Общая классификация и потребительские свойства черных и цветных металлов

 

Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цвет­ных металлов.

Наибольшее распространение в технике получили черные ме­таллы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных метал­лов, их высокой прочностью,

Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержа­ния углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.

Сталь - желозоуглеродистый сплав, в котором углерода со­держится до 2,14%.

Стали присущи свойства, делающие ее незаме­нимым материалом в машиностроении. Она обладает высокой проч­ностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на метал­лорежущих станках. Стальные изделия хорошо свариваются.

Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2,14%.

В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.

Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чу­гуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.

Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Пользуясь диаграммой, можно изучить фазы и структурные составляющие сплава, установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.

При изучении черных металлов совершенно обязательным является знание диаграммы состояния «железо-углерод», связывающей количественные изменения содержания углерода в стали и чугуне с их структурой при различных температурах, а следовательно, и со свойствами.

Диаграмма состояния железо-углерод построена на основании кри­вых охлаждения сплавов железа с углеродом. Основными структурными составляющими сплавов железа с углеродом являются аустенит, феррит, циментит, ледебурит и графит.

Аустенит (А) – твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе 2,14% при 1130⁰С. Нижняя температура существования аустенита равна 723⁰С. При этой температуре в нем растворяется 0,8% С. Аустенит мягкий и пластичный. Его твердость НВ 170-220. Он немагнитный.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в -железе. Его растворимость в -железе ничтожно мала (0,02% при 723⁰С).Феррит характеризуется малой прочностью, малой твердостью (НВ<80) и высокой пластичностью. При комнатной температуре феррит обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe₃C содержащее 6,67% С. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1550⁰С. Цементит весьма тверд и хрупок. Его твердость НВ 800. Он обладает металлическими свойствами.

Перлит (П) – продукт распада аустенита при 723⁰С, представляющий эвтектоидную механическую смесь феррита с цементитом. Содержание углерода в перлите всегда равно 0,8%. Твердость его за­висит от размера цементитных частиц и может колебаться от НВ 150 до НВ 220. Перлит может быть пластинчатым, в котором цементит име­ет форму пластин, и зернистым, где он находится в форме округлых зернышек.

Ледебурит (Л) - эвтектическая механическая смесь (эв­тектика) аустенита с цементитом, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% С, при температуре 1147⁰С. Ниж­няя граница существования ледебурита 723⁰С, при этой температуре аустенит претерпевает перлитное превращение. Охлажденный ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит очень хрупок и тверд, так как основной его составной частью является цементит.

Графит (Г) - полиморфная модификация углерода. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Ледебурит и графит является структурной составляющей чугунов.

Углерод с железом образует устойчивое химическое соединение - цементит или может находится в сплаве в свободном состоянии в ви­де графита. Соответственно существует две диаграммы состояния сплавов железа-углерод: цементитная и графитная.

На рис. 7 приведен упрощенный вид цементитной диаграммы. На­ибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении - цементите.

 

 

Рис.7 Диаграмма состояния «железо-углерод»

 

Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо, с другой - цементит.

На горизонтальной оси диаграммы откладывается процентное со­держание составляющих компонентов: в начальной точке – 100% желе­за и 0% углерода. Затем концентрация углерода увеличивается, а железа - уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании угле­рода 6,67%.

На вертикальных осях откладываются температуры. На начальной и конечной вертикалях указаны критические точки чистого железа и цементита. На вертикалях, соответствующих сплавам с промежуточны­ми концентрациями составляющих компонентов, отмечены их критические точки. Критические точки, соответствующие одинаковым превращениям, соединены плавными линиями.

Буквенные обозначения характерных точек диаграммы являются общепринятыми во всех странах.Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). Линия АСД-ликвидус, а линия АЕСF-солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком состоянии (ж). По линии АС из жидкого сплава начинает кристаллизоваться аустенит (А), следовательно, в области АСЕ будут находиться смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и аустенита (А). По линии СД из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы СFD находится смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании углерода 4,3% и температуре 1147⁰С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием углерода от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относятся к группе чугуна.

Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Сплавы, лежащие левее этой точки относятся к груп­пе стали.

Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структу­ры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехо­да железа из одной модификации в другую, в такие в связи с изме­нением растворимости углерода в железе.

В области диаграммы АGSE находится аустенит (А). При охлаж­дении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS ферри­та (Ф) - твердого раствора углерода в -железе и перлита, а по линии SE-цементита и перлита. Цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным (ЦП) в отличие от первичного цемен­тита (ЦI), выпадающего из жидкого сплава. В области диаграммы GSР находится смесь двух фаз - феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEе₁ - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8% и при температуре 723⁰С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита вторичного - эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (Д). Сталь, содержащая 0,8% С называется эвтектоидной, менее 0,8% - доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидной.

При охлаждении сплавов по линии РSК происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия РSК называется линией перлитного (эвтектоидного) прев­ращения.

Сравнивая между собой превращения в точках С и S диаграммы можно отметить следующее:

1) выше точки С находится жидкий расплав, выше точки S - твердый раствор - аустенит;

2) в точке С сходятся ветви АС и СД, которые указывают на начало выделения кристаллов из жидкого раствора (первичной кристалли­зации); в точке S сходятся ветви GS и SE, указывающие на на­чало выделения кристаллов из твердого раствора (вторичной крис­таллизации);

3) в точке С жидкий раствор, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики - ледебурита, в точке S твердый раствор, содержащий 0,8% углерода перекристаллизуется с образованием эвтектоида - перлита;

4) на уровне точки С лежит прямая EF эвтектического (ледебуритного) превращения, на уровне точки S - прямая РК эвтектоидного (перлитного) превращения.

 

Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных ме­таллов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью.

Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металла­ми, пластмассами и другими материалами.

Однако цветные метал­лы имеют ценные свойства, которые делают их применение в тех­нике неизбежным.

Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и применяются в электропромышлен­ности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удель­ному весу широко применяются в самолетостроении и т.д.

Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия и магния, а также подшипниковые сплавы.

В последний годы бурными темпами развивается производство титана и его сплавов, которые широко применяются в химической промышленности, в самолето- и ракетостроении, в космической технике.

Охарактеризуем подробнее важнейших представителей черных и цветных металлов, а также основы технологии их производства.