Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие составляющие:

аустенит - твердый раствор углерода в g-железе с предельной концентрацией углерода 2,14 % при температуре 1145 °С; с понижением температуры до 727 °С концентрация углерода уменьшается до 0,8 %; сталь со структурой аустенита немагнитна и имеет высокие пластичность и вязкость;

феррит - твердый раствор углерода в a-железе с предельной концентрацией углерода 0,02 % при температуре 727 °С; феррит имеет малую твердость и высокую пластичность;

цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe₂C (6,67 % С); имеет большие твердость и хрупкость;

перлит - механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита, образующаяся при эвтектоидном распаде аустенита (0,8 % С); сталь, имеющая структуру перлита, обладает большими прочностью и твердостью;

ледебурит (4,3 % С) - механическая смесь (эвтектика) аустенита или перлита и цементита; ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, при этом образуется смесь перлита и цементита;

графит - углерод в свободном состоянии, располагается в основной массе металла и имеет развитую объемную форму в виде пластинок; кроме пластинчатого графита можно получить графит компактных форм (шаровидный или хлопьевидный).

3.3. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C

В сплавах при охлаждении и нагреве происходят изменения и образуются новые фазы и структуры. Эти изменения можно определить по диаграмме состояния. Диаграммой состояния называется графическое изображение, показывающее фазовый состав и структуру сплавов в зависимости от температуры и химической концентрации компонентов в условиях равновесия.

Линия на диаграмме Fe-Fe₃C ACD - ликвидус. Выше этой линии все сплавы находятся в жидком состоянии. Линия AECF - солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии. Область существования феррита ограничена площадью OQPG, аустенита - GSEA. На линии DFKL образуется цементит, на ECF - ледебурит, на PSK - перлит.

Структура сплава зависит от содержания углерода, с увеличением концентрации которого растет количество цементита. Железоуглеродистые сплавы принято классифицировать по равновесной структуре в соответствии с диаграммой состояния Fe-Fe₃C. Согласно этой классификации, различают стали доэвтектоидные (0,02…0,8 % С, структура Ф + П); эвтектоидные (0,8 % С, структура - перлит, строение которого может быть пластинчатым или зернистым); заэвтектоидные (0,8…2,14 % С, структура - П + Ц_II). Белые чугуны подразделяют на доэвтектические (2,14…4,3 % С, структура П + Ц_II + Л); эвтектические (4,3 % С, структура - Л) и заэвтектические (4,3…6,67 % С, структура - Ц_I + Л).

Практическое применение диаграммы Fe-Fe₃C: диаграмму Fe-Fe₃C используют для определения видов и температурных интервалов термической обработки стали; для назначения температурного интервала при обработке давлением; для определения температуры плавления и заливки сплава и его литейных свойств (жидкотекучести, усадки).

Влияние структурного состава железоуглеродистых сплавов

На их свойства.

Между фазовым составом и свойствами сплавов существует определенная зависимость. Сплавы, образующие механические смеси и твердые растворы, обладают тем более низкими литейными свойствами в области твердых растворов, чем больше расстояние между линиями солидус и ликвидус. Однако, с появлением в сплаве второй фазы увеличивается жидкотекучесть, возрастают сопротивление усадочным напряжениям и склонность к образованию концентрированной усадочной раковины. Наилучшими литейными свойствами обладают эвтектические или близкие к ним по составу сплавы. Эти же сплавы лучше обрабатываются резанием. Однофазные сплавы - твердые растворы - лучше деформируются в холодном и горячем состоянии.

В случае неограниченной растворимости компонентов в твердом состоянии свойства изменяются по криволинейной зависимости. Небольшие добавки второго элемента сильно повышают прочностные характеристики и электрическое сопротивление сплавов при некотором снижении пластичности. При больших концентрациях второго элемента указанный эффект значительно ослабляется. В случае повышенных температур пластичность твердых растворов весьма высока. При образовании ограниченных твердых растворов зависимость свойств от состава как бы складывается из двух зависимостей, рассмотренных ранее.

Фазовый состав любой углеродистой стали в равновесном состоянии: феррит + цементит. Количество последнего возрастает пропорционально росту содержания углерода. Поскольку цементит - твердая и хрупкая фаза, то увеличение его количества сопровождается повышением прочностных свойств, твердости (s_в, s_0,2, НВ), падением пластичности (d, y) и особенно ударной вязкости (KCU). Падение прочности с увеличением содержания углерода в заэвтектоидных сталях объясняется наличием хрупкой цементитной сетки на границах перлитных зерен. Повышение содержания углерода ухудшает и технологические свойства: свариваемость, обрабатываемость резанием, деформируемость.

При выборе режима обработки давлением по соответствующим диаграммам состояния определяют температурный интервал существования однофазных твердых растворов. Двух- и многофазные сплавы хорошо обрабатываются резанием, а однофазные твердые растворы - плохо.

Диаграммы состояния помогают определять и литейные свойства сплавов. Если расстояние между линиями ликвидус и солидус велико, то в твердых растворах усиливается дендритная ликвация и уменьшается жидкотекучесть. Значительный температурный интервал кристаллизации свидетельствует о склонности к образованию в отливке рассеянной пористости. И, наконец, при большом интервале кристаллизации создается перепад температур в объеме кристаллизующегося металла, что затрудняет усадку, особенно в крупных отливках, и приводит к образованию трещин в металле. При небольшом интервале кристаллизации твердые растворы имеют более высокие литейные свойства.

Таким образом, диаграммы состояния позволяют теоретически прогнозировать свойства сплавов, создавать промышленные сплавы с заданными свойствами и выбирать оптимальные виды обработки для получения заданной структуры и свойств.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: