Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 18 )

Наявність легкоплавкого ледебуриту в структурі чавунів підвищує їхні ливарні властивості.

Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми стани залізо - цементит, відрізняються високою крихкістю. Колір їхнього зламу - сріблисто^-білий. Такі чавуни називаються білими чавунами.

Мікроструктури білих чавунів представлені на мал.

Мікроструктури білих чавунів: а - доевтектичний білий чавун; б - евтектичний білий чавун (Л); в - заевтектичний білий чавун.

По кількості вуглецю й за структурою білі чавуни підрозділяються на: доевтектичні, структура перліт + ледебурит + цементит вторинний; евтектичні, структура ледебурит (Л); заевтектичні, структура ледебурит + цементит первинний.

У структурі доевтектичних білих чавунів присутній цементит вторинний, котрий утвориться в результаті зміни сполуки аустеніту при охолодженні (по лінії ES). У структурі цементит вторинний зливається із цементитом, що входить до складу ледебуриту.

Фазова сполука сталей і чавунів при нормальних температурах той самий, вони складаються з фериту й цементиту. Однак властивості сталей і білих чавунів значно різняться. Таким чином, основним фактором, що визначає властивості сплавів системи залізо - цементит є їхня структура.

Лекція

 Сталі. Класифікація й маркування сталей.

Сталі є найпоширенішими матеріалами. Мають гарні технологічні властивості. Вироби одержують у результаті обробки тиском і різанням.

Достоїнством є можливість одержувати потрібний комплекс властивостей, змінюючи сполуку й вид обробки. Сталі підрозділяють на вуглецеві й леговані.

Вплив вуглецю й домішок на властивості сталей

Вуглецеві сталі є основними. Їхні властивості визначаються кількістю вуглецю й змістом домішок, які взаємодіють із залізом і вуглецем.

Вплив вуглецю 

З ростом змісту вуглецю в структурі сталі збільшується кількість цементиту, при одночасному зниженні частки фериті. Зміна співвідношення між тридцятилітніми приводить до зменшення пластичності, а також до підвищення міцності й твердості. Міцність підвищується до змісту вуглецю близько 1%, а потім вона зменшується, тому що утвориться груба сітка цементиту вторинного.

Вуглець впливає на грузлі властивості. Збільшення змісту вуглецю підвищує поріг холодноламкості й знижує ударну в'язкість.

Підвищуються електроопір й коерцитивна сила, знижуються магнітна проникність і щільність магнітної індукції.

Вуглець впливає й на технологічні властивості. Підвищення змісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі зі змістом вуглецю до 0,4 %), оброблюваність тиском і різанням, зварюваність. Варто враховувати, що сталі з низьким змістом вуглецю також погано обробляються різанням.

Вплив домішок

У сталях завжди присутні домішки, які діляться на чотири групи. 1.Постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор.

Марганець і кремній вводяться в процесі виплавки сталі для розкислення, вони є технологічними домішками.

Зміст марганцю не перевищує 0,5...0,8%. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності, і різко знижує червоноламкість сталі, викликану впливом сірки. Він сприяє зменшенню змісту сульфіду заліза FeS, тому що утворює із сіркою сполуку сульфід марганцю MnS. Частки сульфіду марганцю розташовуються у вигляді окремих включень, які деформуються й виявляються витягнутими уздовж напрямку прокатки.

Зміст кремнію не перевищує 0,35...0,4%. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитка. Кремній розчиняється у фериті й підвищує міцність сталі, особливо підвищується границя текучості. Але спостерігається деяке зниження пластичності, що знижує здатність сталі до витяжки.

Зміст фосфору в сталі 0,025…0,045%. Фосфор, розчиняючись у фериті, спотворює кристалічну решітку й збільшує межу міцності і границю текучості, але знижує пластичність і в'язкість.

Розташовуючись поблизу зерен, збільшує температуру переходу в тендітний стан, викликає холодноламкість, зменшує роботу поширення тріщин, Підвищення змісту фосфору на кожну 0,01 % підвищує поріг холодноламкості на 20...25oС.

Фосфор має схильність до ліквації, тому в центрі злитка окремі ділянки мають різко знижену в'язкість.

Для деяких сталей можливе збільшення змісту фосфору до 0,10...0,15%, для поліпшення оброблюваності різанням.

S – зменшується пластичність, зварюваність і корозійна стійкість. Р-спотворює кристалічну решітку.

Зміст сірки в сталях становить 0,025…0,06%. Сірка – шкідлива домішка, що попадає в сталь із чавуну. При взаємодії із залізом утворюється хімічна сполука – сульфід сірки FeS, що, у свою чергу, утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988oС. При нагріванні під прокатку або малодоходний евтектика плавиться, порушуються зв'язки між зернами. При деформації в місцях розташування евтектики виникають надриви й тріщини, заготівля руйнується – явище червоноламкості.

Червоноламкість – підвищення крихкості при високих температурах.

Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість, а також пластичність, і так само границю витривалості. Вона погіршує зварюваність і корозійну стійкість.

2. Сховані домішки - гази (азот, кисень, водень) – попадають у сталь при виплавці.

Азот і кисень перебувають у сталі у вигляді тендітних неметалічних включень: окислів (FeO, SiO2, Al2O3 ) нітридів (Fe 2N), у вигляді твердого розчину або у вільному стані, розташовуючись у дефектах (раковинах, тріщинах).

Домішки впровадження (азот N, кисень ПРО) підвищують поріг холодноламкості й знижують опір тендітному руйнуванню. Неметалічні включення (окисли, нітриди), будучи концентраторами напруг, можуть значно понизити границю витривалості й в'язкість.

Дуже шкідливим є розчинений у сталі водень, що робить сталь значно крихкою. Він приводить до утворення в качаних заготівлях і куваннях флокенів.

Флокени – тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям – пластівців сріблистого кольору.

Метал із флокенами не можна використовувати в промисловості, при зварюванні утворяться холодні тріщини в наплавленому й основному металі.

Якщо водень перебуває в поверхневому шарі, то він віддаляється в результаті нагрівання при 150…180 С, краще у вакуумі мм рт. ст.

Для видалення схованих домішок використовують вакуумування.

3. Спеціальні домішки – спеціально вводяться в сталь для одержання заданих властивостей. Домішки називаються легуючими елементами, а сталі - леговані сталями.

Призначення легуючих елементів

Основним легуючим елементом є хром (0,8...1,2)%. Він підвищує прокалюваність, сприяє одержанню високої й рівномірної твердості сталі. Поріг холодноламкості хромистих сталей - (0…-100) oС.

Додаткові легуючі елементи.

Бор – 0,003%. Збільшує прокалюваність, а також підвищує поріг холодноламкості +20…-60oС.

Марганець – збільшує прокалюваність, однак сприяє росту зерна, і підвищує поріг холодноламкості до (+40…-60) oС.

Титан (~0,1%) уводять для здрібнювання зерна в хромомарганцеві сталі.

Введення молібдену (0,15...0,46%)у хромисті сталі збільшує прокалюваємість, стихає поріг холодноламкості до –20…-120oС. Молібден збільшує статичну, динамічну й утомну міцність сталі, усуває схильність до внутрішнього окислювання. Крім того, молібден знижує схильність до відпускної крихкості сталей, що містять нікель.

Ванадій у кількості (0.1…03) % у хромистих сталях подрібнює зерно й підвищує міцність і в'язкість.

Введення в хромисті сталі нікелю, значно підвищує міцність і прокалюваність, знижує поріг холодноламкості, але при цьому підвищує схильність до відпускної крихкості (цей недолік компенсується введенням у сталь молібдену). Хромонікелеві сталі, мають найкращий комплекс властивостей. Однак нікель є дефіцитним, і застосування таких сталей обмежено.

Значну кількість нікелю можна замінити міддю, це не приводить до зниження в'язкості.

При легуванні хромомарганцевих сталей кремнієм одержують сталь – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Сталі мають гарне сполучення міцності й в'язкості, добре зварюються, штампуються й обробляються різанням. Кремній підвищує ударну в'язкість і температурний запас в'язкості.

Добавка свинцю, кальцію поліпшує оброблюваність різанням. Застосування зміцнення термічної обробки поліпшує комплекс механічних властивостей.

Розподіл легуючих елементів у сталі

Легуючі елементи розчиняються в основних фазах залізовуглецевих сплавів ( ферит, аустеніт, цементит), або утворять спеціальні карбіди.

Розчинення легуючих елементів відбувається в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. Ці атоми створюють у решітці напруги, які викликають зміну її періоду.

Зміна розмірів решітки викликає зміну властивостей фериту - міцність підвищується, пластичність зменшується. Хром, молібден і вольфрам зміцнюють менше, ніж нікель, кремній і марганець. Молібден і вольфрам, а також кремній і марганець у певних кількостях, знижують в'язкість.

У сталях карбіди утворюються металами, розташовані в таблиці Менделєєва лівіше заліза (хром, ванадій, титан), які мають менш добудовану d – електронну смугу.

У процесі карбідоутворення вуглець віддає свої валентні електрони на заповнення d – електронної смуги атома металу, тоді як у металі валентні електрони утворять металевий зв'язок, що спричиняється металевими властивостями карбідів.

При співвідношенні атомних радіусів вуглецю й металу більше 0,59 утворяться типові хімічні сполуки: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C – які мають складну кристалічну решітку й при нагріванні розчиняються в аустеніті.

При співвідношенні атомних радіусів вуглецю й металу менш 0,59 утворяться фази впровадження: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C – які мають просту кристалічну решітку й важко розчиняються в аустеніті.

Всі карбіди характеризуються високою твердістю і температурою плавлення.