2.6. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния

Свойства сплавов зависят от взаимодействия компонентов, т. е. от того, какая структура в них получается. Диаграммы состояния характеризуют взаимо­действие компонентов и пока­зывают, какая структура образуется в зависимости от со­става сплава. Следовательно, существует связь между свой­ствами и диаграммами состояний. При этом необходимо знать, что в связи с большим многообразием диаграмм состояния они были классифицированы:

– на диаграмму состояния сплавов (I рода), компоненты которой образуют механическую смесь (рис. .., а);

– диаграмму состояния сплавов (II рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях (рис. …, б);

– диаграмму состояния сплавов (III рода), компоненты которой неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно – в твердом  (рис. …, в);

– диаграмму состояния сплавов (IV рода), компоненты которой в твердом виде образуют устойчивые химические соединения (рис. …, г).

Рис.. Зависимость между диаграммами состояния сплавов и их свойст­вами

Зависимость между составом, структурой и характером диаграмм состояния впервые установил академик И. С. Курнаков. Построенные им диаграммы состав – свойство широко используются на практике. Твердость (НВ), электрические и другие физические характеристики сплавов, затвердевающих согласно диаграмме состояния, компоненты  которых не растворимы в твердом состоянии, изменяются по закону прямой линии (рис. …., а). Если в сплавах образуется непрерывный ряд твердых растворов, то свойства изменяются по криволинейной зависимости  (рис. …, б). В системе сплавов с ограниченной растворимостью компонентов и в случае образования химического соединения свойства изменяются в соответствии с принадлежностью той или иной части диаграммы к первому или второму типу (рис. …, в и г).

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Железоуглеродистые сплавы — стали и чугуны — наиболее важные металлические сплавы современной техники. Достаточно сказать, что производство стали и чугуна по объему намного пре­восходит производство всех других металлов вместе взятых.

Максимальное содержание углерода в сплавах с железом составляет 6,67%. Это значение соответствует содержанию угле­рода в карбиде железа Fe₃C (цементит), который и будем рассмат­ривать дальше как самостоятельный компонент. Диаграмма со­стояния железоуглеродистых сплавов Fe-C (рис. 5.23) включает все сплавы (сталь, чугун), имеющие практическое значение, и может быть представлена в системе железо-углерод (пунктирные линии) или железо-цементит (сплошные линии).

Рассмотрим диаграмму состояния системы железо — цемен­тит (сплошные линии).

Железо — металл серебристо-белого цвета, обладающий очень высокой пластичностью (относительное удлинение состав­ляет около 50%) при невысокой прочности (180-250) МПа. Тем­пература плавления железа 1539°С. В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях — Ре_о(объемноцентри-рованный куб) и Fe (гранецентрированный куб).

Цементит — это химическое соединение Fe_}C (карбид желе­за). Кристаллическая решетка цементита очень сложна. Темпе­ратура плавления цементита около 1250°С. Аллотропических пре­вращений цементит не испытывает, но при низких температурах он слабо магнитен. Он имеет очень высокую твердость, соизме­римую с твердостью алмаза (НВ > 800), при этом его пластич­ность близка к нулю. Цементит — соединение неустойчивое и при высоких температурах распадается с образованием свобод­ного углерода в виде графита.

Помимо основных компонентов в структуре железоуглеро­дистых сплавов можно обнаружить следующие структурные со­ставляющие:

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в а-железо. Он обладает сравнительно невысокой твердостью НВ (65-130), пластичен (5 = 40%), сильно магнитен, хорошо проводит тепло, обладает хорошей электропроводностью.

Растворимость углерода в феррите очень мала и составляет при температуре 727°С всего 0,025%, при комнатной температу­ре она много ниже и составляет 0,006%.Твердый раствор углеро­да в 8-железе носит название 5-феррит или высокотемператур­ный феррит.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода в у-железе, имеет решетку гранецентрированного куба. Аустенит не магнитен, об­ладает относительно невысокой твердостью НВ (170-200). Мак­симальная растворимость углерода 2,14% при температуре 1147°С. При температуре 727°С растворимость углерода состав­ляет 0,83%.

Перлит (П) — механическая смесь, состоящая из очень тон­ких пластинок или зерен цементита и феррита. Образуется в ре­зультате распада аустенита при температуре 727*С. Содержание углерода в перлите 0,83%. Поскольку превращение аустенита в пер­лит происходит в твердом состоянии, эта смесь называется эвтектоид (а не эвтектика, которая образуется при первичной кристал­лизации). Элементарная кристаллическая ячейка перлита представ­ляет собой композицию двух решеток — феррита и цементита, объединенных общими связями, поэтому свойства перлита будут представлять некую величину, лежащую между свойствами фер­рита и цементита. Так, твердость по Бринелю составляет около 250 НВ, относительное удлинение 5 = 12-15%.

Ледебурит — механическая смесь (эвтектика), образован­ная цементитом и аустенитом, содержащая 4,3% при температу­ре 727°С. В интервале температур от 1147 до 727°С ледебурит со­стоит из аустенита и цементита, при температуре 727°С аустенит превращается в перлит. Ледебурит характеризуется высокой твер­достью (НВ = 700 МПа) и, следовательно, высокой прочностью, но в то же время пластичность его близка к нулю.

Точка А на диаграмме (….) показывает темпе­ратуру плавления чистого железа, точка D — температуру плав­ления цементита. Процесс кристаллизации расплава начинается по линии ABCD (линия ликвидус) и заканчивается на линии AHJECF (линия солидус). В температурном интервале кристал­лизации существуют одновременно две фазы — жидкий расплав и кристаллы избыточного компонента по отношению к составу эвтектики.

Ниже линии солидус в затвердевших сплавах при понижении температуры происходят дальнейшие изменения структуры. Это связано с аллотропическими превращениями железа и называет­ся вторичной кристаллизацией. Сплавы с содержанием углерода до 2,14% в области IV состоят из одного аустенита. При охлажде­нии сплава на линии GS начинается образование феррита, а на линии SE — вторичного цементита. Остающийся при этом аусте­нит при температуре 727°С полностью распадается на феррит и цементит, образуя при этом механическую смесь эвтектоидного состава (перлит).

Таким образом, сплавы с содержанием углерода до 0,83% называются доэвтектоидными и состоят при нормальной темпе­ратуре из феррита и перлита. Сплавы с содержанием углерода 0,83% называются эвтектоидными и состоят из перлита. Если кон­центрация углерода находится в пределах 0,83%-2,14%, сплав называют заэвтектоидным, и его состав — перлит и цементит вто­ричный.

Рассмотрим превращения в сплавах с содержанием углерода более 2,14%. В точке С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита с образованием сплава эвтектического со­става— ледебурита. При содержании углерода (2,14-4,3)% сплав называют доэвтектическим, и он состоит из цементита вторично­го, аустенита и ледебурита. При содержании углерода (4,3-6,67)% сплав называется заэвтектическим и состоит из цементита и леде­бурита. Сплав с содержанием углерода до 2,14% называется сталь, а больше 2,14% —чугун.

Сольвус. В диаграмме состояния, положение точек, представляющих температуру, при которой твердые фазы с переменным химическим составом сосуществуют с другими твердыми фазами, то есть показывающие пределы растворимости в твердом состоянии

Чугуны по содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% уг­лерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и PSK (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит. превращается в перлит, а доэвтектические чу­гуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением коли­чества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увели­чивается — ледебурита.

Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в ко­личестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной темпе­ратуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектиче­ский чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.

Заэвтектическими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристал­лов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшая­ся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтек­тические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрас­тает и содержание цементита.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Стали классифицируются по следующим признакам:

1. По химическому составу: 1 — углеродистые; 2 — легированные.

Углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,3%; среднеуглеродистые (0,3-0,65) С% и высокоуглеродистые с содержанием углерода от 0,7 до 1,4%.

Легированные стали — стали, в состав которых входят различ­ные элементы, придающие сталям требуемые свойства. Сущность процесса легирования заключается во введении в сплав компонен­тов, которые изменяют структуру сплава и, следовательно, придают ему требуемые свойства. В зависимости от количества легиру­ющих компонентов в сплаве различают:

— низколегированные стали — до 5% легирующих компонен­тов; среднелегированные стали — 5-10% легирующих ком­понентов; высоколегированные стали с содержанием леги­рующих компонентов более 10%. Марка легированной качественной стали в России состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3 %) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть до 0.010 %). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Например: сталь 1X18Н9Т содержит 0,01 % углерода, 18% хрома, 9% никеля и около 1% титана

По назначению — стали подразделяются на конструкци­онные и инструментальные. Конструкционные стали должны обладать запасом пластично­сти, так как большинство строительных конструкций работает в области нестатических нагрузок, а в этом случае пластические ха­рактеристики должны быть на высоком уровне. В отличие от конструкционных инструментальные стали дол­жны быть твердыми и прочными. В качестве инструментальных сталей, как правило, применяют высокоуглеродистые или специ­альные легированные стали.

