Особенности сплава железа с углеродом
Особенности сплава железа с углеродом
Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Основные из них -- сталь и чугун -- представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Ниже будет рассмотрено строение и фазовые превращения в сплавах железо--углерод, а также фазы в сплавах железо с легирующими элементами.
Обычно сталью, а тем более чугуном, называют, сплавы железа с углеродом (более 2% С --чугун,, менее 2% С --сталь).
Однако в свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа (с ними мы познакомимся ниже), в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом тем не менее такие сплавы также называются сталями.
Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50 /о, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически четко.
Чугун
Одним из наиболее распространенных материалов в машиностроении является чугун. Так же как и сталь, он представляет собой сплав железа с углеродом, но углерода в нем больше -- от 2,5 до 4 /о.
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и некоторыми другими присадками. Чугун -- сплав железа с углеродом (более 2%) разделяют на нелегированный и легированный, содержащий хром, никель.
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,11% (2,14%). В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы н фосфора, а иногда и другие элементы, вводили как легирующие добавки и для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.
Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие 2-4% С. Чугун является наиболее распространенным материалом для изготовления фасонных отливок, так как он обладает хорошими литейными свойствами, лучшими по сравнению со сталью. Область применения чугуна как конструкционного материала расширяется вследствие повышенных прочностных эксплуатационных свойств, а также в результате разработки чугунов новых марок со специальными физическими (износостойкости) и химическими свойствами (жаропрочности и жаростойкости) при повышенных температурах (600 - 1000°С).
Машиностроительные чугуны обладают хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью, прочностью, малой чувствительностью к концентраторам напряжения.
Из чугуна, представляющего собой сплав железа с углеродом (2,14--6,67 %), в который входят также постоянные примеси -- марганец, кремний, сера п фосфор, получают литые детали, подвергающиеся затем необходимой механической обработке.
В зависимости от содержания углерода и состояния, в котором углерод находится в чугуне (в свободном или химически связанном), различают чугуны серые и белые. сталь чугун железоуглеродистый сплав
Серый чугуне обладает пластичностью, но легко плавится и хорошо заполняет литейные формы. Он хорошо обрабатывается резанием и поэтому служит одним из основных материалов для изготовления деталей машин.
Чугун, как известно, -- это сплав железа с углеродом при содержании углерода 2,14 % и более. В белом чугуне углерод входит в состав цементита химического соединения железа с углеродом. Такой чугун обладает высокой твердостью и хрупкостью, и его применяют сравнительно редко. В чугуне других видов путем графитизации углерод частично или полностью переводят в свободное состояние -- графит. Применяют также отбеленный чугун белый снаружи и графитизированный во внутренней части изделия.
Чугунами называются нековкие литейные сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Наибольшее распространение получили чугуны с содержанием углерода от 2,8 до 3,5%. В чугуне, так же как и в стали, содержатся кремний, марганец, сера и фосфор.
Чугун -- это исходный продукт, получаемый выплавкой из руды, он является сплавом железа с углеродом, причем от содержания последнего зависят свойства чугуна. Кроме углерода в чугуне содержатся некоторые примеси сера, фосфор, кремний и др., попадающие в него из руд или занесенные при плавке.
Чугун делится на литейный, ковкий и передельный. Литейный чугун идет на получение отливок, ковкий чугунполучается, если отливки подвергнуть особой обработке, при которой часть углерода с поверхности выгорает.
Из ковкого чугуна вырабатывают арматуру и многие детали для разных отраслей промышленности. Передельный чугун идет на переработку в сталь.
Чугуном называются сплавы железа с углеродом, кремнием и некоторыми другими примесями (в зависимости от марки чугуна и назначения отливки). Содержание углерода в чугуне составляет более 2%. Чугуны обладают хорошими литейными свойствами и (за исключением белых чугунов) хорошо поддаются механической обработке.
