Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

•Ж

Рис.

89. Вертикальные разрезы тронной диаграммы состояния:

« - Fc - Мп - С; б - Fe - Сг - С

лгс/мм

;з

I-

ifO

««I

-х-

-Mo-

7Л

•о

ч,-

<5>

S3*,

///7|l\

113^56%

Содержание

легирующего

элемента

кгс-м/см1Л

S 6 %

Содержание

легируют,

его

элемента

Содержание

легирующего

элемента

в)

Рис.

90. Влияние легирующих элемен-

тов на механические свойства феррита

Вследствие трудности переохлаждения

до

низких температур легиро-

ванный

молибденом, вольфрамом

другими элементами у-раствор

не пре-

терпевает мартенситного превращения

поэтому

не

упрочняется

при

закалке.

Легирующие элементы, растворяясь

у-железе, повышают прочность

аустенита

при

нормальной

высоких температурах.

Для

легированного

аустенита характерны

низкий

предел текучести

при

сравнительно высоком

пределе прочности.

Аусгенит

легко наклёпывается,

т. е.

быстро

сильно

упрочняется

под

действием деформации.

Аустенит

парамагнитен, обладает

большим коэффициентом теплового расширения.

Карбидная фаза

легированных сталях.

По

отношению

углероду

ле-

гирующие элементы подразделяют

на две

группы:

1) графитизирующие элементы:

Si, Ni, Си, А1

(находятся

твердом

растворе);

2) карбидообразующие элементы: Fe-*Мп-»Сг->Мо-*W->Nb->V-+

-»Zr-»Ti

(расположены

по

возрастающей степени сродства

углероду

устойчивости карбидных

фаз).

А.

П.

Гуляев показал,

что

активность этих элементов

как

карбидообра-

142

зователей тем сильнее, а устойчивость карбидов против диссоциации

растворения при нагреве в аустените тем больше, чем менее достроена

электронная

rf-подгруппа соответствующего металла переходных групп \

При

введении, например, ванадия в сталь, содержащую хром и молибден,

более сильный карбидообразующий элемент ванадий при отсутствии до-

статочного количества

углерода

отнимает его сначала от карбида хрома,

а затем от карбида молибдена. Хром и молибден в этом

случае

переходят

твердый раствор.

При

малом содержании в стали таких карбидообразующнх элементов,

как

Мп,

Ст,

W и Мо, последние растворяются в цементите, замещая в нем

атомы железа. Состав цементита в этом

случае

может быть выражен фор-

мулой (Fe, М)

С, где М — легирующий элемент. Так, при растворении мар-

ганца в цементите образуются карбид (Fe, Mn}, С, при растворении хро-

ма — карбид (Fe, Сг)

С.

Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа

(Fe

C->

C),

хром — до 25 ат.%, молибден — до 3 ат. % и вольфрам

лишь до

0,8—1,0

ат.%. Более сильные карбидообразующие элементы (Ti,

Nb,

V, Zr) практически не растворяются в цементите и образуют самостоя-

тельные специальные карбиды.

При

повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависи-

мости от содержания

углерода

в стали

могут

образовываться специальные

карбиды. На рис. 91 приведены изотермические сечения (при

20°С)

части

тройных диаграмм состояния Fe — Ст

—

С, Fe — Мо

—

С и Fe — W

—

С; по-

казаны

фазовые области, в которых

существуют

разные карбидные фазы.

Если содержание хрома не превышает 2%, то образуется легированный

цементит (Fe,

Cr)

При повышенном содержании хрома образуется спе-

циальный карбид (Cr,

Fe)

При еще больших содержаниях хрома (>

10—12%)

образуется карбид (Cr,

Fe)

(рис. 91,я).