В России и в странах СНГ принята разработанная раннее в СССР буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов, где согласно ГОСТу, буквами условно обозначаются названия элементов и способов выплавки стали, а цифрами - содержание элементов. Буквенные обозначения применяются также для указания способа раскисления стали "КП - кипящая сталь, ПС - полуспокойная сталь, СП - спокойная сталь".

Существуют определенные особенности обозначения для разных групп сталей конструкционных, строительных, инструментальных, нержавеющих и др. Общими для всех обозначениями являются буквенные обозначения легирующих элементов: Н - никель, Х - хром, К - кобальт, М - молибден, В - вольфрам, Т - титан, Д - медь, Г - марганец, С - кремний. Конструкционные стали обыкновенного качества нелегированные (ГОСТ 380-94) обозначают буквами СТ., например СТ. 3. Цифра стоящая после букв, условно обозначает, процентное содержание углерода стали. Конструкционные нелегированные качественные стали (ГОСТ 1050-88) обозначают двузначным числом, указывающим на среднее содержание углерода в стали (например, СТ. 10). Качественные стали для производства котлов и сосудов высокого давления согласно (ГОСТ 5520-79) обозначают как конструкционные нелегированные стали, но с добавлением буквы К (например, 20К). Конструкционные легированные стали, согласно ГОСТ 4543-71, обозначают буквами и цифрами. Цифры после каждой буквы обозначают примерное содержание соответствующего элемента, однако при содержании легирующего элемента менее 1,5% цифра после соответствующей буквы не ставится. Качественные дополнительные показатели пониженное содержание примесей типа серы и фосфата обозначаются буквой - А или Ш, в конце обозначения, например (12 Х НЗА, 18ХГ-Ш) и т. п. Литейные конструкционные стали, согласно ГОСТ 977-88, обозначаются как качественные и легированные, но в конце наименования ставят букву Л. Стали строительные, согласно ГОСТ 27772-88, обозначают буквой С и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Дополнительно применяют обозначения: Т - термоупрочненный прокат, К - повышенная коррозионная стойкость, (например, С 345 Т, С 390 К и т. п.). Аналогично буквой Д обозначают повышенное содержание меди. Стали подшипниковые, согласно ГОСТ 801-78, обозначаются также как и легированные, но с буквой Ш в конце наименования. Следует заметить, что для сталей электрошлакового переплава буква Ш обозначается через тире, (например, ШХ 15, ШХ4-Ш). Стали инструментальные нелегированные, согласно ГОСТ 1435-90 делят на качественные, обозначаемые буквой У и цифрой, указывающей среднее содержание углерода (например, У7, У8, У10) и высококачественные, обозначаемые дополнительной буквой А в конце наименования (например, У8А) или дополнительной буквой Г, указывающей на дополнительное увеличение содержания марганца (например, У8ГА). Стали инструментальные легированные, согласно ГОСТ 5950-73, обозначаются также как и конструкционные легированные (например, 4Х2В5МФ и т. п.). Стали быстрорежущие в своем обозначении имеют букву Р (с этого начинается обозначение стали), затем следует цифра, указывающая среднее содержание вольфрама, а затем буквы и цифры, определяющие массовое содержание элементов. Не указывают содержание хрома, т. к. оно составляет стабильно около 4% во всех быстрорежущих сталях и углерода, т. к. последнее всегда пропорционально содержанию ванадия. Следует заметить, что если содержание ванадия превышает 2,5%, буква Ф и цифра указываются, (например, стали Р6М5 и Р6 М5Ф3). Стали нержавеющие стандартные, согласно ГОСТ 5632-72, маркируют буквами и цифрами по принципу, принятому для конструкционных легированных сталей (например, 08Х18Н10Т или 16Х18Н12С4ТЮЛ). Стали нержавеющие, нестандартные опытных партий обозначают буквами - индексами завода производителя и порядковыми номерами. Буквы ЭИ, ЭП, или ЭК присваивают сталям, впервые выплавленным заводом "Электросталь", ЧС - сталям выплавки Челябинского завода "Мечел", ДИ - сталям выплавки завода "Днепроспецсталь", например, ЭИ-435, ЧС-43 и др. Для обозначения способа выплавки доводки названия ряда сталей дополняют буквами (например, 13Х18Н10-ВИ), что означает вакуумно-индукционная выплавка.