Железоуглеродистые сплавы (4 лекция) (1)

1.

Омский государственный технический университет
Кафедра «Машиностроение и материаловедение»
Секция «Материаловедение и технология конструкционных материалов»
Бургонова О.Ю.
Материаловедение
Железоуглеродистые сплавы
Мультимедийная слайд-лекция

2.

4.1. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

3.

Железо с углеродом образуют твердые растворы
кристаллические решетки железа (ОЦК α-Fe и ГЦК γ-Fe).
внедрения
в
различные
На диаграмме выделяют следующие фазы:
• жидкость (Ж) – неограниченный раствор атомов железа и углерода;
• феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-Fe, – мягкую, пластичную
фазу (σВ = 300 МПа, δ = 40%, ψ = 70%, 650–1000 HB).
Различают низкотемпературный и высокотемпературный феррит. Предельная
концентрация углерода в феррите при 0 ºС – 0,006 %, при 727 ºС – 0,02%, в
высокотем-пературном феррите – 0,1%.
Феррит магнитен до 768 ºС.
Кристаллическая решетка –
кубическая объемно-центрированная.
Структура феррита

4.

• аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Feγ, – более твердый и
пластичный (δ = 40–50%, 2000–2500 НВ), не магнитен.
Предельная концентрация углерода достигает 2,14% при 1147 °С. Кристаллическая
решетка – кубическая гранецентрированная;
• цементит (Ц) – химическое соединение Fe3C, – имеет высокую твердость (8000
НВ), но практически нулевую пластичность. Температура плавления цементита около
1250 ºС. Полиморфных превращений не испытывает, но при низких температурах
слабоферромагнитен. Кристаллическая решетка ромбическая;
• графит (Г) – полиморфная модификация углерода. Имеет гексагональную решетку.
Твёрдость и прочность графита очень малы: σВ=27-35 МПа, твердость по шкале Мооса
– 1.
а)
б)
Кристаллические решетки а – цементита, б - графита
Структура аустенита

5.

4.2. Нонвариантные превращения, протекающие в системе Fe-C
В системе «Fe – Fe3C» происходят следующие изотермические превращения:
при t = 1499 °С, линия HIB – перитектическое превращение:
ЖВ + ФН → АI;
при t = 1250 °С, линия RD – перитектическое превращение:
ЖВ + Г→ ЦD;
при t = 1147 °С, линия ECF – эвтектическое превращение:
ЖС → (АЕ + ЦF )Л;
при t = 727 °С, линия PSK – эвтектоидное превращение:
АS → (ФР + ЦK) П

6.

При температуре эвтектического превращения образуется структура, называемая
ледебуритом (а) – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале
температур 1147–727 ºС, а ниже линии SK (727 ºС) – смесь перлита и цементита.
Ледебурит имеет высокую твердость > 6000 HB, но хрупок - δ = 0%.
При температуре эвтектоидного превращения образуется структура, называемая
перлитом (б) – эвтектоидная смесь феррита и цементита является прочной
структурной составляющей (σВ = 800–900 МПа, δ = 16%, 1800 HB).
а)
б)
Микроструктура а – ледебурита , б – перлита

7.

4.3. Классификация железоуглеродистых сплавов
Все железоуглеродистые сплавы, в соответствии с диаграммой «Железо-углерод
(цементит)», подразделяются:
•на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%):
- однофазное (имеет структуру, состоящую из одной фазы – феррита, на диаграмме
существует в интервале содержания углерода до 0,006%);
- двухфазное (структура – феррит и цементит третичный, интервалы существования
от 0,006% С до 0,2 С).
1
2
Микроструктура технического железа: 1 – однофазного, 2 – двухфазного

8.

• на стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%), которые
подразделяются по структуре на:
- доэвтектоидные (со структурой феррита и перлита. Доэвтектоидные
углеродистые стали существуют в интервале от 0,02% С до 0,8% С);
а)
Микроструктура доэвтектоидной стали:
а) сталь 25; б) сталь 45
б)

9.

