Конспект лекции
Железоуглеродистым сплавом называется сплав железа, насыщенный углеродом и другими химическими элементами в процессе доменной плавки или иного металлургического процесса. Железоуглеродистые сплавы являются основными конструкционными материалами и представляют большую группу, как по объему производства, так и по многообразию различных марок.
Железоуглеродистые сплавы по физико-химическим и механическим свойствам подразделяются на две большие группы: стали и чугуны.
Сталь — это сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет до 2,14 % (теоретически). На практике обычно массовая доля углерода составляет 1,3 … 1,5 %. Углеродистая сталь — это деформируемый, ковкий и прочный конструкционный материал, предел прочности которого достигает 1 150 МПа, твердость — 285 НВ и относительное удлинение — 32 %. Сталь имеет хорошую обрабатываемость резанием, сваривается и обрабатывается давлением.
Чугун — это сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 … 6,67 % (теоретически). На практике применяются чугуны с массовой долей углерода 2,5 … 5,0 %. Свойства чугуна зависят от его структуры, т. е. от взаимодействия углерода с железом.
Фазы железоуглеродистых сплавов:
Феррит; Аустенит; Цементит; Графит
ФЕРРИТ - твердый раствор углерода в α -Fe переменного состава, максимальное содержание углерода 0,02 %, область существования с 910˚С. Феррит мягкий, пластичный, сильно магнитный, хорошо проводит тепло и электричество, при отсутствии примесей не корродирует. Твердость феррита НВ = 60...80.
ЦЕМЕНТИТ - карбид железа (Fe3C), химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Имеет металлический блеск, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло, очень твердый (НВ = 800) и хрупкий, неустойчив, распадается при термической обработке.
ПЕРЛИТ образуется при очень медленном охлаждении в результате полного распада аустенита. Перлит - это равновесная структура стали, представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10-6м).
При переходе от мартенсита к перлиту происходит уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.
Структуры железоуглеродистых сплавов:
Сталь при разных режимах охлаждения может приобрести структуру мартенсита, троостита, сорбита или перлита.
МАРТЕНСИТ образуется при резком охлаждении стали и представляет собой пересыщенный раствор углерода в α - Fe с искаженной кристаллической решеткой. Это объясняется тем, что при резком охлаждении происходит только частичный распад аустенита, заключающийся в перестройке кристаллической решетки из гране-центрированной в объемно- центрированную, однако углерод выделиться не успевает. Мартенсит наиболее неустойчивая и, в то же время, наиболее твердая и хрупкая структура стали
ТРООСТИТ образуется при менее быстром охлаждении стали, распад аустенита происходит полнее, и структура стали представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита. Углерод, выделяющийся из решетки α -Fe, образует цементит Fe3C с величиной зерна 10-10...10-9 м.
СОРБИТ образуется при средних скоростях охлаждения. Структура стали представляет собой уже грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерен цементита 10-8..10-7 м).
ПЕРЛИТ образуется при очень медленном охлаждении в результате полного распада аустенита. Перлит - это равновесная структура стали, представляющая собой грубодисперсную смесь феррита и цементита (диаметр зерна цементита 10-6м).
При переходе от мартенсита к перлиту происходит уменьшение твердости и хрупкости, повышение прочности и пластичности.
2) Виды термической обработки стали.
Упрочение стали достигается термической обработкой, которая заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении по определенному режиму.
ЗАКАЛКА - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и быстрое охлаждение. При охлаждении в холодной воде получается мартенсит, в горячей воде - троостит, в расплавленном свинце - сорбит. Цель - понижение хрупкости и повышение прочности стали.
ОТПУСК - нагрев стали до 600˚С, выдержка и охлаждение. Цель - понижение внутренних напряжений закаленной на мартенсит стали, снижение ее твердости и хрупкости.
ОТЖИГ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение вместе с печью. Структура металла становится мелкокристаллическая, возрастает пластичность. Цель - понижение твердости стали для повышения обрабатываемости режущим инструментом.
НОРМАЛИЗАЦИЯ - нагрев стали до состояния аустенита, выдержка и охлаждение на воздухе. Цель - получение стали с высокой пластичностью и ударной вязкостью при повышенной прочности.
ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА - горячая или теплая деформация изделия нагретого до состояния аустенита с последующим регламентированным охлаждением. Цель - получение закаленной на мартенсит стали с мелкодисперсной структурой повышенной плотности, которая обуславливает высокие механические свойства металла.
Степень достижения цели термической обработки определяется температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и режимом охлаждения.
3) Химико-термическая обработка стали.
Химико-термическая обработка стали проводится с целью упрочения ее поверхностных слоев (повышения твердости, износостойкости и т.п.). Она заключается в изменении химического состава стали на поверхности изделия и последующей термообработке.
ЦЕМЕНТАЦИЯ - поверхностное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью получения твердой поверхности и вязкой сердцевины.
АЗОТИРОВАНИЕ - поверхностное насыщение стали азотом с целью получения очень высокой твердости, повышенной коррозионной стойкости.
ЦИАНИРОВАНИЕ - одновременное насыщение поверхности металла азотом и углеродом для повышения износоустойчивости и усталостной прочности.
ДИФФУЗИОННАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ - процесс поверхностного насыщения стали алюминием (алитирование), хромом (хромирование), кремнием (силицирование), бором (борирование) и другими элементами. Цель - резкое повышение жаростойкости, износоустойчивости, коррозионной стойкости стали.
ЦЕМЕНТИТ - карбид железа (Fe3C), химическое соединение, содержащее 6,67 % углерода. Имеет металлический блеск, слабо магнитен, плохо проводит электрический ток и тепло, очень твердый (НВ = 800) и хрупкий, неустойчив, распадается при термической обработке.
ПЕРЛИТ - механическая смесь феррита и цементита, эвтектоид, образующаяся при 723˚С и содержании углерода 0,83 % в результате распада аустенита. Твердость перлита НВ = 160...260.
Домашнее задание:
-изучить тему.
- обратить внимание на влияние режима охлаждения на структуру железоуглеродистых сплавов, свойства сплавов при различных структурах.
-