Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Диаграмма состояния железо-углерод
На диаграмме состояния железо — углерод показано все разнообразие превращений, происходящих в сплавах от чистого железа до цементита, содержащего 6,67% углерода, при температурах от комнатной до температуры плавления железа и цементита. Цементит ?езС — химическое соединение железа с углеродом, которое образуется при кристаллизации сплава, содержащего 93,33% Fe и 6,67% С. Диаграмма имеет большое практическое применение при термической обработке и обработке металлов давлением.
На упрощенной диаграмме (рис. 5) по оси ординат отложены температуры, а по оси абсцисс — процентное содержание углерода в сплаве железо — углерод. Диаграмма ограничена левой и правой ординатами, на которых имеются следующие критические точки: А — соответствует температуре 1539° С, G — 911° С (левая ордината соответствует 100%-ному содержанию железа), D — 1600° С, F— 1147°С, К = 727° С (правая ордината соответствует 100%-ному содержанию Fe3C). Содержание углерода в сплаве 6,67% принимается предельным по таким соображениям: сплавы с большим содержанием углерода в промышленности применения не имеют, а указанное содержание углерода в сплаве соответствует образованию цементита.
Критические точки на диаграмме: Р — отвечает температуре 727°С с содержанием углерода 0,0025%, 5 — 727° С с содержанием углерода 0,8%; Е — 1147° С с содержанием углерода 2,14%; С — 1147°С с содержанием углерода 4,3%: К—727° С с содержанием углерода 6,67% и F — 1147° С с содержанием углерода 6,67%. Область диаграммы влево от вертикальной линии, отвечающей содержанию углерода, равному 2,14%, характеризует стали, а вправо — чугун.
В верхней части диаграммы имеется линия Л CD, соответствующая температурам, выше которых сплавы с любым содержанием углерода (от 0 до 6,67%) находятся в жидком состоянии. Эта же линия соответствует температурам начала затвердевания жидких сплавов. Линия ACD является линией ликвидус, а линия AECF — солидус. Линии GSE и PSK диаграммы — области затвердевающего сплава — объясняют происходящие изменения структуры в системе сплава в твердом состоянии. В процессе охлаждения в сплавах происходят внутренние преобразования, при которых изменяется структура сплава.
Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов в металлографии имеют особые названия и обладают характерными свойствами. К их числу относятся феррит, графит, цементит, аустенит, перлит и ледебурит.
Феррит (чистое железо) обладает небольшой прочностью, невысокой твердостью (НВ 80—100), сравнительно небольшой вязкостью и до температуры 768° С магнитными свойствами.
Графит — одно из видоизменений углерода. Углерод в виде тончайших пластинок графита выделяется при медленном охлаждении чугуна (так называемый серый чугун).
Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом РезС и иначе называется карбидом железа. Цементит обладает весьма высокой твердостью (около НВ 800), очень хрупкий и содержит по массе 6,67% углерода. Таким образом, предельное содержание углерода, принятое при построении диаграммы, соответствует цементиту.
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе, образующийся при содержании углерода в сплаве до 2,14%. В стали аустенит существует только при высокой температуре (свыше 727° С). При медленном охлаждении сплава аустенит распадается на феррит и цементит. При быстром охлаждении аустенит не успевает распасться. Частичный распад аустенита дает промежуточные структуры сплава — мартенсит, троостит и сорбит. Эти промежуточные структуры представляют наибольший интерес при рассмотрении термической обработки.
Перлит образуется при распадении аустенита, содержащего 0,8% углерода. Структура перлита имеет вид перемешанных очень мелких светлых и темных частичек в виде пластинок или зерен; в соответствии с этим первый называется пластинчатым, а второй — зернистым. Темные частички являются ферритом, а светлые — цементитом. Перлит обладает достаточно высокой вязкостью и невысокой твердостью (около НВ 200).
Ледебурит представляет собой механическую смесь аустенита и цементита лри содержании углерода в сплаве 4,3%. Такую смесь называют эвтектикой. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью (так называемый белый чугун).