- эвтектоидную (со структурой перлита. Эвтектоидная углеродистая сталь существуют
при концентрации 0,8% С);
- заэвтектоидные стали (со структурой перлита и вторичного цементита.
Заэвтектоидные углеродистые стали существуют в интервале от 0,8% С до 2,14% С).
а)
б)
Микроструктура эвтектоидной (а) и заэвтектоидной (б) стали

10.

• чугуны (с содержанием углерода в сплаве более 2,14%), которые подразделяются
по структуре на:
- доэвтектические (со структурой перлита и ледебурита. Доэвтектические
чугуны существуют в интервале от 2,14% С до 4,3% С);
- эвтектический (со структурой ледебурита при концентрации 4,3% С);
- заэвтектические (со структурой ледебурита и цементита. Существуют в интервале
от 4,3% С до 6,67% С).
а)
б)
Микроструктуры доэвтектического (а), эвтектического (б)
и заэвтектического (в) чугуна
в)

11.

4.4. Вредные примеси
В составе железоуглеродистых сплавов присутствуют вредные (сера, фосфор, газы)
и полезные примеси (марганец, кремний).
Сера вызывает красноломкость - свойство стали образовывать трещины при
обработке давлением при 850-1150 °С, за счет снижения прочности или оплавления
границ зерен из-за скопления легкоплавкого (988 °С) FeS.
Фосфор вызывает повышение температуры хладноломкости.
Хладноломкость - склонность металлов к появлению (или значительному
возрастанию) хрупкости при понижении температуры.
Влияние серы (а) и фосфора (б) на ударную вязкость углеродистой стали

12.

4.5. Классификация сталей
По химическому составу стали
углеродистые (содержащие
железо, углерод, вредные и
полезные примеси)
легированные (содержащие специально
введенные легирующие элементы,
изменяющие свойства сталей)
По назначению стали
Конструкционные, для
изготовления конструкций,
деталей машин
(содержащие до 0,7% С)
Инструментальные, для
обработки
конструкционных
материалов (чаще всего
содержащие от 0,5% С)
Специального
назначения
(коррозионно-стойкие,
жаропрочные,
износостойкие и т. п.).

13.

По способу производства изделий
деформируемые
литейные
спекаемые
По металлургическому качеству
обыкновенного
качества (не
более 0,04% Р,
0,05% S)
качественные
(не более
0,035% Р,
0,04% S)
высококачественные (не более
0,03% Р,
0,028% S)
особо высококачественные
(не более 0,025% Р,
0,015% S)
По способу раскисления при выплавке
кипящие,
(раскисленные только
марганцем)
полуспокойные
(раскисленные марганцем, кремнием)
спокойные
(раскисленные марганцем, кремнием и
алюминием)

14.

4.6. Принципы маркировки сталей
1. Углеродистые стали обыкновенного качества
Обозначаются буквами Ст., далее идет номер марки сплава (0–6) и степень
раскисления (кп, пс, сп):
Марка стали Ст.0 по степени раскисления не маркируется.
пример: Ст. 1 кп, Ст.0, Ст.4Гсп
2. Углеродистые и легированные стали
Маркируются двух(трех)-значными цифрами в начале, обозначающими среднее
содержание углерода в сотых долях процента, и буквами, обозначающими легирующие
элементы:
А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н –
никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний (свинец), Т – титан, Ф –
ванадий, Х – хром, Ц – цирконий (кальций), Ш – магний, Ю – алюминий, Л – бериллий,
Ч – редкоземельные (иттрий, лантан и т.п.).
Цифра после легирующего элемента обозначает среднее содержание в %.
Обычно при содержании легирующего элемента около (или менее) 1 %, цифра после
буквы не ставится.
По степени раскисления маркируются только кипящие и полуспокойные.
пример: 08кп (0,08% С, кипящая, качественная), 15Гпс (0,15% С, 1% Mn,
полуспокойная, качественная), 45 (0,45% С, спокойная, качественная), 18ХГТ (0,18%
С, 1% Cr,1% Mn, до 1% Ti, полуспокойная, качественная), 70Х20Н2С2М (0,70% С, 20%
Cr, 2% Ni, 2% Si, до 1% Mo, полуспокойная, качественная).

