Типы сооружений для обработки осадков: Септиками называются сооружения, в которых одновременно происходят осветление сточной жидкости...
Состав сооружений: решетки и песколовки: Решетки – это первое устройство в схеме очистных сооружений. Они представляют...
Топ:
Характеристика АТП и сварочно-жестяницкого участка: Транспорт в настоящее время является одной из важнейших отраслей народного...
Основы обеспечения единства измерений: Обеспечение единства измерений - деятельность метрологических служб, направленная на достижение...
Интересное:
Что нужно делать при лейкемии: Прежде всего, необходимо выяснить, не страдаете ли вы каким-либо душевным недугом...
Подходы к решению темы фильма: Существует три основных типа исторического фильма, имеющих между собой много общего...
Отражение на счетах бухгалтерского учета процесса приобретения: Процесс заготовления представляет систему экономических событий, включающих приобретение организацией у поставщиков сырья...
Дисциплины:
2018-01-14 | 228 |
5.00
из
|
Заказать работу |
|
|
Структура и свойства важнейших для техники сплавов железа и углерода, к которым относятся стали и чугуны, определяются в основном свойствами этих компонентов. На свойства стали и чугуна оказывают также влияние всегда присутствующие в них кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы — кислород, азот, водород и др. Однако условно сплавы Fе — С относят к двухкомпонентным, так как наличие указанных примесей не оказывает существенного влияния на положение критических точек и характер линий диаграммы состояния Fе—С. Эта диаграмма, являющаяся сложным сочетанием диаграмм I, III, IV типов, дает возможность видеть все изменения строения сплавов в зависимости от изменения температуры и концентрации компонентов, которые образуют разные структуры.
В твердом состоянии железо существует в двух аллотропных формах — α и γ. Обе модификации железа растворяют углерод, образуя твердые растворы внедрения. Углерод в сплавах с железом присутствует либо в виде графита, либо в качестве химического соединения Fе3С (данный карбид железа в сплавах носит название «цементит»). В определенных условиях химическое соединение (цементит) может не образовываться, что зависит от содержания примесей (Si, Мn и др.), а также от скорости охлаждения слитков или отливок. Тогда углерод выделяется в сплавах в виде графита. Таким образом, ординаты диаграммы соответствуют чистым компонентам сплава (железо и цементит), а между ними располагаются точки, соответствующие разным комбинациям в сплаве железа с углеродом от 0 до 6,67 %. При этом в сплавах могут образовываться следующие структурные составляющие: феррит, аустенит, цементит, перлит, ледебурит и др.
|
Феррит — твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Это почти чистое железо, так как растворимость углерода в железе чрезвычайно мала (0,006...0,03 %). Феррит устойчив до температуры 911°С, имеет очень небольшие твердость и прочность, но высокую пластичность, поэтому хорошо деформируется в холодном состоянии (штампуется, прокатывается, протягивается). Чем больше феррита в железоуглеродистом сплаве, тем сплав пластичнее.
Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в γ -железе. Предельная растворимость углерода в железе — 2,14 %. Характерная особенность аустенита в том, что он может существовать в железоуглеродистых сплавах только при высоких температурах (от 1539 до 727°С). Аустенит по пластичности соизмерим с ферритом, но по твердости превосходит его примерно в 2 раза.
Цементит — химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fе3С), имеющее сложную кристаллическую решетку. Температура плавления цементита около 1600 °С. Содержание углерода в цементите составляет 6,67 %, и это самая твердая и хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. Цементит имеет высокую твердость и не обладает пластичностью. Чем больше цементита в железоуглеродистых сплавах, тем они тверже и более хрупки.
При определенных условиях цементит может распадаться на феррит и свободный углерод (графит).
Перлит — механическая смесь феррита и цементита, подразделяется на пластинчатый и зернистый в зависимости от формы кристаллов цементита, имеющих вид соответственно либо пластинок, либо округлых мелких зерен. Такую смесь называют эвтектоидной, так как она хотя и подобна эвтектической, но образовалась в отличие от нее не при кристаллизации, а в процессе распада твердого раствора.
По механическим свойствам перлит занимает промежуточное положение между ферритом и цементитом. При травлении шлифов сталей и чугунов с большим содержанием перлита в структуре их поверхность имеет вид перламутра, что и явилось основанием для его названия.
|
Рис.7.1. упрощённая диаграмма состояния сплавов железо—углерод (цементит)
ACD – линия ликвидуса; AECF – линия солидуса; GSE и PSK - линии перехода α-железа в γ-железо при нагреве; QPG – область однофазной ферритной структуры
Ледебурит — эвтектическая смесь аустенита и цементита. Температура образования ледебурита 1147°С. Он может существовать до температуры 727°С, ниже этой температуры аустенит распадается на перлит и цементит.
Диаграмма состояния сплавов Fе —С в диапазоне концентраций от чистого железа до цементита представлена на рис. 7.1. По вертикальной оси диаграммы отложены значения температуры, а по горизонтали — процентное содержание углерода в сплавах. Обычно указываются две шкалы: одна — доля углерода от 0 до 6,67 %, где 6,67 — наибольшее содержание углерода, соответствующее его содержанию в цементите (Fе3С), а другая — содержание Fе3С в сплаве (от 0 до 100 %).
Все сплавы на диаграмме в зависимости от содержания углерода подразделяют на две группы: сплавы с 0...2,14% С образуют класс ковких железоуглеродистых сплавов — стали, а сплавы с 2,14...6,67 % С имеют более хрупкую структуру и образуют группу чугунов. Сплавы с еще большим содержанием углерода (выше 6,67 %) практического применения не находят из-за высокой хрупкости и малой прочности.
Линии диаграммы определяют превращения в структуре и свойствах сплавов, происходящие при изменении температуры. Чистое железо плавится и затвердевает при постоянной температуре 1539°С, все остальные сплавы железа с углеродом плавятся (затвердевают) и испытывают превращения структуры в некотором интервале температур.
Рассматривая эти превращения, можно выделить два их типа: превращение структуры сплавов при переходе из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация) и превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).
Первичная кристаллизация для всех сплавов начинается при снижении температуры по линии ликвидуса АСD (см. рис. 7.1). При этом сплавы, содержащие 0...4,3 % С, начинают затвердевать по линии АС с выделением зерен аустенита, а сплавы с содержанием углерода выше 4,3 % затвердевают по линии CD выделяя зерна цементита, называемого первичным. В точке С при температуре 1147°С и содержании 4,3 % углерода из жидкого сплава кристаллизуется одновременно аустенит и первичный цементит, образуется эвтектическая смесь — ледебурит, который присутствует во всех сплавах, относящихся к чугунам.
|
Кристаллизация сплавов заканчивается по линии солидуса АЕСF. При температурах, соответствующих линии АЕ, сплавы с содержанием углерода до 2,14 % полностью затвердевают со структурой аустенита. По линии солидуса ЕС заканчивается затвердевание сплавов, содержащих 2,14...4,3 % углерода. В точке С при температуре 1147°С и 4,3 % С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита в виде тонкой механической смеси — ледебурита. Но поскольку при более высоких температурах из жидкого сплава шло выделение аустенита, в этих сплавах после затвердевания сформируется структура аустенит + ледебурит + Fе3С вторичный. По линии солидуса СF сплавы с содержанием углерода 4,3...б,67 % затвердевают также с образованием ледебурита, но выделившийся при более высоких температурах цементит создает окончательную структуру первичный цементит + ледебурит.
Дальнейшие изменения структуры сплавов происходят при понижении температуры в твердом состоянии, т. е. при вторичной кристаллизации.
Вторичная кристаллизация в сплаве железо—углерод связана с аллотропным превращением γ -железа в α -железо и характеризуется линиями диаграммы GSEF и РSК.
Линия СS показывает начало превращения аустенита в феррит, поэтому в области СSР будет структура аустенит + феррит. Критические точки, лежащие на линии GS, обозначаются либо Ас3 при нагреве, либо Аr3 при охлаждении
.Линия SЕ показывает снижение растворимости углерода в железе с понижением температуры. Критические точки на этой линии обозначают Аст. Если в точке E при температуре 1147°С растворимость углерода максимальная и достигает 2,14 %, то в точке S при 727°С растворимость углерода составляет всего 0,8 %. Следовательно, во всех сталях в интервале концентраций углерода 0,8...2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод, который, соединяясь с железом, образует цементит, называемый вторичным, а сталь имеет структуру аустенит + цементит вторичный.