Температура плавления сплава по мере увеличения содержания углерода понижается (линия АС), достигая наименьшего значения в точке Су соответствующей 1147° С; для сплава с содержанием углерода 4,3% при дальнейшем увеличении содержания углерода повышается (линия CD), достигая 1600° С при содержании углерода 6,67% (см. рис. 5).
Линия AECF соответствует температурам конца затвердевания жидкого сплава. Если сплав содержит углерода меньше 4,3%, затвердевание его происходит в интервале температур между линиями АС и АЕСУ при этом из сплава выделяются кристаллы твердого раствора аустени-та. Если в сплаве содержание углерода больше 4,3%, то он затвердевает между линиями CD и CF, при этом выделяются кристаллы цементита. Ниже линии AECF все сплавы находятся в твердом состоянии в виде стали или чугуна. При дальнейшем охлаждении стали аустенит начинает распадаться, выделяя феррит или цементит, в зависимости от содержания углерода. Начало распада аустенита происходит в зависимости от содержания углерода при температурах, соответствующих линии GSE, и закапчивается при одной и той же температуре (727° С) для всех сплавов независимо от содержания углерода, что показано на диаграмме прямой РК- Линия PSK называется эвтектоидной, ниже ее превращения в сплавах не происходят. При содержании в стали углерода 0,8% аустенит в точке S преобразуется в перлит. В соответствии с этим сталь такого класса называется перлитной или эвтектоид-ной, а точка называется эвтектоидной. При содержании углерода менее 0,8% в области между линиями GS -и PS из аустенита будет выделяться феррит до тех пор, пока концентрация углерода не достигнет 0,8%, после чего оставшийся аустенит перейдет в перлит при температуре 727° С.
Таким образом? структура стали, содержащей углерода менее 0,8%, будет состоять из механической смеси феррита с перлитом.Если содержание углерода в аустените больше 0,8%, то в области между линиями SE и SK из аустенита будет выделяться цементит, в связи с чем процентное содержание углерода в аустените будет уменьшаться, и когда оно достигнет 0,8%, аустенит при температуре 727° С перейдет в перлит. Структура такой стали будет состоять из цементита и перлита. Сталь при достаточно медленном охлаждении может иметь одну из трех структур, зависящих от содержания в ней углерода: при содержании углерода до 0,8% структура стали представляет собой механическую смесь феррита и перлита; при содержании углерода 0,8% структура стали — перлит; при содержании углерода более 0,8% структура стали представляет смесь цементита с перлитом.
Однако такие структуры сталь преобретает лишь в случае медленного охлаждения. Если же сталь, нагретую выше линии GSE> охладить с достаточно большой скоростью, то распад аустенита не успевает произойти и в зависимости от скорости охлаждения сталь приобретает промежуточную структуру, не соответствующую диаграмме. Это свойство стали используют при термической обработке.
Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.
Белый чугун с высоким удельным электросопротивлением.
Для литых нагревателей, работающих при 850 — 900оС, применяется чугун типа Х34, с повышенным содержанием углерода, кремния, марганца и никеля, который известен под названием сормайт, содержащий 2, 5 — 3, 5% С, 28, 0 — 35, 0э% С, 2, 5 — 2, 5 Si, 1, 0 — 1, 5% Mn, 3, 0 — 5, 0% Ni, с удельным сопротивлением p = 1, 4/1, 5 ом м/мм2, ? в = 35 кГ/мм2 ;
? изг = 70 кГ/мм2 ;
HRC 48 — 50.
В промышленности применяются доэвтектические серые (литейные) чугуны.
Серый, который нельзя отменить состоит из феррита и графита, называют ферритным, так как металлическую основу его составляет феррит.
Весь углерод в виде графита выделяется при весьма медленном охлаждении сплава;
если скорость охлаждения в процессе кристаллизации (как первичной, так и повторной) растет, выделяется не графит, а цементит.
, который нельзя отменить до 1, 2% фосфора, применяется для художественного литья, труб.
Отливки из ковкого чугуна получают в результате тепловой обработки (отжига ) отливок из белого чугуна.
Микроструктура ковкого чугуна — зернистый перлит и углерод отжига в форме хлопьев.
