РЕФЕРАТНА ТЕМУ
Особливостізалізовуглецевих сплавів
Зміст
1. Діаграма стану залізо-вуглець
2. Сталі
3. Чавуни
4. Використана література
1. Діаграма стану залізо-вуглець
Найбільшепоширення одержала діаграма залізо-вуглець, оскільки залізовуглецеві сплавискладають основу металевих матеріалів, які використовує людина. Діаграма станузалізо-вуглець у графічній формі зображує фазовий склад сплаву в залежності відтемператури і концентрації вуглецю (рис. 1) і складається з трьох простихподвійних діаграм: подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів іперитектичним перетворенням при 1499оС, подвійної діаграми зобмеженою розчинністю компонентів і евтектичним перетворенням при 1147оСта подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і евтектоїднимперетворенням при 727оС. Діаграма являє собою тільки частину повноїдіаграми залізо-вуглець і обмежується 7% вуглецю, власне це діаграмазалізо-хімічна сполука заліза з вуглецем, що називається цементитом (Fe3C)і містить 6,67% вуглецю. Цементит при низьких температурах слабо феромагнітнийі губить магнітні властивості при 217оС. Цементит досить твердий (>800НВ)і має практично нульову пластичність. Крім хімічної сполуки вуглець утворює ззалізом обмежені тверді розчини: обмежений твердий розчин вуглецю в ?-залізі(ОЦК) називається феритом. Максимальний вміст вуглецю в фериті: длявисокотемпературної кристалічної гратки — 0,1% при 1499оС (т.H), а длянизькотемпературної — 0,02% при 727оС (т.Р). Обмежений твердийрозчин вуглецю в? -залізі (ГЦК) називається аустенітом. Максимальний вміствуглецю в аустеніті-2,14% при температурі 1147оС (т.Е).
На діаграмі вищелінії ліквідус (ABCD) знаходиться рідина (L), нижче лінії солідус (AHJECFD)тверда речовина, між солідусом і ліквідусом двохфазна твердо-рідка область. Тригоризонтальні лінії на діаграмі відповідають температурам основних перетворень,що відбуваються з залізовуглецевими сплавами при охолодженні: перитектичномупри 1499оС (лінія HJB), евтектичному при 1147оС (лінія ECF) іевтектоїдному при 727оС (лінія PSK). Розглянемо більше детально основніперетворення і структури, що утворюються при охолодженні залізовуглецевихсплавів.
При охолодженнірідкого сплаву нижче температури, що характеризується кривою АВ утворюютьсяперші кристали твердої речовини — твердого розчину вуглецю в ?-залізі, тобто феритуі область ABJH буде мати двохфазну структуру: рідини та фериту. Нижче лінії AHкристалізація закінчилась і структура сплаву буде складатись тільки з зеренфериту (область AHN). Якщо вміст вуглецю в сплаві від 0,1 до 0,5%, то в процесіохолодження при температурі 1499оС протікає перитектична реакція: рідина складут.В взаємодіє з кристалами фериту, склад яких визначається т.H і утворюютьсякристали аустеніту складу т.J.
LB+ФH/>AJТаким чином після проходження перитектичного перетворення на діаграмі маютьмісце три області: двохфазна ферито-аустенітна (HJN), однофазна (JESGN) тадвохфазна, що складається з рідини та зерен аустеніту (JBCE).
/>
При охолодженніаустеніту (область NGSEJ) в результаті зниження температури стійкістьгранецентрованої гратки зменшується та зростає ймовірність утворенняоб’ємноцентрованої гратки. Нижче температури, що характеризується лінією GSпоявляються перші кристали твердого розчину на основі об’ємноцентрованоїкристалічної гратки, тобто ферит, утворюється двохфазна ферито-аустенітнаобласть (GSP). Для сплавів з вмістом вуглецю більше 0,8% при проходженні впроцесі охолодження лінії SE, в результаті зменшення розчинності надлишоквуглецю виділиться в вигляді хімічної сполуки – цементиту, який називаютьвторинним (Ц11), і утвориться зона двохфазної аустенітно-цементитної структури.При подальшому охолодженні для сплавів з вмістом вуглецю менше 0,02% припереході через температуру, що визначається лінією GP закінчується перебудовакристалічної гратки і отримуємо однофазну феритну структуру (область GSP).Сплави, що мають вміст вуглецю більше ніж 0,02% і менше ніж 0,8% зазнаютьевтектоїдного перетворення при температурі 727оС. Аустеніт складу т.Sрозпадається з утворенням суміші зерен фериту складу т.P та цементиту складут.К.
