80%.

Цементит є найтвердішою і крихкою складовою в даному ряді сплавів. Його твердість максимальна 8000 МПа (800НВ), а пластичність дорівнює нулю, оскільки він здатний тільки до невеликих пружних деформацій.

Тобто при збільшенні в сплаві вмісту вуглецю, внаслідок зростання в ньому кількості твердого і крихкого цементиту і відповідно зменшення частки м'якого і пластичного фериту, твердість і міцність сплаву повинна зрости, а пластичність і в'язкість - зменшитися.

4. Всі сплави Fe ¸ Fe₃C прийнято ділити на сталі і чавуни. До сталі формально відносять сплави, що містять менше 2,14% вуглецю, решту сплавів зараховують до чавунів.

Фази, що входять до складу сталей і чавунів (аустеніт, ферит, цементит) можуть знаходитися в них як окремі структурні складові у вигляді зерен або дрібних довгастих включень. Вони так само утворюють характерні структурні складові - механічні суміші з деякими властивими їм ознаками - перліт і ледебурит.

Перліт є механічною сумішшю тонких пластинок цементиту і більш товстих пластинок фериту, що знаходяться між ними. Він утворюється при 727°С з аустеніту, що містить 0,8% вуглецю. Перліт утворюється як в сталях, так і в чавунах, і грає важливу роль у формуванні їх властивостей.

Ледебурит є механічною сумішшю зерен аустеніту і цементиту, що одночасно кристалізуються з рідкої фази при постійній, рівної 1147 °С температурі. Він містить 4,3% вуглецю. Ледебурит міститься тільки в чавунах.

5. Реальні властивості сталей і чавунів в значній мірі залежать від неминуче потрапляючих в них при виплавці інших елементів, які можуть або розчинятися у фериті і цементиті, або утворювати в сплавах тверді або газоподібні неметалічні включення. До них відносяться марганець, кремній (корисні домішки) і сірка, фосфор, кисень, азот і водень, що потрапляють з атмосфери (шкідливі домішки).

Вплив вуглецю. Вуглець в залізовуглецевому сплаві знаходиться головним чином в зв'язаному стані у вигляді цементиту. У вільному стані у вигляді графіту він міститься в сірому чавуні. Із збільшенням вмісту вуглецю зростає твердість, міцність і зменшується пластичність. При вмісті більше 0,8% С твердість зростає, а міцність зменшується, оскільки сплав стає більш крихким.

Вплив сірки. Сірка є шкідливою домішкою. Вона утворює сірчасте залізо FеS, яке нерозчинно в залізі, і легкоплавку евтектику. При кристалізації сплаву легкоплавка евтектика розташовується по межах зерен і при повторному нагріві розплавляється, внаслідок чого порушується зв'язок між зернами, що приводить до утворення тріщин і надривів. Це явище носить назву червоноламкості. Допускається вміст до 0,035%—0,06% S.

Вплив фосфору. Фосфор розчиняється в a- і g-залізі, руйнує кристалічні гратки і погіршує пластичні властивості сплаву. Фосфор викликає явище холодноламкості. Фосфор є шкідливою домішкою і його вміст не повинен перевищувати 0,025—0,08%.

Вплив азоту, кисню і водню. Ці елементи присутні в сплавах або у вигляді крихких неметалічних включень, наприклад оксидів FеО, SіО₂, А1₂О₃, нитридів Fе₄N, або у вільному стані, притому вони розташовуються в дефектних місцях у вигляді молекулярного і атомарного газів.

Неметалічні з'єднання є концентраторами напруг і можуть знизити механічні властивості (міцність, пластичність).

Водень поглинається сталлю в атомарному стані. При охолоджуванні сплаву розчинність водню зменшується і його атоми нагромаджуються в мікропорах. У результаті цього в мікропорах розвивається великий тиск. Таким чином, водень може з'явитися причиною утворення внутрішніх надривів у металі (флокенів).

Існує багато прогресивних методів виплавки залізовуглецевих сплавів, забезпечуючих зменшення вмісту кисню, азоту і водню, що покращує механічні властивості сплавів.

Вплив кремнію і марганцю. Кремній і марганець потрапляють у залізовуглецевий сплав при його виплавці в процесі розкислювання. Кремній і марганець видаляють із сплаву закис заліза. Кремній, розчиняючись у фериті, підвищує межу текучості і зменшує схильність до холодноламкості.

Марганець утворює твердий розчин із залізом і трохи підвищує твердість і міцність. У присутності сірки він частково зв'язується з сіркою в сірчистий марганець і переходить у шлак. Це сприяє видаленню сірки із сплаву, тобто кремній і марганець є корисними домішками. В залізовуглецевих сплавах звичайно не більше 0,35—0,4% Sі і 0,5—0,8 Мп.