Сталь
Сталью называется группа сплавов железа с углеродом с содержанием последнего до 1,7% при содержании углерода свыше 1,7% сплав относится к группе чугунов.
Сталь -- сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную по назначению -- конструкционную, инструментальную и специальную по качеству -- обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную.
Сталью называется сплав железа с углеродом (до 2%), поддающийся ковке и неизбежными примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5% углерода.
По способу получения сталь разделяют на бессемеровскую, конверторную (с продувкой кислородом), мартеновскую, электросталь, тигельную и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащенной руды (окатышей). и тигельную.
Основным классификационным признаком является химический состав, который в своей массе не изменяется в зависимости от термической и других видов обработки, за исключением некоторого изменения поверхностных слоев при цементации, азотировании и других диффузионных процессах.
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом и другими элементами, условно обозначаемыми буквами
X хром,
Г-марганец,
Н-никель,
С-кремний,
Ю-алюминий,
Т-титан,
Ф-ванадий,
В - вольфрам,
М молибден.
Основной продукцией черной металлургии является углеродистая сталь. Это сплав железа с углеродом, в котором углерода до 2,14%. Углеродистыми сталями называются сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,0% С.
Обычная углеродистая сталь, кроме основных элементов (железа и углерода), содержит еще 0,3 -0,7% Mn 0,2 - 0,4% Si 0,01 - 0,05% Р и 0,01 - 0,04% S. Фосфор и сера являются примесями. Марганец и кремний вводят в сталь при ее производстве, а фосс1юр и сера попадают в нее в процессе выплавки непосредственно из руд и являются вредными примесями.
Стали -- это сплавы железа с углеродом и добавками других химических элементов, предназначенных для придания ей определенных свойств. По сравнению с другими материалами стали характеризуются высокой прочностью, пластичностью, хорошей обрабатываемостью.
Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, а также различными присадками. В машиностроении наиболее широко применяются следующие сорта стали углеродистые стали обыкновенного качества углеродистые конструкционные стали качественные (ГОСТ 1050--74) низколегированные и легированные конструкционные стали (ГОСТ 4543--71).
Термообработка и фазовые превращения
Температуру проведения процессов термической обработки можно ориентировочно принимать по диаграмме сплавов железа с углеродом.
При нагреве в воздухе сплавы железа с углеродом подвергаются окислению, особенно быстрому при температурах выше 600 С, и покрываются продуктами коррозии.
Термообработка большинства сталей значительно улучшает их свойства. По составу стали разделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества (ГОСТ 380 -- 71), конструкционные качественные (ГОСТ 1050 -- 74).
Твердый раствор углерода в - у-железе. Предельная растворимость углерода в у железе 2% при 1130° С и 0,8% при 723 С. В чистых сплавах железа с углеродом и в низколегированной стали аустенит устойчив только при температурах выше Ах. Перлит - эвтектоид в сплавах железа с углеродом, состоит из феррита и цементита.
Каждому сплаву железа с углеродом соответствует точка на оси абсцисс диаграммы. Если через эту точку провести вертикальную прямую, то точки ее пересечения с линиями диаграммы дадут температуры, при которых происходят превращения в строении и состоянии сплава. Сплавы железа с углеродом, не содержащие эвтектики, относятся к сталям.
Превращения, происходящие в сплавах железа с углеродом, обратимы. Если структура эвтектоидной стали (0,8% С) при охлаждении ниже 723° С превращается из аустенита в перлит, то в процессе нагревания при 723° С произойдет обратное превращение -- перлита в аустенит. В обратном порядке происходят при нагревании структурные превращения в до - и заэвтектоидных сталях.
Сплавы железа с углеродом и после окончания кристаллизации имеют указанную выше различную структуру. Относительное количество структурных составляющих в сплавах с различным содержанием углерода можно определить по диаграмме Fe-C. Однако фазовый состав всех сплавов одинаков при температурах < 727 °С они состоят из феррита и цементита.
Уже в начале XIX в. стало предельно ясным, что качество изделий из металлов или сплавов определяется не только процессами их производства.
К этому периоду относится ряд важных работ Байкова в области металлургии.
В научно-технических журналах он помещает статьи Кристаллизация и структура стали (1907), Плавка медных руд в шахтных печах (1908), О полиморфизме никеля и К вопросу о диаграмме превращений сплавов железа с углеродом (1910), О высокоуглеродистых фазах в сплавах железа с углеродом (1914) и другие.
Огромную роль для повышения добротности металла играет его последующая обработка (прокатка, ковка, штамповка), особенно тепловая, термическая обработка.
Исследователи многих стран уделили большое внимание изучению химического состава металлических сплавов, влиянию отдельных элементов, входящих в их состав.
Особенно тщательно исследовали химический состав стали. Как известно, сталь представляет собой сплав железа с углеродом (до 2%) и другими химическими элементами. Содержание углерода в решающей степени определяет механические свойства стали.
Фундаментальные исследования равновесия процессов обезуглероживания или науглероживания сплавов железа с углеродом и в смесях водорода и метана при общем давлении 1 атм выполнены Шенком.
Высоколегированные стали по их структуре можно отнести к трем основным группам -- мартенситным, ферритным и аустенитным -- с рядом переходных типов, а по составу -- к хромистым, хромоникелевым и хромомарганцевым.
Несмотря на то что хром, никель, марганец и другие элементы содержатся в нержавеющих сталях в значительных количествах, при рассмотрении влияния легирующих добавок исходят прежде всего из основного сплава железа с углеродом.
Исходные природные металлы не обладают необходимыми для машин свойствами, а условия работы подавляющего большинства деталей требуют несравнимо более высоких показателей, чем природное железо, медь и т. д. Например, железо с очень малым содержанием углерода выдерживает напряжение на разрыв около 2 тыс. MПа, а сплавы железа с углеродом (сталь) --от 4 тыс. до 25 тыс. кг см - и выше.
В углеродистых сталях и чугунах углерод образует обычно карбид железа химическое соединение Fе3С, называемое в металловедении цементитом, которое содержит 6,67% углерода. Рассмотрим часть диаграммы железо--углерод от железа до цементита, который ввиду его стойкости можно считать самостоятельным компонентом.
В этом случае часть диаграммы состояния сплавов железа с углеродом, содержащих до 6,67% углерода, превращается в диаграмму сплавов железо--цементит
Выше линии AB D все сплавы находятся в состоянии однородного жидкого раствора, ниже линии AHIE F -- в твердом состоянии. Наиболее легкоплавкий эвтектический сплав содержит 4,3% углерода. Эвтектика сплавов железа с углеродом называется ледебуритом. При высокой температуре ледебурит -- механическая смесь аустенита и цементита. Ниже 723° С --смесь цементита и перлита.
Все три твердых раствора принадлежат к растворам типа внедрения. Феррит имеет решетку ОЦК, мягок, пластичен (НВ 65--130 о, = 300 Мн/м (30 кгс/мм, б = 30%), магнитен до 768° С.
Сплавы железа с углеродом (до 0,5% С) теряют магнетизм выше изотермы МО, отвечающей точке Кюри (768° С).
Аустенит кристаллизуется в решетку ГЦК он более тверд и пластичен, чем феррит (НВ 200--250 б = 40ч-50%), немагнитен.
Цементит (Feg ) тверд, но хрупок (ЯВ > 800), имеет сложную орторомбическую кристаллическую решетку, магнитен до 210° С (точка Л о). Будучи метастабильным соединением при длительном нагреве выше 540° С, цементит обнаруживает стремление к разложению.
При 1147° С и содержании 4,3% С образуется эвтектика (точка С на диаграмме), которая состоит из двух фаз аустенита и цементита такая смесь двух фаз называется ледебуритом.