Точка S является концом равновесного существования аустенита и называется эвтектоидной точкой. Она делит все стали на две типичные группы: левее точки S находятся доэвтектоидные стали со структурой феррит + перлит, правее — заэвтектоидные со структурой цементит вторичный + перлит. В точке S сталь содержит 0,8 % углерода, имеет структуру перлита и называется эвтектоидной (рис. 7.2)
|
При охлаждении аустенита с низким содержанием углерода в результате его превращения в феррит в области QPG образуется однофазная ферритная структура.
Для всех сплавов железо — углерод распад аустенита заканчивается по линии РSK (727 °С). Критические точки, лежащие на этой линии, обозначаются при нагреве — Ас1, при охлаждении — Ar1.
При температурах выше линии РSК чугуны с содержанием углерода 2,14... 4,3 % состоят из аустенита, вторичного цементита и ледебурита, а при температурах ниже линии РSК аустенит переходит в перлит, и структура чугунов будет содержать перлит + цементит вторичный + ледебурит. Чугуны с указанным содержанием углерода образуют группу доэвтектических чугунов.
Рис. 7.2. Микроструктура стали (а, б, в) и белого чугуна (г, д, е)
а – доэвтектоидная сталь – феррит (светлые участки, × 500; б—эвтектоидная сталь – перлит, ×1000; в – заэвтектоидная сталь – перлит и цементит в виде сетки, × 2000; г – доэвтектический чугун – перлит (тёмные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), × 500; д – эвтектический чугун – ледебурит (смесь аустенита и цементита), × 500; е – эвтектический чугун –цементит (светлые пластины), × 500
Чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим. В заэвтектических чугунах с содержанием 4,3...6,6 7% С при температурах выше линии РSК образуется структура, содержащая ледебурит и первичный цементит. При температурах ниже линии РSК этаструктура сохраняется (см. рис. 7.2, г, д, е).
Итак, рассматривая превращения в железоуглеродистых сплавах по диаграмме состояния, можно отметить следующие особенности:
• точки С и S (см. рис. 7.1) являются характерными точками структурных превращений. Выше точки С находится жидкий раствор, а выше точки S — твердый раствор (аустенит);
• в точке С сходятся линии ликвидуса АС и СD, указывающие соответственно на начало выделения кристаллов аустенита и первичного цементита из жидкого раствора (процесс первичной кристаллизации); в этой точке образуется эвтектическая механическая смесь — ледебурит;
• в точке S сходятся ветви линии солидуса GS и ЕS, указывающие на начало выделения кристаллов феррита и вторичного цементита из твердого раствора (процесс вторичной кристаллизации) и образование эвтектоидной механической смеси — перлита.
|
Вопросы для повторения и закрепления:
1. Что называется первичной кристаллизацией?
2. Каково значение для сплавов имеют линии «солидус» и «ликвидус»?
3. К какой фазе относится цементит и какими свойствами он обладает?
ЧУГУН
Классификация и маркировка
Чугуном называют сплавы железа с углеродом с содержанием более 2 % С, точнее — более 2,14 % С (точка Е на диаграмме Fе — Fе3С, см. рис. 7.1).
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают: белый чугун, в котором практически весь углерод связан в цементит;
серый чугун, в котором практически весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита, но количество связанного углерода равно или меньше эвтектоидного; форма графита пластинчатая (рис. 8.1, а);
высокопрочный чугун, то же, что серый чугун, но форма графита шаровидная (рис. 8.1, б);
ковкий чугун, то же, что серый чугун, но форма графита хлопьевидная (рис. 8.1, в).
Рис. 8.1. Микроструктура чугунов с различной формой графита
а – пластинчатая форма графита (серый чугун); б – шаровидная (высокопрочный чугун); в – хлопьевидная (ковкий чугун);
шлифы нетравленые (× 100)
Маркировка серых чугунов. Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрами, характеризующими прочность чугуна. Например, чугун марки СЧ20 имеет предел прочности ав == 196 МПа (20 кгс/мм2).
Для получения чугуна стандартных марок регулируют химический состав, условия охлаждения и другие факторы. Отливки изсерого чугуна широко применяют в машиностроении: для станин металлорежущих станков, маховиков, корпусов, поршневых колец, головок блоков двигателей, поршней, гильз автомобильных и
тракторных двигателей, рам и других деталей.
Чугуны с шаровидным графитом (высокопрочные чугуны).
