Диаграмма состояния позволяет установить режимы термической обработки, оптимальные температурные интервалы литья и обработки давлением, структуру при изменении концентрации и температуры. С ее помощью определяют температуру плавления и полиморфных превращений в сплаве, количество и вид фаз, имеющихся в сплаве данного состава при данной температуре, а также количественное соотношение этих фаз в сплаве.
Диаграммы строят экспериментально, термическим методом. Строят кривые охлаждения и затвердевания сплава и по остановкам и перегибам на этих кривых (критические точки), обусловленных тепловыми эффектами превращений определяют температуру превращений (Рисунок 6).
Критическая точка - температура, при которой происходит превращения (фазовые изменения).
Экспериментально построенные диаграммы проверяют по правшу фаз. Закономерности существования устойчивых фаз, отвечающих условиям равновесия, могут быть выражены в математической форме, называемой правилом фаз Гиббса.
Рисунок 6
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз.
С = К+1-Ф,
где К - число компонентов;
Ф - число фаз;
С - число степеней свободы (вариантность системы).
Число степеней свободы - это число независимых переменных внутренних (состав фаз) и внешних (температура, давление) факторов, которые можно изменять без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
2.2 Диаграмма состояния железо-цементит
2.2.1 Компоненты и фазы в сплавах железа с углеродом
Железо и углерод - элементы полиморфные.
Железо - температура плавления 1539, имеет две модификации и .
А) Модификация Fe существует при t = 911С и при температуре от 1392 до 1539С, имеет решетку ОЦК. Важной особенностью Fe является ферромагнитизм ниже t = 768С. Эта точка называется точкой Кюри.
Б) Модификация Fe существует в интервале температур от 911С до 1392С и имеет решетку ГЦК. Fe - парамагнитно.
Углерод - существует в двух модификациях: а) графит; б) алмаз. При нормальных условиях графит стабилен, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию (метастабильное состояние - относительно устойчивое состояние тела, системы).
Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой: 1) жидкий раствор; 2) феррит; 3) аустенит; 4) цементит; 5) графит.
А) Феррит - твердый раствор углерода в -железе. Обозначают Ф или . Различают низкотемпературный феррит и высокотемпературный феррит. Предельная концентрация углерода в феррите весьма мала и составляет 0,02% при температуре 727С. При температуре 720С в феррите растворяется около 0,006% С. Столь низкая растворимость углерода в Fe обусловлена малым размером межатомных пор в кристаллической решетке Fe. Феррит - мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: = 300 Мпа, = 40%, = 70%, НВ 80 - 100.
Б) Аустенит - твердый раствор углерода в -железе. Обозначается А или . Предельная концентрация углерода в аустените составляет 2,14%. Наличие большего количества углерода в аустените объясняется большей размерностью пор в -железе - решетка ГЦК. Аустенит пластичен, но обладает большей чем феррит прочностью. НВ 160 - 200.
В) Цементит - химическое соединение углерода с железом Fe3C (или карбид железа). Обозначается - Ц. содержит 6,67% углерода. При нормальных условиях твердость достигает НВ 800, однако цементит обладает очень высокой хрупкостью. При нагреве подвержен распаду.
Г) Графит - углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Графит электропроводен, химически стоек, малопрочен, мягок. НВ 8, в = 20 Мпа при t = 20С.
2.2.2 Диаграмма состояния железо-цементит
Первые исследования, относящиеся к диаграмме состояния железо-углерод, положены Д.К.Черновым.
Диаграмму железо-цементит изображают обычно для соединения Fe3C, содержащего 6,67% С. сплавы с большим содержанием углерода очень хрупки и практического применения не имеют.
Приступим к рассмотрению самой диаграммы.
Диаграмму железо-цементит называют метастабильной, диаграмму железо-графит стабильной.
Линия АСД соответствует линии ликвидус, линия АЕСF - линии солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536С), точка Д - температуре плавления цементита (1252С). Точка G соответствует полиморфным превращениям железа ( в ). Диаграмма состояния железо-углерод имеет линии эвтектического и эвтектоидного превращений. По линии ЕСF (t = 1147С) происходит эвтектическое превращение:
Ж АЕ + ЦF
Образуемая эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит - механическая смесь аустенита и цементита (до 727С). Содержание углерода - 4,3%. Ледебурит отличается высокой твердостью (НВ 700) и хрупкостью.