Дюнвальд И Вагнер и Смит определили активность углерода в аустените путем исследования равновесий
Атомы углерода занимают междоузлия в решетке аустенита. Возрастание коэффициента активности 7с с увеличением концентрации углерода указывает на то, что энергия для конфигураций, при которых углеродные атомы находятся в соседних междоузлиях, превышает таковую для атомов углерода, отдаленных друг от друга.
Такое толкование может быть подтверждено тем, что в упорядоченной фазе Fe4N нет соседних междоузлий, занятых атомами азота. Однако для аустенита такое соседство атомов углерода не является строго запрещенным. Шайль провел детальный анализ равновесий в жидких и твердых сплавах железа с углеродом на базе статистической механики. Основные положения статьи Шайля требуют дальнейшего уточнения.
Похожие статьи
-
Сплавы алюминия - Особенности выплавки алюминиевых сплавов
Прочность чистого алюминия не удовлетворяет современные промышленные нужды, поэтому для изготовления любых изделий, предназначенных для промышленности,...
-
Особенности титановых сплавов - Титан и титановые сплавы
Одним из важных преимуществ титановых сплавов перед алюминиевыми и магниевыми сплавами является жаропрочность, которая в условиях практического...
-
Свойства титана Титан - металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модификации. Отличительными особенностями являются хорошие механические свойства,...
-
Физические свойства алюминия - Особенности выплавки алюминиевых сплавов
Алюминий(лат. Aluminium, от alumen - квасцы) - химический элемент III гр. периодической системы, атомный номер 13, атомная масса 26,98154....
-
Особенности плавки цветных металлов и сплавов - Технологическое оборудование литейных цехов
Общие положения По характеру взаимодействия с кислородом цветные металлы и сплавы подразделяют на три группы. К первой относятся металлы, заметно не...
-
Конструкционные материалы - Металлические сплавы как основа конструкционных материалов
Конструкционные материалы, материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими...
-
Общая характеристика металлов - Металлические сплавы как основа конструкционных материалов
Физические свойства металлов и сплавов 1) Пластичность - способность изменять форму при ударе, вытягиваться в проволоку, прокатываться в тонкие листы. В...
-
Получение - Особенности выплавки алюминиевых сплавов
В природе аллюминий находится в виде алюминиевых руд: бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Важнейшей рудой, на которой базируется большая часть...
-
Хром - очень распространенный легирующий элемент. Он повышает точку А3 и понижают точку А4 (замыкает область г-железа). Температура эвтектоидного...
-
Свойства меди Медь - металл красновато-розового цвета, медь менее тугоплавка, чем железо, но имеет большую плотность. Медь обладает хорошей...
-
История алюминия и его сплавов - Особенности выплавки алюминиевых сплавов
Первые упоминания об "легком серебристом металле" можно встретить Плиния старшего, и относятся они к событиям почти двух тысячелетней давности. В XVI...
-
Железо -- металл сероватого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 0,127 нм. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее...
-
Бериллий и сплавы на его основе, Свойства бериллия, Бериллиевые сплавы - Сплавы цветных металлов
Свойства бериллия Бериллий - металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости, бериллий имеет большую...
-
Применение - Особенности выплавки алюминиевых сплавов
Большинство алюминиевых сплавов имеют высокую коррозионную стойкость в естественной атмосфере, морской воде, растворах многих солей и химикатов и в...
-
Сплав Д1 - относится к числу дюралюминов. Такой вид сплавов обладает достаточно высокой прочностью, пластичностью и относится к числу нормальных...
-
Магний - металл серебристо-белого цвета с плотностью 1,74 Мг/м3 и температурой плавления 651 С; имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую...
-
Сферы применения титана и титановых сплавов - Титан и титановые сплавы
Авиационная промышленность - основной потребитель титановой продукции. Именно развитие авиационной техники дало толчок титановому производству. По своим...