Трубопроводную арматуру из ковкого чугуна марок КЧ30 и КЧЗЗ применяют для температур от недостаток 30 до 400 ? С и нажимов до 4 МПа при условном диаметре прохода Dy 80 мм.
Возможно применение ковкого чугуна для изготовления арматуры Dy = 100 мм при рабочем давлении до 2 МПа и температуре менее 300 °С.
Включая небольшое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать сей материал для подробностей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам.
В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, ведущие;
в автостроении — блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления.
Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не присутствующий в твёрдом растворе железа, присутствует в объединенном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугуне ).
Кристаллизация белых чугунов происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита.
Белый чугун вследствие густых механических свойств и хрупкости располагает ограниченное применение для деталей простой конфигурации, действующих в обстановках повышенного абразивного износа.
Легирование белого чугуна карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.
Главный, который нельзя отменить структуру чугуна, — процесс графитизации (выделение углерода в структурно — свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна.
В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно — цементитной (П — f — Ц), перлитной (П), перлитно — ферритной (П Ч — Ф) и ферритной (Ф).
Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит — структурно — пустым.
Отдельные элементы, включаемые в чугун (в режиме мощности влияния: С, Si, Ni, Co, Cu), способствуют графитизации, другие — препятствуют (S, V, Cr, Sn, Mo, Mn).
Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, минимальное — кобальт и медь.
Главный, который нельзя отменить структуру чугуна, — процесс графитизации (выделение углерода в структурно — свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна.
В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно — цементитной (П — f — Ц), перлитной (П), перлитно — ферритной (П Ч — Ф) и ферритной (Ф).
Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит — структурно — пустым.
Отдельные элементы, включаемые в чугун (в режиме мощности влияния: С, Si, Ni, Co, Cu), способствуют графитизации, другие — препятствуют (S, V, Cr, Sn, Mo, Mn).
Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, минимальное — кобальт и медь.
Белый чугун с высоким удельным электросопротивлением.
Для литых нагревателей, работающих при 850 — 900 о С, применяется чугун типа Х34, с повышенным содержанием углерода, кремния, марганца и никеля, который известен под названием сормайт, содержащий 2, 5 — 3, 5% С, 28, 0 — 35, 0 э % С, 2, 5 — 2, 5 Si, 1, 0 — 1, 5% Mn, 3, 0 — 5, 0% Ni, с удельным сопротивлением p = 1, 4/1, 5 ом м/мм 2, ? в = 35 кГ/мм 2 ;
? изг = 70 кГ/мм 2 ;
HRC 48 — 50.
Ковкий чугун обладает повышенной крепостью при растяжении, невысокой пластичностью и рослым сопротивлением удару.
По механическим свойствам он занимает промежуточное положение между сталью и серым чугуном.
В зависимости от способа производства ковкий чугун разделяется на ферритный (черносердечный) и перлитный (белосердечный).
Отливки из ферритного ковкого чугуна получают отжигом в нейтральной сфере (коробки с отливками засыпают песочком).
Этот чугун в изломе имеет темную бархатистую сердцевину со светлым ободком.
Ферритный ковкий чугун имеет следующий химический состав: 1, 75 — 2, 3% С;
0, 85 — 1, 2% Si;
0, 5 — 0, 6% Мn;
не более 0, 2% Р и не более 0, 12% S.
С уменьшением содержания углерода механическая прочность чугуна возрастает, а литейные свойства ухудшаются.
Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются механические его высокие свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений.
Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой крепостью, но и пластичностью.
В строительстве считают применение все картины рассмотренных чугунов с графитным включением.
Серые чугуны используются в устройствах, действующих на статическую сжимающую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, опорные плиты под фермы, балочки, канализационные трубы, лючки, задвижки );
высокопрочные и ковкие чугуны, имеющие повышенной крепостью, пластичностью и вязкостью, употребляют в устройствах, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы фабричных зданий, фундаменты тяжелого кузнечно — прессового оборудования, подферменные опоры железнодорожных и автодорожных мостов, тюбинги для крепления ответственных транспортных туннелей под землей, в горах).
Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.
Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.
Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.
Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.
Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.
При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.
При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две — предел прочности при изгибе.