Зависимости между структурой и свойствами углеродистых сталей и чугунов

Вопросы по теории на тему «Изучение зависимости между структурой и свойствами углеродистых сталей и чугунов» по предмету Материаловедение в МГТУ им. Баумана.

1. Какие фазы содержатся в сплавах железа с углеродом, какова кристаллическая структура и свойства этих фаз?

Фазы в сплавах железа с углеродом представляют собой жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Феррит — мягкая, пластичная фаза со следующими механическими свойствами: σ_в =300МПа; δ=40%; Ψ=70%; КСU = 2,5 МДж/м²; НВ 800-1000.
Аустенит — твердый раствор внедрения углерода в Fe_γ. Имеет ГЦК решетку. Аустенит пластичен, но прочнее феррита (НВ 1600-2000).
Цементит — карбид железа Fe₃C. Содержит 6,69 %С и имеет сложную ром­бическую решетку. При нормальных условиях цементит тверд (НВ 8000) и хру­пок.
Графит — углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет гексагональную кристаллическую решетку. Графит электропроводен, химически стоек, малопро­чен, мягок.

2. Что представляет собой эвтектическое превращение в сплавах железа с углеродом?

При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит
Эвтектическое превращение на линии ECF (1147°C): Ж_C -> [А_Е + Ц] — 4,3% C;

3. Что представляет собой эвтектоидное превращение в сплавах железа с углеродом?

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С): A_S -> [Ф_Р + Ц]. Феррит + цементит – Перлит – 0,8% C.

4. Каким образом появляется цементит в сплавах железа с углеродом? Укажите все пути образования цементита.

При изотермическом превращении:
Эвтектическое превращение: Ледебурит — смесь Аустенита и Цементита
Эвтектоидное превращение: Перлит — смесь Феррита и Цементита

При охлаждении: при температуре 20-25°С ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита.

5. Что такое перлит, как он образуется, каковы его свойства.

Перлит — смесь двух фаз, образующихся при эвтектоидном превра­щении, в результате которого из аустенита выделяются феррит и цементит. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структур­ной составляющей: σ_в = 800-900 МПа; σ_0,2 = 450 МПа; δ≤16%; НВ 1800-2200.

6. Что представляет собой вторичный цементит, как он образуется, каким образом влияет на свойства сплавов железа с углеродом?

По мере уменьшения концентрации в твердом растворе α компонент В вы­ падает в виде твердого раствора β-состава. Выпадаю­щие кристаллы твердого раствора β называют вторичными и обозначают β_II; этим подчеркивают, что они выпали из твердого раствора, а не из жидкого.

Образуется в заэвтектоидной стали. Выделение из аустенита вторичного цементита предшествует эвтектоидному превраще­нию в этих сталях в интервале темпера­тур точек 3—4. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные обо­лочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой.

7. Чем стали отличаются от чугунов? Какие структурные составляющие в до- и заэвтектоидных сталях и в доэвтектических белых чугунах?

Стали отличаются от чугунов большим процентным содержанием углерода. Железоуглеродистые сплавы с со­держанием углерода более 2,14% называют чугунами. Сталь более прочна и тверда, чугун более хрупок, обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью.

Диаграмма делится на области по содержанию углерода: 0–2,14% – сталь (0–0,8% – доэвтектоидная сталь, 0,8–2,14% – заэвтектоидная сталь); 2,14–6,67% – чугун (2,14–4,3% – доэвтектический чугун, 4,3–6,67% – заэвтектический чугун).

8. Какие чугуны являются белыми? Чем характеризуются свойства этих чугунов, как они практически используются?

В сплавах с со­держанием углерода более 2,14% при кристаллизации происходит эвтектиче­ское превращение. Такие сплавы называют белыми чугунами. Чугун обладает высокими литейными свойствами, достаточной прочностью, износостойкостью, а также от­носительной дешевизной. Их используют для производ­ства качественных отливок сложной формы при отсутствии жестких требова­ний к габаритам и массе деталей.

9. Какие чугуны являются серыми? Чем они отличаются от белых чугунов? Какие структурные составляющие содержатся в серых чугунах? В чем состоят преимущества и недостатки серых чугунов? Как маркируют серые чугуны? Как их используют?

Серыми называют чу­гуны с пластинчатой формой графита. По химическому составу серые чу­гуны разделяют на обычные (нелегиро­ванные) и легированные. Обычные серые чугуны-сплавы сложного соста­ва, содержащие основные элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. Содержание этих примесей в серых чугунах колеблется в следующих пределах: 2,2-3,7% С; 1-3% Si; 0,2-1,1% Mn; 0,02-0,3% Р и 0,02-0,15% S.

Структурная диаграмма чугунов в зависимости от содержания кремния и углерода.

I — белый чугун; II — половинчатый чугун; III, IIIа, IIIб — серый перлитный (перлит + графит), ферритно-перлитный (феррит + перлит + графит) и ферритный (феррит + графит) чугун соответственно.

Серый чугун плохо сопро­тивляется растяжению, имеет низкие прочность и пластичность. Марка серого чугуна состоит из букв СЧ и цифры, показывающей значение временного сопротивления при растяжении. Чугун целесообразнее использовать для деталей, работающих на сжа­тие.

10. Что представляет собой графитизация чугунов, от каких факторов она зависит? Какой может быть структура металлической основы серых чугунов и как получить желаемую структуру?

На графитизацию чугунов влияют содержащиеся в них элементы: Fe-C-Si и постоянные примеси: Mn, Р и S. В небольших количествах в обычных серых чугунах может содержаться Сг, Ni и Сu. Степень графитизации в чугуне возрастает с увеличением со­ держания углерода и кремния. Элементами, затрудняющими графитизацию (отбели­вающими), являются марганец, сера, хром.

Основные элементы, которыми регулируют структуру металлической основы серого чугуна — углерод и крем­ний. Кроме химического состава, структу­ра чугуна и его свойства зависят от тех­нологических факторов, например скорости охлаждения.

11. От каких факторов зависит прочность серых чугунов? Как влияют графитные включения на механические свойства серых чугунов?

Ухудшая механические свойства, гра­фит в то же время придает чугуну ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при обработке резанием, оказывает смазывающее действие и, следователь­но, повышает износостойкость чугуна, придает ему демпфирующую способ­ность. Кроме того, пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность чугуна к дефектам поверхности.

Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической ос­новы и, главным образом, количества, формы и размеров графитных включе­ний. Прочность, твердость и износостойкость чугунов растут с увеличением количества перлита в металлической ос­нове. Решающее влияние графита обусловлено тем, что его пластинки, прочность которых ничтожно мала, дей­ ствуют как надрезы или трещины.

12. Какую форму графита содержат высокопрочные чугуны? Как обычный чугун сделать высокопрочным? Какую структуру имеет металлическая основа этого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки высокопрочных чугунов? Как маркируют высокопрочные чугуны? Как их используют?

Высоко­ прочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием магнием, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02-0,08%. По структуре ме­таллической основы высокопрочный чу­гун может быть ферритным или пер­литным.

Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой про­чностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности и относительному удлинению (ВЧ + цифра).

Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники. Из них изгото­вляют оборудование прокатных станов, корпуса паровой турбины, коленчатые валы, поршни и мно­гие другие ответственные детали, рабо­тающие при высоких циклических на­ грузках и в условиях изнашивания.

13. Какие чугуны являются ковкими? Какую форму графита содержат ковкие чугуны? Как формируется структура ковкого чугуна? Как происходит графитизация при отжиге белого чугуна? В чем состоят преимущества и недостатки ковких чугунов? Как маркируют ковкие чугуны? Как их используют?

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопье­видную форму. По структуре металлической основы, которая определяется режимом отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными.

В процессе продолжительной (10-15 ч) выдержки при температуре несколько ниже эвтектической — 950 — 1000 °С происходит первая ста­дия графитизации. Затем температуру медленно снижают. При этом происходит промежуточная стадия графитизации. Вторая стадия графитизации протекает или при весьма медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при длитель­ной выдержке (25-30 ч) несколько ниже температуры эвтектоидного превраще­ния (720-740 °С).

В результате такого отжига продолжи­тельностью 70-80 ч весь углерод выде­ляется в свободном состоянии и форми­руется структура, состоящая из феррита и углерода отжига.

От­ сутствие литейных напряжений, которые полностью снимаются во время отжига, компактная форма и изолированность графитных включений обусловливают высокие механические свойства ковких чугунов. Недостаток ковких чугунов — повы­шенная стоимость. Маркировка: КЧ + цифра (σ_в — δ)

14. Чем объясняется различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна?

Различие механических свойств серого, высокопрочного и ковкого чугуна объясняются структурой металлической основы, количеством, формой и размером графитных включе­ний.