-
Технологические особенности получения и применения пластмасс
1. Общие сведения о пластмассе Пластмассами называют обширную группу органических материалов, основу которых составляют искусственные или природные...
-
Введение, История титана - Титан и титановые сплавы
Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокие удельная прочность и жаропрочность в сочетании...
-
Сплавы алюминия - Металлургия аллюминия
Всем известна тонкая алюминиевая фольга используется как упаковочный материал для продуктов питания (например шоколада), более толстая - для изготовления...
-
Классификация и маркировка сталей, Химический состав. - Классификация и маркировка сталей и чугунов
Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и...
-
Общая характеристика и классификация магниевых сплавов - Сплавы цветных металлов
Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Основными легирующими элементами магниевых сплавов являются Al, Zn, Mn. Для...
-
Наименование детали - фланец. Назначение детали - деталь служит для образования разъемных соединений труб. Обозначение материала детали - сталь 45 ГОСТ...
-
Свойства алюминия Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Он не имеет полиморфных превращений. Алюминий обладает малой плотностью, хорошими...
-
Понятие о сплавах - Металлы и их свойства
Характерной особенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или с неметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов...
-
Битум -- это продукт черного цвета с плотностью около единицы, с низкой тепло - и электропроводностью. Он прекрасно противостоит воздействию различных...
-
Практическое использование аморфных сплавов - Принцип получения аморфных материалов
Использование аморфных сплавов в качестве диффузионных барьеров устройств привело к тому, что линейные размеры токоведущих дорожек, контактных площадок и...
-
Литейные сплавы - Заготовительное и литейное производство
1. Чугун является наиболее распространенным материалом для получения фасонных отливок. Чугунные отливки составляют около 80 % всех отливок. Широкое...
-
Серый и белый чугун - Характеристика и структурные методы исследования металлов
ЧУГУН Сплавы железа с углеродом (> 2,14% С) называют чугуном. Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование исключительно в...
-
Методика приготовления опытных сплавов Для приготовления опытных сплавов использовалась электрическая печь сопротивления шахтного типа мощностью 10 КВт с...
-
Сплавы на основе системы алюминий - кремний Сплавы Al - Si являются наиболее распространенными литейными алюминиевыми сплавами. Это связано с хорошим...
-
Для оценки горячеломкости сплавов не разработано общепризнанных проб. Иногда "новые" пробы полностью или почти полностью повторяют те, которые были...
-
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или технологических примесей: Mn, Si, S, Р, О, Н, N и др., влияющих на ее...
-
Никелевые сплавы. - Технологическое оборудование литейных цехов
Плавку никеля ведут в индукционных канальных и тигельных печах, реже дуговых, для вакуумной техники - в вакуумных индукционных тигельных печах. Футеровка...
-
Для литья под давлением обычно используют не первичные, а вторичные сплавы, что обусловлено экономическими соображениями. Наилучшими литейными свойствами...
-
Состав материалов должен обеспечивать получение в отливке заданных физико-механических и физико-химических свойств; свойства и структура должны быть...
-
Особенности эксплуатации гидропривода в условиях низких температур
Особенности эксплуатации гидропривода в условиях низких температур Широкое применение гидравлического привода в самой разной технике и промышленном...
-
Диаграмма состояния для случая полной взаимной растворимости компонентов А и В в жидком и твердом состояниях и изменение энергии Гиббса в зависимости от...
-
Структуры титановых сплавов - Титан и титановые сплавы
Титан подобно железу является полиморфным металлом и имеет фазовое превращение при температуре 882°С. Ниже этой температуры устойчива гексагональная...
-
Основные диаграммы состояния - Титановые сплавы, пути повышения жаропрочности и ресурса
При сравнительной оценке различных легирующих добавок к титану для получения жаропрочных сплавов основным вопросом является влияние добавляемых элементов...
Особенности сплава железа с углеродом