Мал. 1 12 Діаграма станів Fe-С

діаграма станів Fe-З, на якій однієї з найважливіших фаз, що впливають на властивості сплавів, зазначений карбід заліза Fe₃C або цементит. Аналіз цієї діаграми показує, що цементит поводиться як самостійний компонент. Тому на діаграмі дані дві шкали концентрацій: одна показує зміст вуглецю, а інша — кількість цементиту у відсотках. Нагадаємо, що в цементиті Fe₃C утримується 6,67 % вуглецю. Тому якщо ліва ордината відповідає чистому залізу, те права - цементиту.

Залізо може перебувати у двох алотропічних формах, яким відповідають ґрати ОЦК і ГЦК (див. мал. 1.4). Якщо чисте залізо перетерплює алотропічне перетворення ОЦК ↔ ГЦК, тобто при сплавці з вуглецем ця температура може знизитися аж до 727 °С (мал. 1.12, лінія PSK). Температура плавлення заліза становить 1539 °С.

Другий компонент розглянутої системи сплавів — цементит — має більш складну, чим у заліза, кристалічні ґрати й плавиться при Т_пл 1250 °С.

Основними фазами й структурними складовими даної системи, від яких залежать властивості сплавів і їхнє поводження при навантаженні й нагріванні, є ферит [Ф], аустеніт [А] і цементит [Ц]. Аустеніт - це фаза й помітна в мікроскоп у вигляді зерен структурна складова, що представляє собою твердий розчин впровадження вуглецю в у -Fe.

В аустеніті залежно від температури нагрівання може розчинитися до 2,14 % вуглецю (при Т = 1147 °С). Атоми розчиненого в аустеніті вуглецю розташовуються в центрах осередків ГЦК.

Звичайно аустеніт існує при Т > 727 °С. При кімнатній температурі він іноді в невеликих кількостях може зберегтися тільки в загартованій сталі. Він дуже пластичний (δ= 40 - 50 %), його твердість НВ становить 1700—2000 МПа (170—200 кгс/мм²).

При Т — 727 °С аустеніт може містити тільки 0,8 % вуглецю (крапка S на мал. 1.12; у всіх крапках на лінії PSK аустеніт також містить 0,8 % вуглецю, перебуваючи в рівновазі із супутнім йому на ділянці PS феритом, а на ділянці SK — цементитом).

При підвищенні температури розчинність вуглецю в аустеніті зростає по лінії SE аж до 2,14 % при 114 °С. Дуже важливо усвідомити, що при охолодженні всіх сплавів, що містять аустеніт і лежачі нижче й правіше лінії його насичення вуглецем £, з нього внаслідок зменшення розчинності буде виділятися вуглець. Вуглець, що виділяється, утворить цементит, що одержав назву вторинного-цц (мал. 1.12, області нижче й правої лінії SE).

Для розуміння природи властивостей рівноважних сплавів розбирає системи, що, при кімнатній температурі найбільший інтерес представляють ферит і цементит. Справа в тому, що при Т < 727 °С, включаючи й кімнатну, всі сплави, охоплювані діаграмою Fe-З (Fe—Fe₃C) від 0 % вуглецю (0 % Fes) до 6,67 % вуглецю (100 % Fe₃C), складаються тільки із цих двох фаз, що перебувають у них у різних кількісних сполученнях.

Всі поміщені на цій діаграмі сплави прийнятий ділити на сталі й чавуни. До сталей формально ставляться сплави, що містять менш 2,14 % вуглецю, інші сплави зараховуються до чавунів. Перераховані раніше вхідні до складу сталей і чавунів фази (аустеніт, ферит, цементит) можуть перебувати в них як окремі структурні складові у вигляді зерен або дрібних довгастих включень. Вони також утворять характерні структурні складові - механічні суміші з деякими властивими ним ознаками - перліт і ледебурит.

Перліт являє собою механічну суміш тонких пластинок цементиту й більше товстих пластинок, що перебувають між ними, фериту. Він утвориться при 727 °С із аустеніту, що містить 0,8 % вуглецю.

Аустеніт, що перебуває в будь-якій частині діаграми станів вище 727 °С (див. мал. 1.12), остигаючи й підходячи до 727 °С, тобто до лінії PSK, здобуває концентрацію 0,8 % вуглецю.

Перліт утвориться як у сталях, так і в чавунах і відіграє важливу роль у формуванні їхніх властивостей.