Для получения графита в виде шаровидных включений (рис. 8.1 б) в ковш с жидким чугуном вводят металлический магний в так называемых испарителях, т. е. в металлических или графитовых коробках с отверстиями. Для получения шаровидного графита содержание магния в чугуне должно быть 0,03—0,07 %.
Структура металлической основы чугунов с шаровидным графитом такая же, как и в обычном сером чугуне.
Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ, затем ставят два числа: ВЧ38—17; ВЧ42--12; ВЧ45—5; ВЧ60—2; ВЧ80—3; ВЧ120—4. Первое число показывает предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение.
Так, чугун ВЧ38—17 характеризуется пределом прочности σВ > 372 МПА (38 кгс/мм2) и относительным удлинением δ═ 17 %..
Чугуны, модифицированные магнием, имеют более высокие механические свойства, чем обычный серый чугун, и приближаются по, свойствам к стали. Чугуны с шаровидным графитом применяют для самых ответственных деталей, например коленчатых валов, кулачковых валиков и др.
Замена стальных деталей литыми из высокопрочного чугуна является экономически выгодной. Например, при подсчете экономической эффективности замены стального коленчатого вала дизеля чугунным оказалось, что заготовка литого коленчатого вала из высокопрочного чугуна в три раза легче заготовки из легированной стали. Общие затраты, на изготовление чугунного коленчатого вала в 3,5 раза меньше, чем на изготовление стального.
Ковкий чугун. Ковкий чугун получают в результате длительного отжига белого чугуна. При отжиге происходит распад цементита с образованием графита, т.е. процесс графитизации, и поэтому такой отжиг называют графитизирующим. Так как в данном случае графит получается при отжиге и имеет характерную хлопьевидную форму (см. рис. 8.1, в), то его часто называют углеродом отжига.
По составу белый чугун, подвергающийся отжигу на ковкий чугун, является доэвтектическим и имеет структуру ледебурит + цементит (вторичный) +перлит.
Для получения структуры феррит + углерод отжига в процессе отжига должен быть разложен цементит ледебурита, вторичный цементит и цементит эвтектоидный, т.е. входящий в перлит. Разложение цементита ледебурита и цементита вторичного (частично) происходит па первой стадии графитизации, которую проводят при температуре выше критической (950…10000С); разложение эвтектоидного цементита происходит на второй стадии графитизации, которую проводят путем выдержки при температуре ниже критической (740..7200С), или при медленном охлаждении и интервале критических температур (760-7200С).
Ферритный ковкий чугун представляет собой конструкционный материал—мягкий (НВ< 163), высокой пластичности (δ до 12 %) при удовлетворительной прочности (ав = 300—370 МПа).
В некоторых случаях, особенно для деталей, работающих на износ, требуется ковкий чугун со структурой перлит + феррит +углерод отжига или со структурой перлит + углерод отжига.
Для получения таких структур вторую стадию графитизации проводят не до конца и тогда получают часть перлита неразложившимся, или не проводят ее совсем, а из аустенитного состояния ведут охлаждение на воздухе; в этом случае перлит совсем не успевает разложиться.
Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ, означающими ковкий чугун, затем два числа: первое число показывает предел прочности при растяжении, второе — относительное удлинение: КЧЗ0—б, КЧ35—10, КЧ45—6, КЧ56—4, КЧ63—2 и др. Например, чугун КЧЗ0—6 обладает пределом прочности σв ═294 МПа (30 кгс/мм2) и относительным удлинением δ < 6 %.
Вопросы для повторения и закрепления:
1. Какая форма графита преобладает у ковкого чугуна?
2. Как маркируется высокопрочный чугун?
3. Что обозначают буквы и цифры, стоящие в маркировках чугунов?
4. Какие формы графита у высокопрочного и серого чугуна?
9. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
9.1 Классификация и обозначение
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов.
Сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, структуре и назначению.
По способу производства различают мартеновскую, бессемеровскую, томассовскую, кислородно-конвертерную, тигельную и электросталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую.
По химическому составу различают: стали углеродистые и легированные.
Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания ей тех или иных свойств.
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами — специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цементируемые — от 0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой — от 0,3 до 0,5% С, пружинные — от 0,5 до 0,8% С, инструментальные — от 0,7 до 1,3% С.
|
|
Археология об основании Рима: Новые раскопки проясняют и такой острый дискуссионный вопрос, как дата самого возникновения Рима...
Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления...
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим...
Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ - конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой...
© cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста.
Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы!