Введение.
Железо является самым используемым материалом. Он используется всех отраслях промышленности. Когда человечество научилось получать чистый материал, тот превзошёл известные на то время сплавы и полностью заменил их на производствах. Однако сплавы железа нужны для сохранения характеристик этого металла.
Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:
· Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
· Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
· Удельная масса — 55,8.
· Плотность — 7,409 г/куб см.
· Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
· Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.
Сферы применения.
Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:
1. Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
2. Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
3. Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
4. Приборостроение — изготовление электроники для дома.
5. Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
6. Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
7. Изготовление оружия.
Подавляющее большинство металлических изделий изготовляют из сплавов. В настоящее время промышленностью используются в свыше 10.000 сплавов, но и это далеко не предел. Многообразие областей применения сплавов обусловлено тем, что они обладают самыми разнообразными свойствами, среди которых имеются такие, каких нет ни у одного из составляющих сплав компонентов. По диапазону изменения таких свойств, как прочность, твёрдость, электрическое сопротивление, они значительно превосходят металлы. Так, добавление в сталь вольфрама делает её более твердой, введение хрома повышает коррозионную стойкость, присутствие марганца способствует увеличению износостойкости.
Сплавы могут быть получены:
а) в результате кристаллизации расплавов
б) путем совместного осаждения веществ из растворов или газовой фазы
в) в следствие диффузионного насыщения одного компонента другим.
Как правило, любой сплав состоит из основных компонентов и малых добавок легирующих или модифицирующих компонентов, а также незначительной части неудалённых примесей (технологических, природных, случайно попавших). Основными компонентами металлических сплавов являются черные и цветные металлы.
Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — важнейшие металлические сплавы современной техники. По объему производств чугуна и стали более чем в 10 раз превосходит производство всех других металлов, вместе взятых.
Сплав железа — это соединение, которое состоит из основного металла и дополнительных примесей. Соединения на основе этого материала называются чёрными металлами.
Сталь — соединение углерода с другими элементами. Углерода в составе сплава может содержаться до 2.14%. Выделяют конструкционные углеродистые, строительные, специальные и легированные стали. Углерод – важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.
Классификация сплавов железа.
Феррит — твердый раствор внедрения углерода в "альфа"-железе. Феррит часто называют чистым материалом, из-за низкого содержания углерода и сторонних примесей (около 0.04%). Обладает ОЦК-решеткой, и поэтому растворимость углерода в феррите очень мала. Низкотемпературный "альфа"-феррит содержит до 0,02% С, высокотемпературный феррит (или «бетта»-феррит) — до 0,1% С. Техническое железо имеет структуру феррита, который вытравливается на шлифах в виде однородных зерен. Феррит высоко пластичен (d = 40...50%) и мягок (80...100 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.
Цементит — химическое соединение Fe3C, содержащее 6,67% С. Он — самая твердая (800 НВ) и хрупкая составляющая сплавов железа с углеродом. Решетка сложная ромбическая, плотноупакованная. Температура плавления равна 1250 °С. До температуры 210 °С цементит магнитен; при высоких температурах разлагается на графит и аустенит. Он образует твердые растворы замещения, в которых углерод замешается неметаллами (кислородом и азотом), а железо — металлами (марганцем, хромом, вольфрамом и др.). Сплавы на основе цементита в чистом виде не используют. Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость последнего.
Перлит -механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0.80%С. Он образуется во время перекристаллизации (распада) аустенита про 727 гр.С. Этот распад называется эвтектоидным, а сам перлит – эвтектоидом. Он обладает высокой прочностью (800Мпа) и твердостью (200НВ). Повышает прочностные свойства сплава. Структура перлита – чередующиеся пластинки феррита и цементита. Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита.
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в «гамма»-железе с содержанием углерода до 2,14%. Способность углерода растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре +727 °C «гамма»—железо может растворять не более 0,8 % углерода. Микроструктура — однородные зерна, существует при t > 727 °С. При этой же температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Аустенит – мягкая структурная составляющая. Он отличается большой пластичностью, но более тверд, чем феррит (160...200 НВ), не обладает магнитными свойствами, кроме углерода, растворяет другие элементы.
Графит — аллотропическая модификация углерода со слоистой гексанальной решеткой и слабой связью между слоями. Графит мягок, прочность его очень низкая, Температура плавления -3800 °С, плотность 2500 кг/м3, Он химически стоек и электропроводен.
Ледебурит – эвтектика, механическая смесь аустенита и цементита – образуется во время кристаллизации сплава с 4.3%С при температура 1147 гр.С, обладает твердостью (700 НВ), имеет сотовое или пластинчатое строение и содержится во всех белых чугунах, При температуре 727 гр. С аустентит в ледебурите превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляется собой смесь перлита с цементитом.
Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор.
Классификация чугунов.
Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновременно цементита и графита. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Графит придает излому чугуна серый цвет, поэтому чугун называют серым. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие чугуны: серые (с пластинчатым графитом), высокопрочные (с шаровидным графитом), с вермикулярным графитом и ковкие (с хлопьевидным или компактным графитом). Кроме того особое место занимают чугуны со специальными свойствами: антифрикционные, фрикционные и коррозионно-стойкие и тп.