Ледебурит є механічною сумішшю одночасно кристалізуються з рідкої фази при постійної, рівної 1147 °С температурі зерен аустеніту й цементиту. Ледебурит містить 4,3 % вуглецю. Тому, що коли остигає рідка фаза наближається по температурі до лінії ЄС (1147 °С), вуглецю в ній виявляється 4,3 % і вона, застигаючи, перетворюється в добре перемішану суміш зерен цементиту й аустеніту по формулі

Вуглеводні сталі. Вуглеводні сталі займають ліву частину діаграми станів на мал 1.12. Користуючись цією діаграмою для оцінки властивостей відпалених, що перебувають у рівноважному фазовому стані сталей, треба пам'ятати відмінності хімічного складу їхніх фаз - фериту й цементиту - і, металургійні дефекти, які привносяться в них при виплавці і які впливають на їх механічні й інші властивості. Марганець і кремній, що попадають у сталь із чавуну, а вводять також у неї додатково при розкисленні, розчиняються у фериті, а марганець - у цементиті. Завдяки цьому при пластичності, що зберігається, трохи зростають міцність і твердість сталі (пластичність і в'язкість знижуються при більше високому, чим примісне, змісті Мп і Si).

Сірка й фосфор знижують міцність і пластичність, а також ударну в'язкість сталі й тому є шкідливими домішками. При цьому фосфор, розчиняючись у фериті, зміцняє його й робить тендітним, тобто знижує в'язкість сталі, особливо при низьких температурах. Звідси прийнято вважати, що фосфор надає сталі хладо-ламкість.

Сірка у фазах, що перебувають у сталі, розчинятися не може. Тому в сталі вона розташовується між її зернами у вигляді легкоплавкого з'єднання Fe. Це з'єднання, як би роз'єднуючи зерна, знижує міцність, пластичність і в'язкість стали. Крім того, з'єднання Fe утворить із сусідніми зернами стали плавиться при 988 °С суміш. Тому сильно уражена сіркою сталь при куванні (Т > 1100 °С) руйнується на фрагменти. У зв'язку із цим говорять, що сірка надає сталі красноламкість. Плавляться при 1620 °С зерна Mn перебувають усередині зерен сталі. Вони менш шкідливі, чим облямівки навколо її зерен. Кисень, як і сірка, у твердій сталі не розчиняється, але є присутнім у ній у вигляді різних оксидів, що мають форму різноманітних по обрисах і розмірам зерен (Si₂, Fe, Mn і т.д.), називаних неметалічними включеннями (НМВ). Ці включення роблять сталь тендітної й знижують її міцність.

Азот і водень здатні розчинятися у фериті й утворювати дрібні зерна нітридів і гідридів. Все це приводить до росту твердості й втраті пластичності, а також в'язкості стали.

Зміст вуглецю істотно впливає на властивості стали, оскільки від нього залежать відносні кількості знаходження в сталі м'якого й пластичного фериту й дуже твердого, але тендітного цементиту. У зв'язку із цим тісно переплітається класифікація сталей по змісту вуглецю й призначенню. Так, низько вуглеводні стали (до 0,25 % вуглецю) дуже пластичні, але порівняно мало міцні й використаються для виготовлення слабко на вантажених виробів. Середньо вуглеводні стали (0,3—0,6 % вуглецю) сполучать у собі досить високий комплекс в’язкістно-міцних властивостей і є основними конструкційними машино виробничими матеріалами. Високо вуглеводні сталі (0,7—1,3 % вуглецю) мають дуже високу твердість, низькими пластичністю й в'язкістю. З них виготовляються ріжучий і інший інструмент, а також вироби з високою зносостійкістю. По призначенню вуглеводні стали діляться на конструкційні й інструментальні.

До конструкційних сталей відносяться й будівельні сталі. Разом вони становлять клас машино виробничих і будівельних сталей, використовуваних у машинобудуванні й будівельній справі.

Залежно від характеру й величини навантаження, що прикладає до виготовленого з них виробам і конструкціям, ці сталі прийнята ділити на сталі звичайної якості і якісні.

У сталях звичайної якості допускається більша кількість сірі, фосфору, НМВ, газів і інших домішок, чим у якісні. У свою чергу, вони діляться на три групи, властивості яких гарантуються ДЕРЖСТАНДАРТ 380-71.

У групи А гарантуються тільки механічні властивості. Хімічний склад не гарантується. Тому з її можна робити виробу тільки застосовувані механічну обробку (зняття стружки). Нагріви, зварювання застосовувати не можна, тому що властивості, що змінюються при цьому, можна відновити тільки термічною обробкою, але для цього необхідно знати зміст вуглецю в сталі, тобто її хімічний склад.