При

введении вольфрама и молибдена в сталь в количестве, превы-

шающем предел насыщения цементита этими элементами, обтазуются

сложные карбиды Fe

C(Fe?Mo

C) и' Fe

C(Fe

C) (рис. 91,6

в)

Специальные карбиды, образуемые легирующими элементами, спо-

собны растворить железо и

другие

металлические элементы. Так, напри-

мер,

карбид Сг

при 20'С растворяет до 55% Fe, образуя сложный кар-

бид (Cr,

Fe)

а карбид Сг

— до 35% Fe, образуя карбид (Cr,

Fe),

Приняты

следующие обозначения карбидов: М

С (карбиды цементит-

ного типа), М

и М

(карбиды, имеющие кристаллическую решетку

карбидов хрома), М

С и М

С (карбиды с решеткой, в которой атомы метал-

ла расположены по типу карбидов вольфрама или молибдена) и, наконец,

МС

(карбиды по типу кубической грансцентрированной решетки). Под

символом М подразумевается сумма металлических элементов, входящих

состав карбида.

Никель и кобальт имеют d-подгруппу, более заполненную электронами, чем железо,

поэтому они карбидов в стали не образуют.

- Карбиды

FCT\\\C

и Fe.MOnC крмсгалли

ся обычно с педоекмком yi дсро/ui; и этм

случае

их химический состав соответствует ближе форм)лам

l-c

143

Рнс.

91. Изотермические сечения тронных диаграмм состояния:

_ ре - Сг - С; б - Fe - Мо - С; в - Fe - W - С

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на

две группы. К

первой

группе относятся карбиды типа М

С, М

, М

С(М

С),

имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой

группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве.

Ко

шпорой

группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, TaC

(атомы металла расположены по типу кубической решетки), WC (атомы

металла расположены по типу объемно-центрированной кубической ре-

шетки),

C и Мо

С (атомы металла расположены по типу гексагональ-

ной

решетки). Эти карбиды относятся к фазам внедрения. В отличие от

карбидов первой i руппы фазы внедрения в реальных условиях нагрева ста-

ли почти не растворяются в аустените.

Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие

элементы

образуют

с железом пли

друг

другом

интерметаллические со-

единения-.

Примером таких соединений

могут

служить

Fe,T i и др. В сплавах Fe — Сг и Fe — V образуются твердая

хрупкая а-фазы, отвечающие соединению FeCr (см. рис. 88, а) и FeV (см.

рис.

88,6). В сплавах Fe - Сг - Мо(8-27%Сг и > 5%Мо), Fe - Сг - Ni -

Мо

(2 —3''„ Мо) можег образовываться хрупкая Z-фаза состава Fe,CrMo.

6. СТРУКТУРНЫЕ КЛАССЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Легированные стали по

структуре

в условиях равновесия можно разделить

на

следующие классы (рис. 92): доэвтектоидные стали, содержащие

структуре

эвтектонд и избыточный легированный феррит (рис. 93,

а),

эв-

тектондные и заэвтектоидные стали. Последние содержат в

структуре

эв-

тектоид и избыточные (вторичные) карбиды типа М

С (рис. 93,6), выде-

ляющиеся при охлаждении из аустенита. Доэвтектоидные, эвтектоидные

заэвгектопдные легированные стали независимо от

структуры

(дисперс-

ности) эвтектоида пли квазиэвтектопда обычно объединяют в один

класс —

перлитные

стали.

Ледебуритиьш

(карбидные) стали имеют в струк-

туре

в литом соеюяннп ллектпку типа

ледебурита

(рис. 93,.не), в которой на-

ходятся крупные частицы карбида. В

результате

ковки карбиды

прнни-

144

мают форму обособленных глобулей

(рис.

93,

е).

Количество карбидов в

этих сталях достигает 30-35%. Леде-

буритные стали по

структуре

следо-

вало бы рассматривать как белые

чугуны. Но так как они содержат срав-

нительно

небольшое количество

угле-

рода (С <

2,0°

)

могут

подвергаться

пластической деформации (ковке), их

огносят к сталям. Как указывалось

выше,

под влиянием легирующих эле-

ментов точки S и Е диаграммы со-

Сг,%

Рис. 92.

Структурные

классы

сталей

в сис-

теме

Fe — Сг— С

стояния

Fe - С перемещаются влево или вправо (V, Т i, Nb), поэтому гра-

ница

между

доэвтектоидными, заэвтектондными и ледебуритными сталя-

ми

сдвинута в область

других

содержаний

углерода,

чем в системе Fe

—

С.