По линии PSK происходит эвтектоидное превращение.
АS ФР + ЦК
Образующийся эвтектоид называется перлитом. Содержание углерода 0,8%. Перлит оказывает весьма значительное влияние на свойства стали. перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурой.
в = 900 МПа; 16%; НВ 180220
Рассмотрим часть диаграммы, характеризующую сталь.
Сплав I содержит около 0,5% углерода. Образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1-2. Состав аустенита меняется по линии солидус АЕ, состав жидкой фазы по линии ликвидус АС. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается и до точки 3 структурных изменений не происходит - идет охлаждение аустенита. В точке 3 начинается выделение феррита. Концентрация углерода в феррите меняется по линии GP, а концентрация углерода в аустените по линии GS. В точке 4 состав аустенита соответствует точке S, т.е. эвтектоидному составу. При температуре 727С произойдет эвтектоидное превращение с образованием перлита АS ФР + ЦК. структура стали состоит из феррита и цементита.
Сплав II, содержащий 0,8% С, по составу соответствует точке S. Аустенит не испытывает превращений при охлаждении до точки S, а при полном охлаждении структура стали с содержанием 0,8% С будет состоять только из перлита.
Сплав III. Углерода содержится более 0,8%, но менее 2,14%. До точки 3 превращения в этом сплаве такие же, как и в сплаве I. При охлаждении от точки 3 до точки 4 из аустенита выделяется избыточный углерод с образованием цементита вторичного. На линии PSK при температуре 727С происходит эвтектоидное превращение и аустенит превращается в перлит. Поэтому структура сплава при полном охлаждении состоит из перлита и вторичного цементита.
Часть диаграммы, характеризующая чугуны.
При первичной кристаллизации сплавов с углеродом более 2,14% происходит эвтектическое превращение, сопровождающееся образованием из жидкости, содержащей 4,3% С, ледебурита.
Сплав I. Кристаллизация начинается в точке 1 выделением аустенита из жидкого раствора и заканчивается в точке 2. Охлаждаясь, от точки 1 до точки 2 состав аустенита меняется по линии солидус, а концентрация углерода в жидкости по линии ликвидус. В точке 2 при t = 1147С состав жидкости соответствует точке С, т.е. концентрация углерода равна 4,3%. При 1147С происходит эвтектическое превращение ЖС АЕ + ЦF. Охлаждение от точки 2 до точки 3, из аустенита выделяется вторичный цементит. Структура сплава при охлаждении состоит из перлита и ледебурита.
Сплав II. Содержит 4,3% углерода и при эвтектической температуре он превращается из жидкости в ледебурит. При температуре 727С происходит перлитное превращение аустенита. Сплав при полном охлаждении имеет структуру ледебурита.
Сплав III. Кристаллизация начинается с образования кристаллов первичного цементита. Первичный цементит выделяется из жидкости при охлаждении от температур 1-2. При температуре 1147С происходит эвтектическое превращение. При полном охлаждении структура сплава состоит из ледебурита и первичного цементита.
2.3 КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Классификация углеродистых сталей.
Углеродистые стали классифицируют по: а) структуре; б) способу производства; в) способу раскисления; г) качеству.
а) По структуре:
доэвтектоидная сталь - углерода до 0,8%, структура - феррит + сталь;
эвтектоидная - углерода 0,8%, структура - перлит;
заэвтектоидная - углерода от 0,8 до 2,14%, структура - перилт + цементит.
б) По способу производства: мартеновская, кислородно-конверторная и электросталь.
в) По способу раскисления: кипящие, полуспокойные, спокойные.
г) По качеству: обыкновенного качества (S 0,06%, Р 0,04%); качественные (S 0,04%, Р 0,04%); повышенного качества (S 0,03%, Р 0,03%).
Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и номерами от 0 до 6. Пример: Ст0 … Ст6. Степень раскисления обозначают буквами: сп - спокойная; пс - полуспокойная; кп - кипящая. Буквы ставят за цифрами. Различают три группы сталей: А - поставляют только по механическим свойствам, Б - поставляют с гарантируемым химическим составом, В - поставляют с гарантируемым химическим составом и механическими свойствами.
В марках группы А буква не указывается. Примеры: Ст2кп - сталь группы А, кипящая, С от 0,09 до 0,15%; ВСт5сп - сталь группы В, спокойная, С от 0,28 до 0,3%, применяют для получения проката, поковок, строительных конструкций и для изготовления малоответственных деталей.