Сталь групи Б (БСтО, БСт1,.... Бстб) випускається з гарантованим хімічним складом. Тому при виготовленні виробів її можна нагрівати, наприклад для кування, а потім за допомогою термічної обробки виправляти порушену структуру й надавати необхідні властивості,

Стали групи В (BOтl,.... Встб) поставляються по механічних властивостях і хімічному складі. Вони йдуть для виготовлення зварених конструкцій.

До маркування не до розкислених («киплячих») сталей додаються букви кп, наприклад, Ст1кп, Бст1кп.

Якісні вуглеводні конструкційні сталі виплавляються при більше строгому дотриманні технології виплавки, а зміст шкідливих домішок сірки й фосфору в них не повинне перевищувати 0,03 % кожного. Їхнє маркування складається із двозначного числа, що означає зміст вуглецю в сотих частках відсотка: сталь 05, 08, 10, 15, 20,..., 40, 45,..., 85. Через високу крихкість конструкційні вуглеводні сталі не містять вуглецю понад 0,85 %. Буква А в кінці марки свідчить про поліпшену металургійну якість стали: більше повнім розкисленні, крейдою спадкоємному зерні, більше точному хімічному складі й меншому змісті сірки й фосфору (менш 0,02 % кожного). Із цих сталей робляться деталі відповідального призначення.

Низько вуглеводні сталі можуть виплавлятися і як «киплячі»: 10кп, 15кп, 20кп. Важливою перевагою «киплячої» стали є відсутність у її злитків зосередженої усадочної раковини, завдяки чому на 10-20 % збільшується вихід придатного металу. Що стосується численних заповнених оксидом, що перебувають у злитку, вуглецю міхурів, то вони під час прокатки або кування заварюються.

Інструментальні вуглеводні сталі є високо вуглеводними сталями, що містять 0,7—1,3% вуглецю. Це гарантує їм високу твердість, необхідну для додання інструменту ріжучих властивостей до зносостійкості.

Їх маркірують В7, В7А,.... В13, В13А. Цифра означає зміст вуглецю в десятих частках відсотка, а буква А - поліпшена металургійна якість.

Чавуни. Показані в правій частині діаграми станів на мал. 1.12 чавуни є двох компонентними білими чавунами, у яких весь вуглець хімічно зв'язаний у цементит.

У реально виплавлюваних промисловістю чавунах певна частина вуглецю може перебувати у вільному стані у вигляді графіту - темної кристалічної речовини з гексагональними ґратами. У зв'язку з відзначеним чавуни прийнято ділити на білі й сірі, що мають білий, світлий злам через відсутність графіту й чавуну із графітом, тобто якоюсь кількістю вільного вуглецю.

Чавун із графітом може умовно розглядатися як сталь, «зіпсована» наявністю графітних включень, тобто його можна представити у вигляді сталевої основи, що містить графітні включення'. Графітними включеннями можна управляти, надаючи чавуну ті або інші механічні властивості залежно від форми й розмірів цих включень.

У сірих чавунах графітні включення мають форму кривих пластинок. Такий чавун є сталлю з готовими тріщинами - концентраторами напруг, заповненими графітом. Чим їх більше й чим вони крупніше, тим нижче міцність сірого чавуну.

Модифікуванням сірого чавуну підвищують його міцність, для цього в нього вводять силикокальцій, здрібнює графітні пластинки-тріщинки. Своя назва даний чавун одержав завдяки кольорам зламу.

Високоміцний чавун містить графіт у геометрично правильній кулястій формі, що майже не концентрує напруг і тому забезпечує чавуну найбільшу міцність δ_в (до 120 кгс/мм²), що сполучається із задовільною пластичністю δ (2-17 %). У його маркуванні відбиті міцність і пластичність: ВЧ38-17, ВЧ70-2, ВЧ120-2 і т.д.

Даний чавун виходить у результаті модифікування сірого чавуну спеціального складу невеликими добавками (0,03- 0,07 %) магнію або церію. З нього відливають відповідальні деталі, наприклад колінчаті вали автомобільних і суднових двигунів.

Ковкий чавун містить графіт у пластівчастій формі. Це забезпечує йому значно більше високу, чим у сірого, але трохи меншу, чим у високоміцного чавуну, міцність, що сполучається з деяким запасом пластичності: КЧЗО-6, КЧ97-12, КЧ63-2.

Його одержують шляхом тривалого (70—80 ч) графітового спалювання виливків з білого чавуну спеціального состава при температурі 970—740 °С, під час якого відбувається частковий або повний розпад цементиту з утворенням вільного вуглецю — графіту у вигляді пластівців.

Ковкий чавун застосовується для виготовлення литих деталей, що піддаються в роботі невеликим ударним навантаженням (важелі, педалі, кожухи й т.д.).

Література:

1 Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 2 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 3 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 4 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983