Технически чистое железо

Сплавы, содержащие углерода не более предела растворимости при комнатной температуре 0,006 %, являются однофазными и имеют структуру феррита. К ним относится электролитическое железо. При большем содержании углерода до максимального предела растворимости 0,025 % сплавы относятся к технически чистому железу. Его равновесная структура состоит из феррита, иногда с тонкими прослойками цементита третичного по границам зерен. Прочность технически чистого железа мала и в качестве конструкционного материала его практически не применяют. Его используюткак магнитомягкий материал с высокой индукцией насыщения для изготовления сердечников катушек, электромагнитов, трансформаторов, динамомашин и др.

Дефекты сталей

Свойства сталей в значительной мере зависят отее структуры, в том числе свойства доэвтектоидных (конструкционных) сталей со структурой феррит и перлит зависят от действительного размера исходного зерна аустенита, а также от взаимного распределения феррита и перлита, что определяется различными факторами. Равновесные структуры в реальных условиях получают при малых скоростях охлаждения, например при охлаждении вместе с печью (при отжиге) от температур, соответствующих аустенитной области диаграммы железо – цементит. Зерна при этом имеют компактную равноосную (полиэдрическую или округлую) форму, распределение феррита и перлита равномерное по сечению зерна.

В ряде случаев наблюдаютсяпороки строения. Для литой и перегретой стали характернокрупное зерно. В стальных отливках (особенно средних и крупных) формируется крупнозернистая и неравномерная по размеру зерна структура. Зерно исходного аустенита укрупняется и при перегреве, то есть при нагревании, значительно превышающем температуры полного превращения в сталях на 200 – 300 °С. Это имеет место при цементации, диффузионном отжиге, горячем пластическом деформировании, при превышении оптимальных температур термообработки. Чем выше температура процесса, продолжительней выдержка и сталь более склонна к росту зерна (является наследственно-крупнозернистой), тем крупнее получается зерно. Рост зерна незначительно снижает механические свойства сталей, определяемые при статическом растяжении (s_в, s_т, d, y), твердость, но резко уменьшает ударную вязкость (КСU), повышает порог хладноломкости, увеличивает склонность к хрупкому разрушению.

При ускоренном охлаждении перегретой стали происходит аномальный рост в аустените кристаллов феррита (в доэвтектоидной стали) или вторичного цементита (в заэвтектоидной стали). Формируется так называемаявидманштеттова структура. При ее образовании выполняется принцип размерного и структурного соответствия, когда кристаллы феррита (цементита) прорастают ориентированно относительно кристаллической решетки исходного аустенита и имеют форму пластин. Стали с видманштеттовой структурой так же, как и крупнозернистой, присущи низкая ударная вязкость и повышенная хрупкость.

При обработке давлением возникает другой структурный дефект (порок строения) – строчечность в расположении структурных составляющих – феррита и перлита, что приводит к анизотропии свойств. Если деформирование ведется при температурах выше температур полного фазового превращения (в области аустенита), а завершается в межкритическом интервале температур (между а₁ и А₃), то феррит, выделяющийся из аустенита в первую очередь, формируется в виде строчек в направлении деформирования. Другая причина возникновения строчечной структуры – загрязнение стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами. При обработке давлением они вытягиваются, и феррит, зарождающийся на этих включениях, образует вытянутые скопления (строчки). Сталь со строчечной структурой имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и особенно вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформирования.

Перечисленные пороки строения доэвтектоидных сталей исправляются проведением отжига с полной фазовой перекристаллизацией (полным отжигом с нагревом выше температуры Ас₃), либо нормализацией (нагрев выше Ас₃, охлаждение на спокойном воздухе). Однако строчечность, вызванную неметаллическими включениями, нельзя устранить полностью, она становится менее выраженной при проведении нормализации.

Полученная после термообработки мелкозернистая феррито-перлитная структура обеспечивает повышение пластичности и вязкости.

Чугуны

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14 % углерода, назы­ваютсячугунами. В зависимости от скорости охлаждения, содержания постоянно присутствующих примесей (Мn, Si, S, Р) и последующей термической обработки углерод в чугунах может находиться в виде графита различной формы (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной и так называемый вермикулярный графит), либо в виде цементита. В зависимости от формы выделения графита различают ковкие, высокопрочные, серые (обычные, модифицированные) чугуны.

Марганец затрудняет графитизацию и повышает способность чугуна к отбеливанию – появлению в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Поэтому марганца не должно быть более 1,25 %.

Кремний способствует процессу графитизации. Изменяя в чугуне содержание углерода и кремния, скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы. В серых чугунах кремния содержится в пределах 1,5 – 3,5 %.

Сера тормозит процесс графитизации, способствует выделению углерода в виде цементита и тем самым ухудшает литейные и механические свойства. Поэтому содержание серы в чугуне ограничивается 0,08 –0,12 %.

Фосфор улучшает жидкотекучесть, но при его содержании более 0,3 % образуется тройная фосфидная эвтектика, в состав которой входит цементит. Наличие твердых участков фосфидной эвтектики повышает общую твердость, износоустойчивость чугуна и снижает пластичность. В серых чугунах фосфора содержится 0,3 – 0,4 %.

Белые чугуны. В белом чугуне весь углерод находится в связанном со­стоянии, то есть в виде цементита. В соответствии с диаграммой состояния «Fе-Fе_зС» белые чугуны классифицируютпо структуре на:

• дозвтектические(менее 4,3 % С),

• эвтектические (4,3 % С),

• зазвтектические (более 4,3 % С).

Основные структурные составляющие белых чугунов – перлит, ледебурит и цементит. Доэвтектический белый чугун состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Такой чугун очень твердый и хрупкий: НВ > 4500 Мпа, d = 0 %. Его отжигают для получения ковкого чугуна. Эвтектический белый чугун состоит из ледебурита. Заэвтектический – из первичного цементита и ледебурита. Ледебурит очень твёрд и хрупок. Твердость ледебурита НВ = 7000 МПа. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов.

Белые чугуны из-за высокой хрупкости и твердости не используются как конструкционные материалы. Ограниченное применение находят отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие на износ.

Серые чугуны. Чугун, в структуре которого отсутствует ледебурит и свободный цементит, а часть углерода выделяется в виде графита различной формы, называется серым. Как и белый, серый чугун получается непосредственно при отливке в случае медленного охлаждения. При этом цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, распадается с образованием пластинок графита.

Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостьюрезанием,высокой износостойкостью и дешевизной.

В марке серого чугуна(СЧ15, СЧ21, СЧ35 и др.) буквы «СЧ» означают–серый чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм² (килограмм силы на миллиметр в квадрате).

Структура металлической основы серого чугуна может состоять из феррита, перлита, смеси феррита и перлита. Структура металлической основы определяет механические свойства чугуна, такие, как предел прочности при сжатии, твердость, сопротивление износу. Они наиболее высоки у перлитного чугуна.

Графит– важнейшая фазовая и структурная составляющая серых чугунов. Он обуславливает малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутреннее трение, обеспечивающее уменьшение вибраций и ряд других полезных свойств.Графит выделяется в виде пластин, располагающихся в форме разветвленных крабовидных включений. Пластичность, сопротивление растяжению, изгибу зависят, главным образом, от количества, формы и характера расположения графитовых включений. Чем они мельче, компактно и равномернее расположены, а их форма ближе к округлой, тем указанные свойства будут выше. Повысить прочность серых чугунов можно модифицированием– введением в расплав порошка ферросилиция или силикокальция (0,3 – 0,6 % от массы шихты), частицы которого являются центрами кристаллизации графитовых включений. Марки серых мо­дифицированных чугунов – СЧ30, СЧ35.

Ковкий чугун – это чугун с хлопьевидной формой графита. По сравнению с пластинчатым графитом хлопьевидный графит располагается в металлической основе чугуна более компактно, включения графита не действуют как острые надрезы, поэтому такие включения в меньшей степени ослабляют металлическую основу. Получают ковкий чугун путем графитизирующего отжига белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается, углерод выделяется в виде графита в форме хлопьевидных гнездообразных включений. Такой чугун хорошо сопротивляется изгибу и удару. Получение определенной металлической основы ковкого чугуна (ферритная, феррито-перлитная) обеспечивается специальным режимом отжига. Наиболее пластичны ферритные ковкие чугуны (КЧ30-6, КЧ35-10 и др.). Лучшая износостойкость – у перлитных чугунов (КЧ60-3, КЧ70-2 и др.), благодаря высокой твердости и прочности. Ковкий чугун находит широкое применение в машиностроении как хороший конструкционный материал для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Недостаток ковких чугунов по сравнению с другими – повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

В марке ковкого чугуна(КЧ30-6, КЧ35-10 и др.) буквы «КЧ» означают -ковкий чугун, первые цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм², вторые – относительное удлинение, %.

Высокопрочный чугун получается путем добавки в жидкий расплав перед разливкой небольших количеств магния (модификатора II рода). Модификатор изменяет условия кристаллизации, приводит к образованиюграфита шаровидной формы. Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Металлическая основа может состоять из феррита (ВЧ35, ВЧ40), перлита и феррита (ВЧ45. ВЧ50, ВЧ60), перлита (ВЧ80, ВЧ100). Высокопрочный чугун отличается высокой износостойкостью, антифрикционными и литейными свойствами, способностью гасить вибрации (демпфирую­щая способность), легко обрабатывается резанием.

В марке высокопрочного чугуна(ВЧ40, ВЧ45, ВЧ60 и др.) буквы«ВЧ»означают - высокопрочный чугун, цифры - предел прочности на растяжение в кГс/мм².