Качественные углеродистые стали. К ним предъявляются более жесткие требования по химическому составу и примесям. S 0,04%, Р 0,04%. Маркируют эти стали цифрами 08; 10; 15 … 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, с указанием степени раскисленности. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается. Пример: Сталь 15 - С - 0,123 … 0,19%, спокойная сталь; Сталь 08пс - С - 0,05 … 0,11%, полуспокойная.
По содержанию углерода качественные стали делятся на: а) низкоуглеродистые - С до 0,25%; б) среднеуглеродистые - С от 0,3 до 0,55%; в) высокоуглеродистые - С от 0,6 до 0,85%. Применяют для сварных конструкций, ответственных деталей (после термообработки), деталей, работающих в тяжелых условиях.
Стали повышенного качества (высококачественные). Характеризуют очень низким содержанием серы и фосфора. Получение этих сталей достаточно сложно, поэтому обычно высококачественными сталями бывают легированные стали. При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.
Пример: У10А - С 1,0%, А - высококачественная сталь, У (ставится вначале) - углеродистая.
Эти стали используют для изготовления инструмента. Автоматные стали - используют для изготовления малонагруженных деталей (гайки, болты). Хорошо обрабатываются резанием из-за повышенного содержания Р 0,15% и S 0,3%.
Прежде чем перейти к ознакомлению с другими видами сталей, необходимо ознакомиться с легированием сталей.
Легирование производится с целью изменения свойств и строения стали. легирование осуществляется введением в сталь легирующих элементов, которые улучшают свойства стали. причем разные элементы могут сообщать разные свойства.
Маркировка легированных сталей. Маркируются стали буквенно-цифровым методом, показывающим химический состав стали. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Х - хром; Н - никель; Г - марганец; С - кремний; М - молибден; В - вольфрам; Ф - ванадий; Т - титан; Д - медь; Ю - алюминий; Б - ниобий; Р - бор; Ц - цирконий; К - кобальт; А - азот (А - автоматные, А - азот, А - высококачественные); Ч - редкоземельные металлы. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процента, если цифры нет, то элемента около 1%. Цифра до букв указывает на примерное содержание углерода. Особенность: Мо; W; V; Тi - содержатся не в целых долях, а в десятых.
Пример: 20ХН3А - 0,20% С, 1% Сr, 3% Ni - высококачественная.
Особовысококачественные стали имеют в конце обозначения букву Ш - 30ХГС-Ш. Буквы Ш и Э в начале обозначения означают шарикоподшипниковые и электротехнические - соответственно.
2. Строительные стали (арматура, строительные конструкции). Основным требованием к строительным сталям является свариваемость. Поэтому во избежание появления трещин после сварки количество углерода ограничивается до 0,25%. Необходимая прочность достигается за счет легирования кремнием, марганцем, хромом, никелем, медью в весьма малых количествах.
Примеры сталей: обыкновенного качества Ст2, Ст3; низколегированные 14Г2. 14ХГС, 15ХСНД; стали с добавками ванадия и ниобия 17Г2АФБ, 25Г2С, 30ХГСА - используют для предварительно напряженного бетона.
3. Цементуемые стали. Для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок и поверхностного износа, применяют стали с содержанием углерода не более 0,2%, подвергая их цементации, закалке и низкому отпуску.
Различают три группы цементуемых сталей: а) с неупрочняемой сердцевиной - стали 10, 15, 20; б) со слабоупрочняемой сердцевиной - 15Х, 20Х; в) с сильноупрочняемой сердцевиной - 12Х2НЧА.
4. Улучшаемые стали - к этим сталям относят среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,5% углерода и не более 5% легирующих элементов, которые используются после термообработки - «улучшения». Улучшение - закалка с последующим высоким отпуском. Термообработкой (улучшением) достигается: а) структура сорбита; б) высокая прочность, ударная вязкость; в) низкая чувствительность к надрезам; г) хорошая прокаливаемость. Примеры - стали марок 35, 40, 45; стали марок 30Х. 40Х.
5. Высокопрочные стали - стали с пределом прочности более 1500 МПа. Значительная прочность достигается методами термообработки, термомеханической обработки, использованием новых высокопрочных материалов - мартенсито-стареющих сталей и ПНП-стали (ПНП - пластичность, наведенная превращением).