Сплавы на основе железа

1. Лекция 7 Сплавы на основе железа

Содержание
1. Диаграмма состояния железо – углерод
2. Структура и свойства углеродистых сталей
3. Структура и свойства чугунов

2. Введение

Особое внимание к диаграмме состояния железо – углерод
объясняется
несколькими
причинами.
Во-первых,
это
диаграмма служит теоретической основой для изучения
процессов, которые происходят в наиболее универсальных и
широко
используемых
в
промышленности
сплавах:
углеродистых сталях и чугунах. Во-вторых, она играет роль
модели при анализе изменений структуры в других сплавах на
основе железа. В-третьих, изучив эту хорошо изученную
систему, можно лучше понять фазовые превращения в
большинстве бинарных и тройных систем, состоящих из других
элементов.

3. Железо

Ат. номер
26
Ат. масса
55,85
T ПЛ, ⁰C
ρ , г/см³
1539
Ат. рад. нм
7,68
0,127
Конфигурация электронов
K(2) L(8) M(14) N(2) =26
Характеристики
α - железо
γ - железо
δ - железо
Кристаллическая
структура
ОЦК
ГЦК
ОЦК
Период решетки, нм
0,286 (при 20 ⁰C)
0,364 (при 950 ⁰C)
0,293 (при 1425 ⁰C)
Критические точки, ⁰C
А2 = 768 ⁰C
Атомный диаметр, нм
0,254
Магнитные свойства
Магнитно при t < 768⁰C
А3
=
911 ⁰C
Немагнитно
А4
=
1392 ⁰C
Немагнитно

4. Углерод

Ат.
Ат.
номер масса
ат. ед.
6
12
Ат.
Графит
радиус
нм.
0,077
Тип. реш.
Гекс.
Графит
Графит
Алмаз
Алмаз
Алмаз
Другие
модифик.
Тип. реш.
Ал →Г
⁰C
ρ,
г/см³
ρ,
г/см³
Карбин
Графен
3800
2,2
Куб.
1500
3,5
Фулерен
tПЛ ,

5. Диаграмма состояния железо-углерод

6. Характерные точки на диаграмме

Точка
Температура Содержание
0С
углерода, %
Точка
Температура Содержание
Температура Содержание
Точка
0С
0С
углерода, %
углерода, %
А
1539
0
E
1147
2,14
P
727
0,02
B
1499
0,5
C
1147
4,3
S
727
0,8
H
1499
0,1
F
1147
6,67
K
727
6,67
1499
0,16
D
1260
6,67
Q
600
0,01
1392
0
G
911
J
N
0

7. Фазы в сплавах железа с углеродом

Феррит
Аустенит
Цементит
Перлит
Ледебурит
Тв. р-р С в α-Fe
Тв. р-р С в γ-Fe
Fe3C
Эвтектоид
Эвтектика
Кр. решетка
ОЦК
ГЦК
Ромбическая
Ф +Ц
Ф+ц
Сод. углерода,%
< 0,02
< 2,14
6,67
0,8
4,3
Твердость
120HB
160HB
800HB
250HB
400HB

8. Механические свойства углеродистых сталей

Сталь
Содержани
е
углерода, %
Структура
σВ, МПа
σТ, МПа
δ, %
Примеры
марок
Сверхмягкая
< 0,1
Ф
300 - 400
160 - 210
30
Ст1, 08, 10
Мягкая
0,15 – 0,2
Ф + 20% П
450 - 500
260 - 270
23
Ст3, 15, 20
Полумягкая
0,2 – 0,3
Ф + 30% П
480 - 550
270 - 280
21
Ст4, 25, 30
Полутвердая
0,3 – 0,4
Ф + 45 % П
560 - 680
280 - 330
21 – 17
Ст5, 35, 40
Твердая
0,4 – 0,5
Ф + 60 % П
650 - 670
360 - 400
15 – 13
Ст6, 45, 50
Очень
твердая
0, 5 - 0,6
Ф + 80 % П
740 – 860
430 – 450
11
55, 60
Сверхтвердая
0,8
П
830 - 1040
--
9–5
70, 80

9. Схемы микроструктуры сталей а – аустенит, б - Феррит, в - феррит и перлит, г - перлит, д,е - перлит и цементит

10. Аустенит Феррит

11. Перлит Ледебурит

12. Ледебурит и первичный цементит

13. Перлит и вторичный цементит

14. Феррит и третичный цементит

15. Неметаллические включения в сталях

Неметаллические включения (НВ) образуются в результате физикохимических явлений, протекающих в расплавленном и затвердевшем
металле в процессе его производства.
Обычно количество НВ в стали не превышает 0,1%. Однако в связи
с их малыми размерами число включений может быть велико.
Неметаллические включения разделяют по химическому составу.
- Оксиды: FeO, MnO, Al2O3, TiO2 и др.
- Сульфиды: FeS, MnS и др.
- Нитриды: TiN, AlN, Nb(C,N) и др.
- Фосфиды: Fe3P, Fe2P.
Неметаллические включения могут сильно влиять механические
свойства (пластичность, вязкость разрушения) сталей.

16. Влияние размеров оксидов на ударную вязкость стали

17. Неметаллические включения в стали 10кп

18. Максимально допустимое содержание кислорода и размеров неметаллических включений в сталях

Назначение стали
Макс. содерж. О, %
Макс. диаметр НВ, мкм
Магистральные трубопроводы
0,003
100
Судостроение, бур. платформы
0,002
200
Рельсы
0,002
500
Для глубокой вытяжки
0,002
20
Шарикоподшипники
0,001
15
Корпуса реакторов
0,0025
НД

19. Схемы микроструктуры чугуна с различной формой графита

20. Микроструктура серого чугуна

21. Микроструктура ковкого чугуна

22. Микроструктура высокопрочного чугуна

23. Микроструктура чугуна с вермикулярным графитом

24. Заключение

Таким образом, структура доэвтектоидных (С < 0,8%) сталей при комнатной температуре
состоит из феррита, выделившегося в интервале температур Аr3–Аr1 (линии GS и РS), и
перлита, образовавшегося при 727 °С.
Сталь с содержанием углерода 0,8 %, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной
сталью. Перлит чаще всего имеет пластичное строение. Увеличение содержания углерода
повышает твердость, прочность, но снижает пластичность сплава.
Структура заэвтектоидной стали (С > 0,8%) формируется интервале температур Аrст – Аr1
(линии SE и SK). Из аустенита выделяется цементит вторичный, который, как правило,
располагается по границам зёрен. При 727 °С концентрация углерода в аустените будет
соответствовать 0,8 % и он распадается с образованием перлита.
Сплав железа с углеродом (> 2,14% С) называется чугуном. Присутствие эвтектики в структуре
чугуна обуславливает его использование исключительно в качестве литейного сплава.
Углерод в чугуне может находиться в виде цемента или графита. Цементит придает излому
специфический белый светлый блеск, поэтому чугун называется белым. Графит придает
излому чугуна серый цвет. В зависимости от формы графита и условий его образования
различают следующие группы чугунов: серый с пластинчатым графитом, высокопрочный с
шаровидным графитом, ковкий с хлопьевидным графитом и чугун с вермикулярным
графитом.