Белый чугун обладает высокой твердостью, хрупкостью и очень плохо обрабатывается. Поэтому для изготовления изделий он не используется и применяется как передельный чугун, т.е. идет на производство стали. Для деталей с высокой износостойкостью используется чугун с отбеленной поверхностью, в котором основная масса металла имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой — белого чугуна. Машиностроительными чугунами, идущими на изготовление деталей, являются серый, высокопрочный и ковкий чугуны. Детали из них изготовляются литьем, так как чугуны имеют очень хорошие литейные свойства. Благодаря графитным включениям эти чугуны хорошо обрабатываются, имеют высокую износостойкость, гасят колебания и вибрации. Но графитные включения уменьшают прочность.
Серый чугун (чугун с пластинчатым графитом) представляет собой сплав Fe—Si-С, содержащий в качестве постоянных примесей Мn, P и S. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находится в виде графита. Металлическая матрица серого чугуна может быть ферритной, феррито-перлитной или перлитной. Получают серый чугун путем первичной кристаллизации из жидкого сплава.
На графитизацию (процесс выделения графита) влияют скорость охлаждения и химический состав чугуна. При быстром охлаждении графитизации не происходит и получается белый чугун. По мере уменьшения скорости охлаждения получаются, соответственно, перлитный, феррито-перлитный и ферритный серые чугуны. Способствуют графитизации углерод и кремний. Кремния содержится в чугуне от 0,5 до 5%. Иногда его вводят специально. Марганец и сера препятствуют графитизации. Кроме того, сера ухудшает механические и литейные свойства. Фосфор не влияет на графитизацию, но улучшает литейные свойства.
Серый чугун является самым дешевым из литейных сплавов. Его механические свойства зависят от величины зерна металлической основы, размеров и характера распределения включений графита, а также от соотношения между общим, связанным и свободным углеродом (графитом). В обычном сером чугуне графит имеет форму пластинок, которые расчленяют металлическую матрицу и действуют как внутренние трещины. Серый чугун обладает низкой прочностью и малой пластичностью. Наличие включений графита придает ему меньшую чувствительность к внешним надрезам. Серый чугун обладает способностью рассеивать вибрационные колебания при переменных нагрузках – циклической вязкостью. Благодаря высокой деформирующей способности серый чугун является хорошим конструкционным материалом.
Серые чугуны находят широкое применение в автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении, станкостроении, химическом машиностроении и других отраслях.
Маркируется серый чугун буквами СЧ и числом, показывающем предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Имеются следующие марки серых чугунов: СЧ 10, СЧ 15, СЧ 20, СЧ 45.
Высокопрочный чугун имеет шаровидные графитные включения.
Получают высокопрочный чугун добавкой в жидкий чугун небольшого количества щелочных или щелочноземельных металлов, которые округляют графитные включения в чугуне, что объясняется увеличением поверхностного натяжения графита. Чаще всего для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. По содержанию других элементов высокопрочный чугун не отличается от серого.
Шаровидные графитные включения в наименьшей степени ослабляют металлическую основу. Именно поэтому высокопрочный чугун имеет более высокие механические свойства, чем серый. При этом он сохраняет хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации и т.д.
Маркируется высокопрочный чугун буквами. ВЧ и цифрами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля. Например, чугун ВЧ 60 имеет а = 600 МПа. Существуют следующие марки высокопрочных чугунов: ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ-50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ S0, ВЧ 100. Применяются высокопрочные чугуны для изготовления ответственных деталей — зубчатых колес, валов и др.
Ковкий чугун имеет хлопьевидные графитные включения. Его получают из белою чугуна путем графитизирующего отжига, который заключается в длительной (до 2 суток) выдержке при температуре 950-970°С. Если после этого чугун охладить, то получается ковкий перлитный чугун, металлическая основа которого состоит- из перлита и небольшого количества (до 20%) феррита. Такой чугун называют также светлосердечным. Если в области эвтектоидного превращения (72()-760°С) проводить очень медленное охлаждение или даже дать выдержку, то получится ковкий ферритный чугун, металлическая основа которого состоит из феррита и очень небольшого количества перлита (до 10%). Этот чугун называют черносердечным, так как он содержит сравнительно много графита.
Маркируется ковкий чугун буквами КЧ и двумя числами, показывающими предел прочности в десятых долях мегапаскаля и относительное удлинение в %. Так, чугун КЧ 45-7 имеет σв= 450 МПа и δ = 7%. Ферритные ковкие чугуны (КЧ 338, КЧ 37"-12) имеют более высокую пластичность, а перлитные (КЧ 50-4, КЧ 60-3) более высокую прочность. Применяют ковкий чугун для деталей небольшого сечения, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
При изучении структурных составляющих железоуглеродистых сплавов установлено, что они при комнатной температуре всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав.
Из-за большого количество соединений на основе железа была разработана маркировка, по которой можно отделить стали с высоким содержанием углерода от менее углеродистых, определить наличие основных легирующих элементов в составе материала, их количество. Зависимо от количества дополнительных элементов изменяются свойства соединений. К ним относится бор, ванадий, молибден, марганец, титан, углерод, хром, никель, кремний, вольфрам.
Характеристики смесей зависят от их структуры, состава. От этого изменяется прочность, пластичность, температура плавления, плотность, электропроводность и другие параметры. Например, структура чугуна определяет его хрупкость при ударах, больших физических нагрузках.