Так,

при содержании в стали 5,0% Сг (см. рис. 92) концентрация

углерода

в эвтектоиде (точка 5) снижается до 0,5%, а предельная раствори-

мость

углерода

в аустените (точка Е) до 1,3%. При 10% Сг точка S соответ-

ствует

0,25-0,3%

С, точка Е - 1,0% С.

При

низком содержании

углерода

и большом количестве легирующего

элемента, ограничивающего область существования аустенита (Сг, W, Мо,

V, Si, A1 и др.), образуется сталь, относящаяся к

ферршпиому

классу

(рис.

93,

в). Структура такой стали при всех температурах состоит из легирован-

ного феррита, чаще с некоторым количеством карбидов.

При

высоком содержании в стали легирующего элемента, расширяю-

щего область у-фазы (Ni, Mn), при комнатной температуре можно полу-

чить чисто аустенитную

структуру

(рис. 93, г). Этот класс сталей, не испы-

тывающий аг* у-превращения, называют

аустепитпым.

При

повышенном содержании легирующих элементов возникают также

полуферритные и полуаустенитные стали (рнс. 93, д). В этих сталях a«=ty-

превращение протекает только частично, и их структура состоит из аусте-

нита

и феррита.

Таким

образом, основываясь на фазовом равновесии, легированную

сталь подразделяют на классы: перлитный, аустенитный, ферритный,

полуферритный,

полуаустенитный и ледебуритный. Классификация по

структуре

в равновесном состоянии была разработана П. Обергофером.

Французским

ученым Л. Гийе предложено классифицировать стали исходя

из

структуры, получаемой после охлаждения с 90СГС на

воздухе

образ-

цов

небольших размеров. Соишсно этой классификации стали делят

на

четыре класса: перлитный, мартенситный, аусгенитный и кар-

бидный

(рис. 93, е).

Стали перлитного класса содержат сравнительно небольшое количество

легирующих элементов, стали маргенситного класса — большее количе-

ство и стали аустенитного класса — еще большее количество легирующих

элементов.

.,,

.... _ :•

;..•-.

, - •• ;• >У,;

;

Аустенит \ Щ

Рис.

93. Микроструктуры легированной

стали

различных структурных классов

(х500):

а - доэвгектоидная сталь (легирован-

ный

феррит и перлит), содержащая

0,22% С, 1,0 Г;/ Сг, 1% Мп и 1% Si (пер-

литный

класс); б — заэыекюидная сталь

(зернистый

карбид), содержащая

0,95%С

1,3% Сг (перлитный класс); « — сгаль

ферритного класса (0,1%С и 28%Сг); г - сталь аустенитною класса (0,2%С, 8,5%Ni

Сг)- д - полуаустснитная сталь; е - сталь карбидного

(ледебуритHOIO)

класса

3%'С

12,5%Сг)

после ковки и отжига; ж - сталь карбидною (ледсбуритно!о) класса

(13°° С, 12,5% Сг) в литом состоянии

146

Глава

VIII

ЧУГУН

Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие

эвтектики

структуре

чугуна

(см. рис. 82) обусловливает его использование

исключительно в качестве литейного сплава.

Углерод

чугуне

может нахо-

диться в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита

графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск, поэто-

му

чугун,

в котором весь

углерод

находится в виде цементита, называют

белым. Графит придает излому

чугуна

серый цвет. В зависимости от

формы

графита и условий его образования различают следующие группы

чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и

ковкий.

СЕРЫЙ

И БЕЛЫЙ ЧУГУН

Серый

чугун.

Серый

чугун

(технический) представляет собой по существу

сплав Fe — Si — С, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, P и S.

структуре

серых

чугунов

большая часть или весь

углерод

находится

виде графита. Характерная особенность структуры серых чугунов, опре-

деляющая многие его свойства, заключается в том, что графит имеет в по-

ле зрения микрошлифа форму пластинок. Наиболее широкое применение

получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4 — 3,8% С. Чем выше со-

держание в

чугуне

углерода,

тем больше образуется графита и тем ниже

его механические свойства. В связи с этим количество

углерода

чугуне

обыч-

но

не превышает 3,8%. В то же время для обеспечения высоких литейных

свойств (хорошей жидкотекучести)

углерода

должно быть не меньше 2,4%.