Ферито-цементитнаевтектоїдна суміш називається перлітом (П). Таким чином, нижче температуриевтектоїдного перетворення будуть присутні зерна фериту, який виділився ранішев області GSP, та зерна перліту. Для сплавів з вмістом вуглецю менше 0,02%через зменшення розчинності вуглецю надлишок його буде виділятися в виглядіцементиту, який називають третинним (Ц111) і створиться двохфазнаферито-цементитна структура. В сплавах з вмістом вуглецю більше 0,8% такожпроходить аналогічна евтектоїдна реакція і отримуємо двохфазнуперліто-цементитну структуру.
Для сплавів звмістом вуглецю більше 2,14% при зниженні температури з рідини утворюютьсякристали аустеніту (область BCEJ), а для сплавів з вмістом – більше ніж 4,3% зрідини утворюються кристали цементиту, який називають первинним (Ц1) (областьDCF). При температурі 1147оС проходить евтектичне перетворення. З рідини складут.С одночасно виділяється суміш зерен аустеніту складу т.Е та цементиту складут.F.
Евтектичнамеханічна суміш аустеніту та цементиту називається ледебуритом. Таким чином,для доевтектичних сплавів (вміст вуглецю менше 4,3%) утворюєтьсяаустеніто-ледебуритна структура, а для заевтектоїдних (вміст вуглецю більше4,3%) – цементито-ледебуритна. При температурі 727оС проходить евтектоїднеперетворення, про яке було сказано раніше: аустеніт розпадається наферито-цементитну суміш – перліт. Утворюється зона кристалів перліту таледебуриту для доевтектичних сплавів і цементиту та ледебуриту длязаевтектичних Таким чином, для доевтектичних сплавів (вміст вуглецю менше 4,3%)утворюється аустеніто-ледебуритна структура, а для заевтектоїдних (вміствуглецю більше 4,3%) – цементито-ледебуритна. При температурі 727оС проходитьевтектоїдне перетворення, про яке було сказано раніше: аустеніт розпадається наферито-цементитну суміш – перліт. Утворюється зона кристалів перліту таледебуриту для доевтектичних сплавів і цементиту та ледебуриту длязаевтектичних.
2. Сталь
Сталь— сплав заліза з вуглецем,який містить до 2,14 % вуглецю. За вмістом вуглецю сталі поділяють на двігрупи: м'яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю) тверда сталь(містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю).
Сталь отримано зчавуну у II ст. до Р.Х. китайськими металургами. Спосіб отримав назву „стоочищувань” і полягав у багаторазовому інтенсивному обдуванні повітрямрозплавленого чавуну при його перемішуванні. Це приводило до зменшення часткивуглецю в металі й наближенні його до властивостей сталі. Винахід сталі згадуєтьсяу трактаті „Хайнаньцзи” (122 р. до Р.Х.).
У Європі подібнийспосіб пудлінгування був освоєний лише у другій половині ХVIII ст. (патентибратів Томаса і Джорджа Кранеджі та Г. Корта).
Найвідоміші сталіце Булатна і Дамаська.З найдавніших часів булат був предметом вищої гордості іпоклоніння народів Сходу і Заходу. Булатні клинки НЕ тупилися і НЕзазубрівалісь навіть при розрубаніі залізних прутів і цвяхів, пороли на льотушовкову газову тканину. Ознакою булату була наявність візерунків на його поверхні:чим більша візерунок і темніше грунт, тим якісніше сталь. Поверхня булатногозброї блищала червонуватим або золотистим кольором, воно добре гнулося івидавало характерний і дуже чистий дзвін.
