3. Алюминиевые сплавы Название «алюминий» происходит от латинского слова alumen – так за 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.По распространенности в природе алюминий занимает третье

4. Титановые сплавы Титан – металл серебристо-белого цвета. Это один из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61 %) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см 3), тугоплавок

5. Цинковые сплавы Сплав цинка с медью – латунь – был известен еще древним грекам и египтянам. Но выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в.Цинк – металл светло-серо-голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200 °C, при нагревании до

Пар и железо В последние десятилетия XVIII века на заводах и фабриках Европы произошли большие изменения. Были изобретены паровая и другие машины для металлургических, машиностроительных и текстильных заводов и фабрик. Машинное производство вытесняло ручной труд. На

7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы.Сплавы меди с цинком,

10. Серебро и его сплавы Серебро – химический элемент, металл. Атомный номер 47, атомный вес 107,8. Плотность 10,5 г/см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Температура плавления 963 °C, кипения 2865 °C. Твердость по Бринеллю 16,7.Серебро – металл белого

11. Золото и его сплавы Золото – химический элемент, металл. Атомный номер 79, атомный вес 196,97, плотность 19,32 г/см3. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрировапная (ГЦК). Температура плавления 1063 °C, кипения 2970 °C. Твердость по Бринеллю – 18,5.Золото – металл желтого

Железо общее Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.В природной воде железо содержится в

27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими

47. Титан и его сплавы Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан,

; сплошные линия диаграмма Fe цементит.

В этой области за компоненты системы можно принять Fe и Fe 3 C карбид железа, или цементит. Металлич. основа Ж. с. при т-рах выше 727°С аустенит, представляющий собой твердый р-р внедрения углерода в высокотемпературной модификации железа g-Fe; переохлажденный аустенит обладает высокой ударной вязкостью, прочен. Р-римость углерода при 1147°С 2,14% по массе, при 727 °С 0,8% (линия ES диаграммы). При т-рах < 727°С основа Ж. с. - феррит, твердый р-р углерода в низкотемпературной модификации железа a-Fe; р-римость С при этих т-рах ок. 0,02% (линия PQ диаграммы); обладает низкой твердостью и относительно низкой прочностью. Цементит Fe 3 C обладает орторомбич. кристаллич. решеткой, элементарная ячейка к-рой содержит 12 атомов Fe и 4 атома С. Обладает высокой твердостью по Бринеллю (НВ ~ 7000 МПа), хрупок. При соединении с др. элементами образует твердые р-ры замещения - легир. цементит. В зависимости от условий образования различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации расплава, вторичный, образующийся из пересыщенного аустенита, и третичный, выделяющийся из пересыщенного феррита. Цементит - метастабильная фаза, к-рая при медленном охлаждении из расплава или при выдержке при т-ре 1050-1110 °С после затвердевания распадается на своб. углерод (графит) и Fe, происходит т. наз. графитизация. В расплавл. состоянии Fe и С взаимно растворимы. Линия ABCD диаграммы - линия ликвидуса системы Fe-C, выше к-рой все сплавы находятся в жидком состоянии, линия AHIECF - линия солидуса, ниже к-рой для сплавов заканчивается . При содержании С 4,3% в Ж. с. кристаллизуется эвтектич. смесь аустенита с цементитом, наз. ледебуритом; при содержании С 0,8% образуется эвтектоидная смесь феррита и цементита, наз. перлитом. В соответствии с диаграммой Ж. с., равновесно охлажденные до комнатной т-ры, содержат разл. структурные составляющие. Количеств. соотношение фаз для сплава любого состава при указанной т-ре определяют на диаграмме состояний Fe-C по правилу "рычага": проводят горизонталь, соединяющую две фазы при искомой т-ре, и по длинам противоположных фазам отрезков горизонтали, разделенной данным составом сплава, определяют количеств. соотношение фаз.
Чугуны. Содержат обычно более 2% углерода. Его содержание в чугуне обусловлено хим. процессами, происходящими в доменной (см. Печи ) при выплавке. Плавят чугун из шихты, содержащей окускованный рудный концентрат, в присут. (кокса) и флюсов (обычно СаСО 3 , MgCO 3). Снизу в доменную печь вдувают горячий , обогащенный кислородом. Образующиеся в печи СО 2 , Н 2 и твердый углерод последовательно восстанавливают содержащийся в руде Fe 2 O 3 до Fe 3 O 4 , FeO и железа. Т-ра в горне печи, где скапливается жидкий чугун, достигает 1400-1500 °С. Флюсы, взаимодействуя с рудными компонентами, образуют шлак, в к-рый уходят вредные примеси -S, Р, излишки Мп, пустая порода и нек-рые . В процессе доменной плавки из шихты в чугун переходят Mn, Si, Cr, Ni, P и др. элементы, из кокса - . Восстановит. доменной печи способствует интенсивному насыщению Fe углеродом (3Fe + 2CO: Fe 3 C + CO 2), в результате чего доменный чугун может содержать до 4,6% С. По назначению доменные чугуны разделяют на передельные и литейные. Передельные чугуны, содержащие С > 4%, переплавляют на сталь в конвертерах, мартеновских или электрич. печах. Литейные чугуны, содержащие 2,4-3,8% С, применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья. В зависимости от степени графитизации литейные чугуны подразделяют на белый, половинчатый и серый; в зависимости от формы включений графита - на чугун с пластинчатым, шаровидным, вермикулярным (изогнутые пластинки) и хлопьевидным графитом; в зависимости от характера металлич. основы - на перлитный, ферритный, ферритно-перлитный; в зависимости от назначения - на конструкционный и чугун со спец. св-вами; по хим. составу на легированный и нелегированный. В белом чугуне избыточный углерод, не находящийся в твердом р-ре Fe, присутствует в связанном состоянии в виде цементита или т. наз. спец. карбидов (в легир. чугунах). Кристаллизация белых чугунов происходит при быстром охлаждении с образованием цементита и перлита. Белый чугун обладает большой твердостью и хрупкостью. Тот же чугун, быстро охлажденный только с поверхности (отбеленный), используют для изготовления деталей, работающих в условиях повыш. абразивного износа. Для улучшения мех. св-в белого чугуна его подвергают графитизирующему отжигу, в результате чего цементит распадается, а образующийся графит приобретает форму хлопьев. Условия отжига: отливку выдерживают 10-12 ч при 1000°С, охлаждают до 700 °С и выдерживают 20-30 ч. На графитизацию положительно влияют легирующие элементы Si, Ni, Сu, Al, Ti, CO, отрицательно - Сr, Мn, Мо и W, к-рые способствуют устойчивости цементита. Получающийся чугун носит назв. ковкого, обладает лучшей демпфирующей способностью, чем сталь, и меньшей чувствительностью к надрезам, пригоден для работ при низких т-рах. Мех. св-ва ковкого чугуна определяются структурой металлич. основы, кол-вом и степенью компактности включений графита. Наиб. высокими св-вами обладает перлитный ковкий чугун (s раст ~600 МПа) при относит. удлинении d=3%); повыш. пластичностью - ферритный. Ковкий чугун применяется в осн. в автомобиле-, тракторo- и сельхозмашиностроении. В половинчатом чугуне, образующемся в результате неполной графитизации белого чугуна, углерод содержится в виде цементита и графита. Включения графита, приобретающие лепестковую или пластинчатую форму, являются концентраторами внутр. напряжений в металле. Обладает пониженной по отношению к белому чугуну твердостью и прочностью. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повыш. износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). Серый чугун содержит включения графита пластинчатой формы. В зависимости от характера металлич. основы подразделяется на перлитный, содержащий включения графита в перлите, ферритно-перлитный, с включениями графита на фоне участков своб. феррита и перлита, и ферритный, содержащий графитные включения на фоне своб. феррита. Наиб. высокой прочностью и твердостью (s изг = 320 МПа, НВ = 2000 МПа) обладает перлитный серый чугун; ферритно-перлитного чугуна s изг = 200-250 МПа, ферритного ~ 200 МПа. Перлитный серый чугун применяют для изготовления цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и др.; для менее ответств. деталей применяют ферритно-перлитный и ферритный чугун. Повышение мех. св-в серого чугуна достигается путем измельчения и сферодизации графитных включений. Для этого проводится модифицирование чугуна: в жидкий чугун перед разливкой вводят в порошковом виде модификатор, напр. Mg, Се, V, Са и др., частицы к-рых служат центрами графитизации и способствуют образованию графита в виде мелких глобул, имеющих шаровидную форму. Такой модифицированный, или высокопрочный, чугун обладает более высокими прочностными характеристиками (s изг = 1000 МПа, d = 4%), хорошими литейными и технол. св-вами (жидкотекучесть, линейная усадка, обрабатываемость резанием). Применяется для замены стальных кованых деталей (коленчатые валы двигателей, компрессоров и др.), деталей из ковкого или обычного серого чугуна, а также во мн. областях машиностроения. В пром-сти выплавляют также легир. чугуны со спец. физ.-хим. св-вами, напр., коррозионностойкие чугуны, легированные Ni и Сu; кислотоупорные и щелочеупорные, легированные Сr и Ni; жаростойкие, легированные Al, Si, Мо; антифрикционные, легированные Si, Mn, Сr и Сu. Получают обычно легир. чугуны спец. доводками в ковше, электропечах и вагранках (термич. обработка, добавление ферросплавов и др.).
Стали. Содержат менее 1,5-2% углерода. Осн. способы произ-ва стали кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный. Наиб. прогрессивные - кислородно-конвертерный и электросталеплавильный; объем мирового произ-ва стали, выплавленной этими способами, неуклонно растет. Кислородно-конвертерный способ позволяет выплавлять сталь широкого сортамента, использовать в шихте металлич. лом и сократить продолжительность плавки. Емкость для выплавки стали - конвертер представляет собой ретортообразный резервуар, футерованный доломитовыми и магнезитовыми материалами; оснащен поворотным механизмом, позволяющим разливать сталь. Конвертер через горловину заливают жидким чугуном, к-рый продувается сверху или через днище смесью кислорода с воздухом, прир. газом, нефтепродуктами. После загрузки шихты (железного лома, рудного концентрата, флюсов) в конвертер через горловину вдвигают водоохлаждаемую фурму и через нее на пов-сть расплава подается чистый . Происходит интенсивное Fe и обильное образование FeO, к-рый активно взаимод. с углеродом и примесями (Si, Mn, Р), окисляя их и восстанавливаясь в Fe Шихтовые материалы при мартеновской плавке - передельный чугун (в твердом или жидком состоянии), рудный концентрат, стальной лом (скрап); флюсы: при основном процессе - , при кислом - кварцевый песок. Тип процесса определяется качеством исходных материалов; руду, загрязненную Р, S, плавят в "основной" печи, футерованной магнезитовым или магнезитохромовым кирпичом, руду более высокого качества - в "кислой" печи, футерованной доломитовым кирпичом. Плавка стали из передельного чугуна и скрапа - окислит. процесс. Во время плавления шихты происходит окисление Fe и примесей. Образующийся FeO активно взаимод. с углеродом по р-ции FeO + С: СО +Fe, вследствие чего содержание углерода в металле снижается. Для интенсификации окисления в металлич. ванне и горения топлива воздушное дутье обогащают кислородом. Однако образующееся при этом избыточное кол-во FeO в конце плавки нежелательно, т. к. кислород является вредной примесью в металле. Для удаления кислорода производят раскисление расплавл. стали с помощью Аl, ферромарганца и ферросилиция. В зависимости от степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную (полностью раскисленную) сталь. Мартеновский способ менее экономичен, чем конвертерный и электросталеплавильный. Широкое применение в черной металлургии получила выплавка стали в дуговых и индукционных электропечах, что позволяет выплавлять сталь со значительно меньшим содержанием в расплаве FeO, точно дозировать шихту при выплавке качеств. сталей, осуществлять плавку в вакууме, под высоким давлением, получать более высокие т-ры расплава; метод экономичен. Шихта для плавки стали в электропечах обычно содержит стальной лом, металлизов. окатыши, ферросплавы, чугун и флюсы. Окисление примесей происходит вследствие продувки жидкого металла кислородом. Для получения стали повыш. качества применяют разл. способы ее послед. рафинирования: электрошлаковый переплав, вакуумно-дуговой переплав, вакуумно индукционную плавку, плазменно-дуговой переплав, электроннолучевую плавку, внепечное рафинирование в ковше, рафинирование стали продувкой инертными газами. Металлизов. окатыши, частично заменяющие чугун, получают обычно прямым восстановлением Fe из руд с помощью СО, Н 2 и пылевидного каменного угля в результате т. наз. процессов внедоменной металлургии. Существенное значение для качества выплавленной стали имеют процессы ее разливки, формирования слитка и послед. его прокатки. Прогрессивным направлением является непрерывная разливка стали и совмещение ее с прокаткой, что позволяет получать более качеств. прокат с меньшими потерями. Св-ва сталей, как и чугунов, определяются св-вами и количеств. соотношением фаз, присутствующих в сплаве. Сталь, содержащая 0,8% С, наз. эвтектоидной, менее 0,8% С - доэвтектоидной и более 0,8% С заэвтектоидной. Структура доэвтектоидной стали в равновесном состоянии состоит из участков феррита и перлита, эвтектоиднои - из участков перлита, заэвтектоидной - из участков перлита и вторичного цементита в виде сетки или мелких глобул. С повышением содержания углерода в стали до 0,9% ее и прочность возрастают, при дальнейшем увеличении содержания углерода прочность снижается, твердость же продолжает расти. Для улучшения мех. св-в стали ее подвергают термич. и химико-термич. обработке, а в нек-рых случаях - сочетанию пластич. и термич. обработки (термомех. обработке). Выбор условий термич. обработки проводится с помощью диаграмм изотермич. превращения переохлажденного аустенита, к-рые строятся для каждой конкретной стали и характеризуют время и характер распада переохлажденного аустенита в зависимости от т-ры переохлаждения. Критич. точки A 1 для сталей с любым содержанием углерода находятся на линии PSK диаграммы Fe-C и соответствуют превращению перлита в аустенит и обратно, критич. точки Асоответствуют завершению превращения феррита в аустенит для доэвтектоидной стали, точки А Cm на линии SE - завершению превращения вторичного цементита в аустенит для заэвтектоидной стали. Осн. виды термич. обработки стали - отжиг, нормализация, закалка, отпуск. Отжиг подразделяется на отжиг I и II рода. Отжиг I рода не связан с фазовыми перекристаллизациями стали и проводится в аустенитном состоянии при высоких т-рах и длит. выдержках, необходимых для выравнивания концентрационных неоднородностей, разл. рода ликвации (диффузионный отжиг), или при т-рах несколько ниже критич. точки А 1 -для протекания процесса рекристаллизации и снятия наклепа после холодной пластич. деформации (рекристаллизационный отжиг). Отжиг II рода заключается в нагреве стали выше критич. точек, т. е. перекристаллизации, выдержке, медленном охлаждении с выдержкой в процессе охлаждения при 650-680 °С для сферодизации пластинчатого цементита с послед. охлаждением до комнатной т-ры. Такой отжиг приводит сталь в равновесное состояние, смягчает ее, улучшает обрабатываемость резанием. Нормализация заключается в нагреве стали до однофазного аустенитного состояния, выдержке и охлаждении на воздухе. При нормализации достигается структуры, повышение сопротивления стали хрупкому разрушению, улучшение ее мех. обрабатываемости. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве сплава до однофазного аустенитного состояния; заэвтектоидной - в нагреве до двухфазного состояния (аустенит + вторичный цементит) с выдержкой до прогрева и быстрым охлаждением в воде или масле. Закалка проводится с целью придания стали высокой твердости и прочности, что связано с образованием в стали мартенсита, представляющего собой пересыщенный твердый р-р С в a-Fe. При закалке в стали возникают большие внутр. напряжения, повышается ее прочность и твердость. После закалки для повышения вязкости и пластичности стали, снижения внутр. напряжений и твердости применяют отпуск стали, заключающийся в нагреве до т-ры ниже критич. точки A 1 , выдержке при этой т-ре с послед. охлаждением с заданной скоростью. При отпуске происходит распад мартенсита, остаточного аустенита, выделение и карбидов. К отпуску прибегают для достижения необходимого комплекса мех. св-в, гл. обр. наилучшего сочетания прочности и пластичности, а также для устранения внутр. напряжений, возникающих при закалке. Совмещение закалки стали с высоким отпуском, применяемое для конструкционных сталей, наз. улучшением; при этом достигается оптим. сочетание прочности и вязкости стали. Для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя стальных изделий, увеличения контактной выносливости их подвергают нек-рым видам химико-термич. обработки - поверхностному насыщению стали углеродом (), азотом (азотирование), бором (борирование), хромом (хромирование) и др. элементами, с послед. закалкой и отпуском. Термомех. обработку стали применяют для повышения ее твердости и прочности при сохранении достаточно высокой пластичности и ударной вязкости. Различают высоко- и низкотемпературную обработки. При высокотемпературной обработке пластич. деформацию проводят в аустенитном состоянии с послед. закалкой; при низкотемпературной -сталь нагревают до аустенитного состояния, охлаждают до т-р, ниже т-р повыш. устойчивости переохлажденного аустенита, проводят пластич. деформацию и быстрое охлаждение. При термомех. обработке обычно происходит измельчение структуры сплава (зерна, мартенсита, карбидов). В зависимости от содержания С и легирующих элементов стали разделяют на углеродистые и легированные. В углеродистых сталях кроме углерода обычно содержится до 0,7% Мn, 0,37% Si, 0,04% S и 0,035% Р. Легированные стали по хим. составу разделяют на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5%, среднелегированные - от 2,5 до 10% и высоколегированные -выше 10%. По отношению к углероду легирующие элементы в Ж. с. можно разделить на элементы, не образующие карбидов (Ni, Si, Co, Al и Сu), и карбидообразующие элементы (Сr, Mn, W, Mo, V, Ti, Nb, Та и Zr). По степени возрастающего сродства к углероду легирующие элементы располагаются в ряд: Мn < Сr < W < Мо < Та < V < Zr < Ti < Nb. В сталях могут образовываться как простые, так и сложные этих элементов, напр. Fe 2 W 2 C, WC, W 2 C, Мо 2 С, (Fe, Cr, Mo) 23 C 6 Cr 3 C 2 . В зависимости от осн. легирующего элемента различают хромистые, кремнистые, марганцовистые, никелевые, хромоникелевые, молибденовые и вольфрамовые стали. По структуре, полученной при охлаждении на воздухе из аустенитного состояния, различают стали перлитного, мартенситного, аустенитного, ферритного и ледебуритного классов. К перлитному классу относят углеродистые и малолегир. стали, к остальным - легированные. Легир. стали маркируются обычно буквенно-цифровыми обозначениями. Легирующие элементы обозначают русскими заглавными буквами: Mn - Г; Si - С; Сr - Х; Ni - H; W - B; V - Ф; Ti - T; Мо - М; Со - К; Аl - Ю; Cu - Д; В - Р; Nb - Б; Р - П; перед буквами дается содержание углерода; если содержание углерода равно 1,0%, цифра в марке не ставится. При содержании легирующего элемента > 1,5% после заглавной буквы соответствующего элемента указывают его содержание в целых процентах. В нек-рых случаях перед маркой легир. сталей буквами указывают области их применения. Различают стали общего назначения, автоматные, конструкционные (углеродистые и легированные), инструментальные (углеродистые и легированные), быстрорежущие и др. Стали общего назначения относятся к доэвтектоидным углеродистым сталям. Используются без термич. обработки или после нормализации и закалки. Автоматные стали содержат повыш. кол-во фосфора (<0,1%), характеризуются хорошей мех. обрабатываемостью и повыш. хрупкостью. Хорошо обрабатываются резанием; применяются для изготовления деталей, работающих при невысокой ударной нагрузке и малых коэф. трения. Конструкционные углеродистые стали применяют без термообработки или после нормализации и улучшения для изготовления деталей, не испытывающих больших нагрузок. Конструкционные легир. стали подразделяют на цементируемые и улучшаемые. Первые подвергают цементации - насыщению с поверхности углеродом с послед. полной закалкой и низким отпуском, вторые - улучшению (закалке и высокому отпуску). Пружинно-рессорные стали, легированные Si, обладают высоким пределом упругости (предел пропорциональности @ 1500 МПа); их термич. обработка -закалка и средний отпуск. Инструментальные углеродистые и легир. стали предназначены для изготовления режущих, измерительных и штамповых инструментов, обладающих высокой твердостью, износостойкостью, достаточной ударной вязкостью, прочностью, теплостойкостью. Для режущего инструмента, работающего при небольших скоростях резания, применяют углеродистые заэвтектоидные стали, а также легированные хромокремнистые, хромовольфрамомарганцовистые и др. инструментальные стали. Последние обладают большей прокаливаемостью и теплостойкостью, меньшей хрупкостью, чем углеродистые. Для холодных штампов используют легированные доэвтектоидные стали (хромоникельмолибденовые, хромоникельтитановые и др.), для инструментов холодного деформирования - высокохромистые стали ледебуритного класса, содержащие 12% Сr, для инструментов холодного выдавливания - сложнолегир. стали с содержанием С 0,75%, для инструментов горячего деформирования - сложнолегир. электростали, содержащие 0,4-0,6% С. Быстрорежущие стали применяют для изготовления разнообразного режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Они обладают высокой теплостойкостью, твердостью, износостойкостью, высокой прокаливаемостью. Широко применяют сложнолегир. быстрорежущие стали, содержащие W, Мо, Со, Сr, V и др. элементы; содержание в них углерода ок. 0,9%. Наиб. часто применяемая быстрорежущая сталь содержит 5-6% W. Быстрорежущие стали относятся к сталям ледебуритного класса, т. к. благодаря высокому легированию в них сохраняются первичные карбиды, образовавшиеся при кристаллизации. Термич. обработка таких сталей состоит из высокотемпературной закалки в масле и трехкратного высокого отпуска. К жаропрочным сталям относят высоколегир. стали, содержащие Сr (0,4 14%), Ni (8-34%), Мо (0,4 0,8%), W (0,5 2%), V (0,15 0,40%). Жаропрочность сплава связана с тугоплавкостью осн. металла, наличием в сплаве твердого р-ра и дисперсной упрочняющей фазы. Жаропрочные стали подразделяют на стали для низких и средних т-р стали ферритного класса, и повыш. т-р (700 750 °С) стали аустенитного класса. Высокохромистые жаропрочные стали подвергают закалке при 1000-1060°С в масле и высокому отпуску. Для работы при т-рах 800 °С применяют обычно сплавы на основе никеля (см. Жаропрочные сплавы ). Коррозионностойкие (нержавеющие) стали стойки против разрушения в хим. агрессивных средах (к-тах, щелочах). Осн. легирующий элемент этих сталей Сr. Хромистые нержавеющие стали разделяют на: 1) мартенситныe стали, легированные Сr (12-18%) и содержащие до 0,4% С; обладают высокими мех. св-вами; 2) ферритные высокохромистые (16-30% Сr) стали; обладают высокой коррозионной стойкостью и пониж. мех. св-вами; 3) аустенитные стали, легированные Сr (12-30%) и Ni (7-20%); обладают высоким пределом ползучести; применяются для работ при т-рах до 700 °С. Термич. обработка хромистых нержавеющих сталей заключается в двойном отжиге или закалке, обработке холодом и старении (длит. выдержка при т-рах, соответствующих отпуску). Электротехнические стали (трансформаторная и динамная) обладают высокой магн. проницаемостью и малыми потерями при перемагничивании; применяются обычно в виде листа и служат для изготовления разл. магнитопроводов. Осн. легирующий элемент электротехн. сталей Si; содержание его в трансформаторной стали 4%, в динамной до 2,5%. В связи с большим содержанием Si и малым содержанием углерода трансформаторная сталь является сталью ферритного класса. С помощью отжига после холодной или горячей прокатки добиваются получения ребровой или кубич. текстуры этой стали, что значительно повышает ее электротехн. св-ва.
Сплавы с особыми физико-химическими свойствами. К ним относят нек-рые виды стали и сплавы с высоким (до 50%) содержанием разл. элементов. Среди первых наиб. применение находят износостойкие стали аустенитного класса с высоким содержанием Мn (> 13%). Они обладают высоким сопротивлением износу и повыш. прочностью при довольно низкой твердости (напр., сталь Гадфильда). Такое необычное сочетание противоположных св-в объясняется способностью стали самоупрочняться под нагрузкой. Вторую группу составляют сплавы, обладающие спец. св-вами (табл. 1). Ферросплавы используют в процессе произ-ва Ж. с. в качестве промежут. шихтовых материалов для легирования и раскисления стали, чугуна и нек-рых др. сплавов. Наиб. распространение получили ферросилиций, ферромарганец, феррохром и др. Легирующее действие того или иного ферросплава на сталь заключается в растворении легирующего элемента в Fe или хим. взаимод. его с цементитом, в результате чего в стали образуются твердые р-ры замещения и карбиды соответствующих металлов разл. типа (М 3 С, МС, М 2 С, М 7 С 3 , М 6 С и др.).