15.

Буквы в начале маркировки сплава означают:
А – автоматная сталь (процентное содержание углерода идет после буквы А или С
или Ц; буква С означает наличие в автоматной стали свинца, а Ц – кальция).
пример: А30 (автоматная сталь, 0,3% С), АС45Г2 (0,45% С, 2% Mn, до 1% Pb),
АЦ18ХН2Т (0, 18% С, 1% Cr, 2% Ni, до 1% Ti, до 1% Ca).
У – углеродистая инструментальная сталь (процентное содержание углерода идет
после буквы У). Содержание углерода в этом случае обозначают десятыми долями
процента.
пример: У7 (0,7% С), У12 (1,2% С).
Р – быстрорежущая сталь (содержат около 1 % С и 3,5 % Cr). Цифра после буквы Р
означает среднее содержание вольфрама в процентах.
пример: Р18 (около 1% С, 18% W, 3,5 % Cr, качественная), Р6М5 (около 1% С, 6% W,
3,5 % Cr, 5% Mo, качественная).
Ш – шарикоподшипниковая сталь (содержат около 1 % С). Содержание хрома
указывается в десятых долях процента, среднее содержание других элементов
соответствует цифре после буквы, обозначающей легирующий элемент.
пример: ШХ15 (около 1% С, 1,5 % Cr, качественная).
Е – магнито-твердые стали (содержат около 1 % С)
пример:. ЕХ3 (1% С, 3% Сr), ЕХ5К5 (1% C, 5% Cr, 5% Co).

16.

Буквы в конце маркировки сплава:
А – высококачественная сталь
Л – литая
ЛС – хладостойкая сталь
К – котельная
Ш – особо высококачественная сталь
примеры: 38ХГСА (0,38% С, до 1%Cr, 1% Mn, 1% Si, высококачественная), У8ГА (1%
С, до 1% Mn, высококачественная), 15Л (0,15% С, качественная, спокойная,
литейная), 25Млс (0,25% С, качественная, спокойная, хладостойкая),
15Х16К5Н2МВФАБ-Ш (0,15% С, 16% Cr, 5% Co, 2% Ni, до 1% Mo, W, V, N. Nb,
высококачественная).

17.

4.7. Классификация чугунов
Классификация чугунов по форме
углерода
Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также
легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.).
белый чугун (в виде
цементита)
серый чугун (в виде
пластинчатого
графита)
вермикулярный чугун
(в виде червеобразного
графита)
высокопрочный чугун
(в виде шаровидного
графита)
ковкий чугун ( в виде
хлопьевидного
графита)

18.

Белый чугун — вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии находится в
виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск.
Прочность белого чугуна снижается, а твердость увеличивается с увеличением
содержания в нём углерода.
Белый чугун очень тверд, почти не поддается механической обработке и поэтому не
применяется для изготовления деталей, а используется для переделки в сталь и для
изготовления деталей из ковкого чугуна. Такой чугун называется также
передельным.
а)
б)
в)
Структура белого чугуна состава: а – 3,1% C, 1% Si, 0,4% Mn, остальное Fe;
б – 4,3% C, 0,3% Si, 0,11% Mn, 0,96% Cr, остальное Fe; в – 4,5% С, 0.5% Si, остальное Fe

19.

Серый чугун – сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также
постоянные примеси Mn, P, S. В структуре таких чугунов большая часть или весь
углерод находится в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за
наличия графита имеет серый цвет.
Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура
кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка).
Микроструктура ферритного серого
чугуна
Микроструктура феррито-перлитного
серого чугуна

20.

Механические свойства и структура некоторых марок серого чугуна
(ГОСТ 1412–85)
Марка
Химический состав
σВ, МПа
δ, %
НВ, МПа
Структура
СЧ15
3,5-3,7% C, 2,0-2,4% Si,
0,5-0,8% Mn,
до 0,15% S, до 0,2% P
150
–
1630–2100
Феррит,
графит
СЧ25
3,2-3,4% C, 1,4-2,2% Si,
0,7-1,0% Mn,
до 0,15% S до 0,2% P,
250
–
1800–2500
Феррит,
перлит,
графит
СЧ35
2,9-3,0% C, 1,2-1,5% Si,
0,7-1,1% Mn,
до 0,12% S, до 0,2% P
350
–
2200–2750
Перлит,
графит

21.