Батьківщиноюбулату була Індія. Його проводили також на Середньому та Близькому Сході,Кавказі та прилеглих до нього землях. Рецепти виготовлення булату, оповитітаємничими ритуалами, передавалися по спадщину і становили родову таємницю,проникнути в яку не могли ні на Заході, ні на Русі. Як писав Аносов: «… булатв Росії давно були відомі, хоча мистецтво приготування їх ніколи не існувало ».
Зараз стальотримують такими способами:
— Киснево-конверторний спосіб
— Бесемерівськийпроцес
— Томасівськийспосіб
— Мартенівськийспосіб одержання сталі
— Електротермічний спосіб одержання сталі
Всі сталі класифікують за такими основними ознаками. Захімічним складом — на вуглецеві та леговані. За концентрацією вуглецю ті і іншіподіляють на низьковуглецеві (), середньову-глецеві (0,3 — 0,7% С) і високовуглецеві ( >0,7% С). За кількістю введенихелементів леговані сталі розділяють на низьколеговані з сумарним вмістомлегуючих елементів до 5%, середньолеговані — 5 — 10% і високолеговані — більше10%.
За якістю сталі поділяють на сталі звичайної якості — вміст S до 0,055% і Рдо 0,045%,якісні — не більше 0,04% S і 0,035% Р,високоякісні — не більше 0,025% S і 0,025% Р, особливо високоякісні — не більше 0,015% S та 0,025% Р.
За ступенем розкислення сталі поділяють на спокійні (сп), розкисленіповністю марганцем, кремнієм і алюмінієм; киплячі (кп) , розкислені неповністю і лише марганцем; напівспокійні (пс), що займають проміжнезначення поміж спокійними та киплячими, розкислені марганцем та кремнієм.
За призначенням сталі діляться на конструкційні,інструментальні та сталі зі спеціальними фізико-хімічними властивостями.
Вуглецеві конструкційні сталі звичайної якості найбільшдешеві. їх випускають у вигляді різного прокату. В залежності від гарантованихпоказників вони діляться на три групи: А, Б, В. Сталі групи А поставляютьз гарантованими механічними властивостями. Маркують їх сполученням букв Ст іцифрою (від 0 до 6), що показує номер марки.
Сталі групи Б поставляють з гарантованим хімічнимскладом. В марці цих сталей перед сполученням букв Ст ставиться буква,що вказує на спосіб виплавлення сталей: Б -бесемерівська, М- мартенівська,К — киснево-конверторна.
Сталі групи В поставляють з гарантованими механічнимивластивостями та хімічним складом. Марка цих сталей перед сполученням Ст маєбукву В. Ступінь розкислення конструкційних сталей позначаєтьсядодаванням в кінці марки відповідного індексу: сп, кп або пс. Вмарці спокійної сталі такий індекс може бути відсутнім. Чим більша цифра вмарці сталей, тим вище вміст в сталі вуглецю, вище її міцність і твердість, аленижче пластичність та в'язкість. Наприклад, декілька марок конструкційнихсталей звичайної якості: МСт4пс, ВСтЗсп.
Вуглецеві конструкційні якісні сталі маркіруютьсядвохзначними числами 05, 08, 10, 15, 20...85, що означають середній вміствуглецю в сотих долях відсотків. Наприклад, сталь 10 містить в середньому 0,10%С, сталь 45 — 0,45% С і т.д.
Вуглецеві інструментальні сталі виробляють якісними У7,У8, У9… У13 і високоякісними У7А, У8А… У13А. Буква У в марціпоказує, що сталь вуглецева, а число — середній вміст вуглецю в десятих доляхвідсотків.
