Структура и свойства чугунов

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ ОТ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА

ЗАВИСИМОСТЬ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Из диаграммы Fe–Ц (рис. 2.1.1) следует, что структуры практически

всех (>0,01 %С) сплавов при нормальных температурах формируются из двух

фаз – феррита (Ф) и цементита (Ц). Механические свойства этих фаз приве-

дены выше на стр. 66.

Очевидно, что с увеличением содержания углерода в структуре сплавов

возрастает количество твердого и хрупкого Ц и уменьшается количество мягко-

го, пластичного Ф. Твердые частицы Ц повышают сопротивление сплава пла-

стической деформации (см. темы 1.2.2, 1.2.3). Поэтому с увеличением содер-

жания углерода растут твердость (НВ) и прочность ( s в) сплавов, падают их пластичность ( d, y ) и ударная вязкость ( K CU) – рис. 2.1.3.

В теме 1.1 отмечалось, что и прочность

зуют сопротивление материала пластической

(sв) и твердость (НВ) характери-

деформации. Поэтому между

1Помимо рассмотренных есть еще три структуры белых чугунов (подробнее в 2.1.4).

-

sви НВ существует закономерная связь

sв= а ×НВ, (2.2) где а = const, отличающаяся для различных сплавов (для сталей а» 0,3).

Рис. 2.1.3. Зависимость механических свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии от содержания углерода

С этим связана одинаковая линейная зависимость sви НВ от содержания

углерода. Однако, как видно из рис. 2.1.3, в сплавах, содержащих > 0,8 %С,

прочность при растяжении падает, а твердость продолжает расти. Это обуслов-лено охрупчивающим влиянием сетки ЦIIв заэвтектоидных сталях1, которое не сказывается при измерениях твердости, т.к. при этом работает не все сечение образца (как при определении sв), а лишь локальная область под индентором (см. тему 1.1).

Таким образом, зависимость s в= f(С), показанная на рис. 2.1.3, - нагляд-ное проявление "красной нити" материаловедения: С остав – С труктура - С войства (вспомним Введение).

В теме 2.1.1 фактически представлена классификация углеродистых

сталей по равновесной структуре, это: доэвтектоидные стали (структура Ф

+ П), эвтектоидные (П) и заэвтектоидные (П +Ц II ).

Однако для потребителя более важной является классификация по на-

1Именно поэтому в реальных изделиях из заэвтектоидных сталей сетку ЦIIспециальной тер-момеханической обработкой преобразуют в мелкие равномерно распределенные кристалли-ки "зернистого цементита".

значению, поскольку она определяет возможность использования той или иной

стали для конкретных изделий. Основой такой классификации является зави-

симость механических свойств сталей от содержания углерода, показанная на

рис. 2.1.3.

Видно, что достоинством сталей с большим содержанием углерода

(³ 0,7 %С) является высокая твердость, поэтому такие стали относятся к груп-

пе инструментальных (т.к. основное требование для большинства видов инст-

румента – именно высокая твердость). Маркировка этих сталей У7, У8, У10,…,

У13 (ГОСТ 1435–90), где цифры показывают содержание углерода в десятых

долях %.

Конструкционные стали используют для разнообразных по назначению

изделий, работающих при сложных, в том числе, динамических нагрузках. Та-

кие стали должны обладать оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости, поэтому, в основном, это мало – и среднеуглеродистые стали1. Они

подразделяются на стали обыкновенного качества общего назначения (марки

Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 ГОСТ 380–94) и качественные конструкционные ста-

ли (марки 08, 10, 15, 20, 25,…, 40, 45,…85 ГОСТ 1050–88).

Содержание углерода в сталях обыкновенного качества изменяется от

» 0,1 % до 0,5 % и в среднем возрастает с увеличением цифры в марке (соответ-

ственно изменяются свойства согласно рис. 2.1.3). Из этих сталей обычно изго-

тавливают малонагруженные изделия, не подвергаемые упрочняющей термиче-

ской обработке.

В марках качественных конструкционных сталей цифры показывают со-

держание углерода в сотых долях % (например, в стали 45…0,45 %С). Эти ста-

ли применяют для ответственных изделий, которые для получения оптималь-

ных механических свойств подвергаются упрочняющей термической обработ-

ке, состоящий из закалки и отпуска (см. ниже тему 2.2).

1К конструкционным относят так же стали с высоким содержанием углерода (0,6…0,85 %С). Эти стали (марки 60, 65, 70, 75, 80, 85) применяют главным образом в качестве рессорно-пружинных, а также для деталей с повышенными требованиями по прочности, упругости и износостойкости (шпиндели, эксцентрики, диски сцепления, прокатные валки и др.)

-

Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «Железо-

цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, назы-

ваются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим ко-

личеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затверде-вание этих сплавов происходит при Т £ 1147 оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения

охл

Жс ® АЕ+ Ц. (2.3)

Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых

при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтек-тическим 1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко

плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую тем-

пературу плавления среди железоуглеродистых сплавов).

Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии иссле-

дователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустени-та и цементита, но при Т£ 727 оС аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит (Л) – сложная структурная состав-ляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включе-ниями перлитных зерен.

По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические (2,14…4,3 %С)

со структурой Л+П+Ц II, эвтектические (4,3 %С) – Л и заэвтектические

(4,3…6,67 %С) – Л+Ц II.

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечи-

вает их высокие литейные свойства.

1Перлитное превращение (формула 2.1) называется эвтектоидным, что означает "похожее на эвтектическое"; разница в том, что исходной фазой эвтектоидного превращения является не жидкая, а какая-то (третья) твердая фаза (в данном случае аустенит).

-

Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав

зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода > 2,14 %.

Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низки-

ми значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является

следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в раз-

деле 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не исполь-

зуются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов

широко применяются серые чугуны.

Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что

углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита 1 различной фор-

мы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных

структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму

длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются моди-

фицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную

форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может

быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механиче-

ские свойства различных видов серых чугунов.

1Отсюда их название – более темный по сравнению с белыми чугунами оттенок излома.

--

Таблица 2.1