Высокопрочный чугун получают при модифицировании (микролегировании
жидкого чугуна магнием (0,1...0,5%) или церием (0,2...0,3%). При этом под
действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую,
а шаровидную форму, которая значительно меньше ослабляет металлическую
основу чугуна, чем пластинчатый графит.
Высокопрочный чугун имеет высокие механические характеристики, обладает
хорошими литейными и технологическими свойствами.
Микроструктура ферритного
высокопрочного чугуна
Микроструктура феррито-перлитного
высокопрочного чугуна

22.

Механические свойства и структура некоторых марок высокопрочного
чугуна (ГОСТ 7293-85)
Марка
Химический состав
σВ,
МПа
δ, %
НВ, МПа
Структура
ВЧ35
2,7-3,8% C, 0,8-2,9% Si, 0,2-0,6% Mn,
до 0,02% S, до 0,1% P, до 0,3% Сu
350
22
1400–
1700
Феррит,
графит
ВЧ60
3-3,6% C, 2,4-2,8% Si, 0,4-0,7% Mn,
до 0,4% Ni, до 0,02% S, до 0,1% P,
до 0,3% Сu
600
3
1920–
2270
Феррит,
перлит,
графит
ВЧ80
3,2-3,6% C, 2,6-2,9% Si, 0,4-0,7% Mn,
до 0,6% Ni, до 0,01% S, до 0,1% P,
до 0,6%Cu
800
2
2480–
3510
Перлит,
графит
Усадка чугунов различного вида
Вид чугуна
Общая объемная
усадка, %
Общая линейная
усадка, %
Белый
10,3-11,1
1,6-2,3
Серый
6,9-8,1
0,9-1,3
Высокопрочный
9,5-11,6
0,5-1,2

23.

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму.
Их получают путем специального графитизирующего отжига отливок из белых
доэвтектических чугунов. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого
чугуна, распадается на феррит и графит хлопьевидной формы.
Микроструктура ферритного
ковкого чугуна
Схема режима отжига белого чугуна с
получением ферритного (1)
и перлитного (2) ковкого чугуна

24.

Механические свойства и структура некоторых марок ковкого чугуна (ГОСТ
1215-79)
Марка
Химический состав
σВ, МПа
δ, %
НВ, МПа
Структура
КЧ30-6
2,6-2,9% C, 1,0-1,6%
Si, 0,4-0,6% Mn, до
0,02% S, до 0,18% P
300
6
1000–1630
Феррит,
графит
КЧ37-12
2,4-2,7% C, 1,2-1,4%
Si, 0,2-0,4% Mn, до
0,06% S, до 0,12% P
370
12
1100–1630
Феррит,
перлит,
графит
КЧ60-3
2,5-2,8% C, 1,1-1,3%
Si, 0,3-1,0% Mn, до
0,02% S, до 0,1% P
600
3
2000–2690
КЧ80-1,5
2,5-2,8% C, 1,1-1,3%
Si, 0,3-1,0% Mn, до
0,02% S, до 0,1% P,
до 0,1% Cr
800
1,5
2700 - 3200
Перлит,
графит

25.

Вермикулярный чугун – вид чугуна в котором графит имеет форму коротких
изогнутых прутков (червеобразную форму). Для получения этих чугунов при
выплавке в расплав вводят не только магний, но и редкоземельные металлы. В
вермикулярных чугунах около 70 % частиц графита имеют короткую, утолщенную
форму, а остальные 30% – глобулярную.
Чугуны с вермикулярным графитом занимают промежуточное положение между
серыми и высокопрочными. Они имеют повышенную прочность, теплопроводность,
малую чувствительность механических свойств к толщине отливки и скорости
охлаждения (в отличие от серых), меньшую линейную усадку – по сравнению с
высокопрочными.
Микроструктура феррито-перлитного вермикулярного чугуна

26.

Механические свойства чугуна с вермикулярным графитом по ГОСТ 28394-89
Марка
Химический состав
σВ, МПа
δ, %
НВ, МПа
Структура
ЧВГ 30
3,5-3,8% C, 2,2-3,0%
Si, 0,2-0,6% Mn, до
0,025% S, до 0,08% P,
до 0,15% Cr, 0,0150,028% Mg, 0,1-0,2%
РЗМ
300
3,0
1300-1800
Феррит,
перлит,
графит
ЧВГ 35
3,5-3,8% C, 2,2-2,8%
Si, 0,2-0,6% Mn, до
0,025% S, до 0,08% P,
до 0,15% Cr, 0,0150,028% Mg, 0,1-0,2%
РЗМ
350
2,0
1400-1900
3,1-3,5% C, 2,0-2,5%
Si, 0,8-1,2% Mn, до
0,025% S, до 0,05% P,
до 0,3% Cr, 0,2-0,4%
Mo, 0,015-0,028% Mg,
0,1-0,2% РЗМ
450
0,8
1900-2500
ЧВГ 45
Перлит,
графит

27.

4.8. Принципы маркировки чугунов
Чугуны маркируются буквенно-цифровым обозначением.
Первые буквы указывают вид чугуна:
СЧ – серые чугуны;
ВЧ – высокопрочные чугуны;
КЧ – ковкий чугун;
ЧВГ – вермикулярный чугун.
Цифра после букв означает предел прочности на растяжение в кгс (для перевода в
МПа умножать на 10). Наличие второй цифры через дефис
цифра означает
относительное удлинение в процентах.
Специальные чугуны маркируются следующим образом:
Ч – легированный чугун (обозначение легирующих элементов соответствует сталям).
АЧ – антифрикционный чугун. Бывает в зависимости от форм графита:
АЧС – серый (марки АЧС-1 – АЧС-6). Цифра указывает номер сплава;
АЧВ – высокопрочный (АЧВ-1, АЧВ-2);
АЧК – ковкий (АЧК-1, АЧК-2).
ЖЧ – жаростойкий чугун.
примеры: СЧ 10, КЧ 30-6, ЧВГ 45, ЖЧХ2,ЧЮ22Ш.

28.

Список использованных источников и
литературы
1. Материаловедение: учеб. для студентов вузов /В. С. Кушнер, А. С. Верещака, А. Г.
Схиртлаздзе, Д. А. Негров, О. Ю. Бургонова.; под ред. В. С. Кушнера. Омск: Изд-во
ОмГТУ, 2008. – 232 с.
2. Арзамасов Б.Н. Материаловедение: учеб. для студентов вузов./Б. Н. Арзамасов и
др.– 3-е изд. перераб. и доп. – М. : Изд-во МВТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 734 с.
3. Лахтин, Ю. М. Материаловедение: учеб. для студентов вузов. /Ю. М. Лахтин, В. П.
Леонтьева. – 3-е изд. перераб. и доп. – М. : Машиностроение, 1990. – 528 с.
4. Гуляев А.П. Металловедение: учеб. для вузов. /А. П. Гуляев. – 6-е изд. перераб. и
доп. – М. : Металлургия, 1986. – 544 с.
5. Солнцев Ю.П. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб.
для студентов вузов /Ю. П. Солнцев, В. А. Веселов, В. П. Демянцевич, А. В. Кузин, Д.
И. Чашников.– М. : Металлургия, 1988. – 511 с.

29.

Контактная информация
Разработчик: доцент, канд. техн. наук, Бургонова Оксана Юрьевна
Кафедра «Машиностроение и материаловедение»
секция «Материаловедение и технология конструкционных
материалов»
Адрес: Долгирева 89, корпус 4, кабинет 4-507
Тел.: 25-84-80
Email: omgtu.mtkm@mail. ru
адрес сайта кафедры mtkm.omgtu.ru