Маркуваннялегованих сталей складається з сполучення букв та цифр, що означають їх хімічнийсклад. Прийнято позначати хром — X, нікель — Н, марганець — Г, кремній — С,молібден — М, вольфрам — В, Титан — Т, ванадій — Ф, алюміній- Ю, мідь — Д ніобій — Б, бор — Р, кобальт — К, цирконій- Ц, фосфор — П, рідко земельні метали — Ч, азот — А. Цифра,що стоїть після букви, вказує на приблизний вміст легуючого елементу увідсотках. Якщо цифра відсутня, то легуючого елементу біля 1,0%. Число напочатку марки легованої сталі показує вміст вуглецю в сотих долях відсотків.При відсутності числа на початку марки вуглецю у сталі біля 1,0%. Наприклад,сталь 20ХНЗ в середньому містить 0,20% С, 1% Сr, 3,9% Ni, а сталь ХВГ- 1% С, 1% Сr, 1% W, 1% Мп.
За якістю леговані сталі бувають якісні, високоякісні таособливовисокоякісні. Якщо сталь високоякісна означає буква А в кінцімарки, особливовисокоякісна — буква Ш в кінці марки: наприклад, 20ХНЗ-А- сталь високоякісна, 30ХГС-Ш- особливовисокоякісна.
Призначення легованих сталей визначається їх хімічнимскладом. Конструкційні леговані сталі містять вуглецю приблизно до 0,45-0,50%(наприклад, сталі 40Х, 45Х2Н2МА, 50ХН). Інструментальні леговані сталіхарактеризуються більшим вмістом вуглецю (наприклад, сталі 60ХВ2С, 90ХС,ХВГ). В той же час інструментальні сталі, леговані такими елементами яквольфрам, ванадій, молібден можуть мати і меншу кількість вуглецю (наприклад,сталі 30Х2В8Ф, 40ХВ2С, 40Х2В5ФМ, 50ХНМ, 50ХГМ).
Леговані сталі зі спеціальними фізико-хімічними властивостямискладають особливу групу сталей. Це, в більшості, сталі середньо- тависоколеговані. До них відносять, наприклад, ресорно-пружинні сталі, що маютьвисокий модуль пружності (50С2, 60С2, 65Г, 70СЗА, 50ХФА, 60С2Н2А); жаростійкіта жароміцні сталі, які володіють підвищеними механічними властивостями привисоких температурах (12ХМ, 12ХМФ, 15Х5ВФ, 10Х12В2МФ, 10Х18Н10Т, 08Х14Н16Б);корозійностійкі або нержавіючі сталі стійкі проти дії зовнішньогосередовища (08X13, 40X13, 12X17, 15X28, 12Х18Н8); зносостійкі сталі (ШХ15,30Х10Г10, 110Г13Л).
Більш докладніші відомості про спеціальні сталі, їхпризначення та властивості у відповідних стандартах.
Марки деяких груп вуглецевих та легованих сталей мають своїособливості, що вказують на належність до цієї групи.
Так, швидкорізальні інструментальні сталі позначаютьсялітерою Р (рапід — швидкість) на початку марки. Цифри після літери Р вказуютьна вміст основного легуючого елементу — вольфраму у цілих відсотках. Крім тогодо складу швидкоріжучих сталей входить до 4,5% хрома та до 2,5% ванадія, які вмарці не позначаються. При більш високому вмісту ванадію його середня кількістьпозначається у марці. Наприклад, сталь Р6М5 містить 0,85-0,95% С,5,5-6,5% W, 3,0-3,6% Мо, 3,0-3,6% Сr, 2,0-2,5% V, а сталь Р9Ф5 — 1,4- 1,5% С,9,0-10,5% W, 4,3-5,1% V, 3,8-4,4% Сr.
Марка підшипникових сталей починається з літери Ш, далі іде літера X(хром), цифри, що вказують на вмістхрому в десятих долях відсотків. Наприклад, сталі марок ШХ6, ШХ9, ШХ15 містятьбіля 1% С і відповідно 0,6; 0,9; 1,5% Сr. Ці сталі додатково можуть бутилеговані кремнієм до 0,85%) і марганцем до 1,7% (наприклад, сталі ШХ15ГС,ШХ20ГС).
Ливарні вуглецеві сталі для одержання фасонних виливківмаркуються двозначним числом, яке показує середній вміст вуглецю у сотих доляхвідсотків, після числа ставиться літера Л. Леговані ливарні сталімаркуються відповідно з загальноприйнятою системою, а в кінці марки ставитьсялітера Л. Для визначення ступеню відповідальності виливків у маркиливарних сталей, як правило, після літери Л через дефіс записуєтьсяримська цифра /, // або III: І — виливки загального призначення; II— відповідального призначення; III— особливо відповідального призначення.Наприклад, 30Л-І, 35ХМЛ-І1, 110Г13Л-Ш.
Автоматні сталі із збільшеним вмістом сірки і додатковолеговані свинцем (0,15- 0,35%) — С. селеном (0,08-0,30%)) — Е, кальцієм(0,002-0,008%))- Ц. Вони мають особливо гарну обробляємість різанням,тому застосовуються для обробки на верстатах-автоматах. На початку марки цихсталей ставиться літера А, після якої записується двозначне число, щопоказує середній вміст вуглецю у сотих долях відсотків. Наприклад, А12,АС14, АЦЗОХН, А35Е.
3 Чавуни
залізовуглецева сталь чавун сплав
Чавунами називають залізновуглецеві сплави, що містять більше2,14% С. Постійних домішок в них також більше, чим в сталях.
Перша згадка прочавун зустрічається у китайському літописі „Цзочжуань” у записі, що стосується513 р. до Р.Х.
Першийєвропейський чавун виплавляли на теренах Священної Римської імперії наприкінціХIV ст., майже одночасно в австрійській Штирії та Північній Італії
З 1500 р. до 1700 р. світова виплавка чавуну зросла приблизноз 60 тис. т. до 104 тис. т. (в 1,7 разів), а за все XVII ст. з 104 тис. т. до278 тис. т. (1790), тобто в 2,67 разів. А за наступні 80 років з 1790 по 1870виплавка чавуну склала 12 млн. т., що в 43 рази більше ніж у 1790
В залежності відтого, в якій формі присутній вуглець в сплавах, розрізняють білі, сірі,звичайні високоміцні та ковкі чавуни. Назва білих і сірих чавунів визначаєтьсякольором злому, назва ковкого — умовна.
Сірі, звичайні міцні і ковкі чавуни розрізняються умовамиутворення графітних включень та їх формою, що відображується на механічнихвластивостях виливків.
Сірими звичайними називають чавуни з пластинчатою формоюграфіту. При маркуванні позначається буквами СЧ та двозначним числом, щопоказує найменше допустиме значення межі міцності при розтягуванні (в МПа), зменшенев 10 разів. Наприклад, СЧ15, СЧ25 (σв >150 МПа).
Високоміцними називають чавуни, в яких графіт має кулястуформу. Маркірують високоміцні чавуни двома буквами ВЧ і двома числами,розділеними рискою: перше число показує найменше допустиме значення межіміцності на розтягування ( в МПа), зменшене в 10 разів, а друге — відноснеподовження (у відсотках). Наприклад, ВЧ38-17 (σв >380МПа, δ > 17%).
Ковкими називаютьчавуни, в яких графіт має пластівчасту форму. Принцип маркування той же, що івисокоміцних чавунів. Наприклад, КЧЗО-6 (σв > 300 МПа, δ> 6%).
Використаналітература
1. Материаловедение: Учебник длявысших технических учебных заведений / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапови др. / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.—2-е изд., испр. и доп.— М.:Машиностроение, 1986.—384 с.
2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение:Учебник для машиностроительных вузов — 2-е изд., перераб. и доп. – М.:Машиностроение, 1980. – 493 с
3. Технология конструкционныхматериалов. /А.М.Дальский й др. Учебник для ВУЗов. — М.: Машиностроение, 1987 — 664 с.
4. Маталин А.А. Технологиямашиностроения. Учебник для ВУЗов. Машиностроение, 1985 — 496с.
5. Хубка В. Теория техническихсистем.: Пер.с нем. — М.: Мир, 1987 — 208 с.
6. Мосталыгин Г.П., Толмачевский Н.Н.Технология машиностроения.