Кремний,

содержание которого в серых

чугунах

находится в пределах

1,2 — 3,5%, оказывает большое влияние на строение, а следовательно, и на

свойства чугунов, поэтому при изучении структурообразования в техниче-

ском

чугуне

нужно пользоваться не диаграммой состояния Fe — С, а трой-

ной

диаграммой Fe — Si — С.

Разрез тройной диаграммы состояния Fe — Si — С для постоянного со-

держания кремния (2,0%) дан на рис. 94. В отличие от стабильной диа-

граммы Fe — С (см. рис. 83) в системе Fe - С - Si перитектическое (Ж +

5-феррит->А), эвтектическое (Ж-+А + Г) и эвтектоидное

(А—*Ф

+ Г)

превращения

протекают не при постоянной температуре, а в некотором

интервале температур.

Охлаждение

чугуна

в реальных условиях вносит существенные отклоне-

ния

от условий равновесия, поэтому по равновесной диаграмме состояния

нельзя судить о процессе затвердевания и получающихся при этом фазах

структурах.

Структура

чугуна

в отливках зависит в первую очередь от

химического состава (содержания

углерода

и кремния) и скорости кристал-

лизации.

147

Кремний

способствует процессу

графитизацни,

действуя в том ж*е на-

правлении,

что и замедление скоро-

сти охлаждения. Путем изменения,

одной стороны, содержания в

чугуне

углерода и кремния и, с другой сто-

роны

— скорости охлаждения, можно

получить различную структуру ме-

таллической основы

чугуна.

Струк-

турная диаграмма для чугунов, пока-

зывающая,

какой должна быть струк-

тура

в отливке с толщиной стенки

50 мм в зависимости от содержания

чугуне

кремния и углерода показана

на

рис. 95, а. При данном содержа-

нии

углерода, чем больше в

чугуне

кремния,

тем полнее протекает про-

цесс графитизации. Чем больше в чу-

гуне углерода, тем меньше требуется кремния для получения заданной

структуры.

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, разли-

чают несколько видов

чугуна.

1. Белый чугун; весь углерод находится в виде цементита

Струк-

тура

,чугуна

(рис. 96, а) - перлит и ледебурит (область / на рис. 95).

2. Половинчатый чугун; большая часть углерода (свыше 0,8%) находит-

ся

в виде

Структура

чугуна

— перлит, ледебурит и пластинчатый гра-

фит

(область II на рис. 95).

3. Перлитный серый чугун; структура (рис. 96, б)-перлит и пластин-

чатый графит (область III на рис. 95). В этом

чугуне

0,7-0,8%

С находится

виде

входящего в состав перлита.

Рис.

94. Диаграмма состояния F* —- Si — С

(2,0%

Si):

- жидкий сплав, Ф — феррит, Г — графит

Содержание

Si,

)

8,5

7,5

6,5

5,5

3,5

2,5

1 -

иг-

О 20 50 80 НО

Толщина

отм1ки,нм

Рис.

95. Структурные диаграммы для чум нов:

— влияние С и Si на структуру чугуна; С — влияние скорости охлаждения (толщины

отливки)

н суммы С + Si на структуру чугуна; /—белые чугуны; //— У— серые чутуны

Графит кристаллизуется в виде довольно сложных форм (см. рис. 84,С), но сечение

плоскостью микрош.шфа имеет вид пластинок.

148

Рис.

96.

Микроструктура серого чиуна

(х

500):

—

белый чугун;

0 —

перлшный серый чугун;

в —

ферритно-перлитный серый

—

i]>eppiiiHbiii

серый

чугун

'iviyn;

4. Ферритно-перлитный серый

чугун;

структура

(рис.

96,«)—перлит,

феррит

пластинчатый графит (область

Л на рис. 95). В лом чу

не

в за-

висимое]

и от

степени распада эвтектоидного цементита

связанном

со-

стоянии

находится

от 0,7 до 0,1% С.

5. Ферригный серый

чугун;

структура

(рис. 96,г)

—феррит

пластин-

чатый графит (область К

на рис. 95). В

этом случае весь

углерод

находится

виде графита.

При

данном содержании углерода

кремния процесс графптизации

протекает

тем

полнее,

чем

медленнее охлаждение.

производственных

ус-

ловиях скорость охлаждения удобно характеризовать

по

толщине стенки

отливки.

Чем

тоньше отливка,

тем

быстрее охлаждение

и в

меньшей

сте-

пени

протекает процесс графитизации

(см. рис.

95,6). Следовательно,

со-

держание кремния надо увеличивать

отливке небольшого сечения, охла-

ждающейся ускоренно,

или в

чугуне

меньшим содержанием углерода.

толстых сечениях отливок, охлаждающихся медленно, процесс графити-

зации

протекает полнее

содержание кремния может быть меньше.

Количество марганца

чугуне

не

превышает

1,25—1,4%.

Марганец

пре-

пятствует процессу графитизации,

т. е.

затрудняет выделение графита

и по-

вышае] способность

чугуна

отбеливанию

(к

появлению, особенно

в по-

верхностных слоях, структуры белого

или

половинчатого чугуна).

149

Сера является вредной примесью, ухудшающей механические и ли-

тейные свойства

чугуна,

поэтому ее содержание ограничивают до

0,1-0,12%.

В сером

чугуне

сера образует сульфиды (FeS, MnS) или их

твердые растворы (Fe, Mn) S.

Содержание фосфора в сером

чугуне

приблизительно 0.2%, но иногда

допускается даже до

0.5°

При повышенном содержании фосфора в

структу-

ре

чугуна

образуются твердые включения фосфидной эвтектики: в серых

чугунах,—двойной

— аустенит, а в белых тройной

—

— F'e

P — аустенит. Образование эвтектики

улучшает

литейные свойства

чугуна

(повышает жндкотекучесть), при этом увеличивается хрупкость

отливок.

Механические свойства

чугуна

обусловлены его структурой, главным

образом графитной составляющей. Чугун можно рассматривать как сталь,

пронизанную

графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих ме-

таллическую основу структуры. В этом

случае

механические свойства бу-

дут зависеть от количества, величины и характера распределения включе-

ний

графита.

Чем

меньше графитовых включений, чем они мельче и больше степень

изолированности

их

друг

от

друга,

тем выше прочность

чугуна.

Чугун

большим количеством прямолинейных крупных графитовых выделений,

разделяющих его металлическую основу, имеет грубозернистый излом

низкие механические свойства. Чугун с мелкими и завихренными гра-

фитными

выделениями обладает более высокими свойствами.

Пластинки

графита уменьшают сопротивление отрыву, предел прочно-

сти,

и особенно пластичность

чугуна.

Относительное удлинение при растя-

жении

серого

чугуна

независимо от свойств металлической основы практи-

чески

равно нулю (^0,5%). Графитовые включения мало влияют на сни-

жение предела прочности при сжатии и твердости, величина которых опре-

деляется главным образом структурой металлической основы

чугуна.

При

сжатии

чугун

претерпевает значительные деформации, и разрушение имеет

характер среза под углом 45°. Разрушающая нагрузка при сжатии, в зависи-

мости от качества

чугуна

и его структуры, в 3-5 раз больше, чем при растяже-

нии,

поэтому

чугун

рекомендуется использовать преимущественно для

изделий,

работающих на сжатие.

Пластинки

графита менее значительно, чем при растяжении, снижают

прочность и при изгибе, так как часть изделия испытывает сжимающие на-

пряжения.

Предел прочности при изгибе имеет промежуточное значение

между

пределом прочности на растяжение и пределом прочности на сжатие.

Твердость

чугуна

в зависимости от металлической основы НВ 143 — 255.

Графит, нарушая сплошность металлической основы, делает

чугун

малочувствительным к всевозможным внешним концентраторам напряже-

ний

(дефектам поверхности, надрезам, выточкам и т. д.). Вследствие этого

серый

чугун

имеет примерно одинаковую конструктивную прочность в от-

ливках простой формы или с ровной поверхностью, и сложной формы

надрезом или плохо обработанной поверхностью. Графит повышает из-

носостойкость

и антифрикционные свойства

чугуна

вследствие собственно-

го «смазывающего» действия и повышения прочности пленки смазки.

Очень важно, что графит

улучшает

обрабатываемость резанием, делая

стружку ломкой.

150