Для произ-ва ферросплавов обычно используют руды необходимых элементов, содержащие железо. Способы выплавки ферросплавов: электротермический, электросиликотермический, металлотермический и доменный (табл. 2).


Историческая справка. Ж. с. как материал, используемый человеком, имеют многовековую историю. Еще в сер. 2-го тыс. до н. э. человек научился восстанавливать железные руды нагреванием с древесным углем, получая т. наз. сыродутное железо - ковкое и высокопластичное, почти не содержащее углерода. Из полученной таким образом заготовки ("губки") выковывали разл. изделия. Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до н. э. В Китае из высокофосфористых железных руд получали низкоплавкий чугун с высоким содержанием Р (0,8-0,9%), из к-рого отливали разл. изделия. Античным металлургам чугун был известен в 4-5 вв. до н. э. Произ-во чугуна в Европе началось в 14 в. с появлением первых небольших печей (домниц). В России произ-во чугуна началось в 16 в.; при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны. В 18 в. появление печей для плавки литейного чугуна и лома (вагранок) положило начало независимому существованию чугунолитейного произ-ва на машиностроит. заводах. В нач. 19 в. начинается произ-во ковкого чугуна, в сер. 20 в. - легированного. Для получения литой стали древние мастера применяли расплавление мелких кусков чугуна и стали в огнеупорных тиглях (тигельная плавка). Такая плавка позволяла производить высококачеств. сталь особой структуры (узорчатая сталь), обладающую высокой твердостью и упругостью, -булат, применяемый для изготовления холодного оружия исключит. стойкости и остроты. Тигельный процесс просуществовал до нач. 20 в. В кон. 18 в. стало использоваться пудлингование - процесс передела чугуна в мягкие малоуглеродистые стали, получающиеся в тестообразном состоянии на поду пламенной отражательной (пудлинговой) печи. Предложенные во 2-й пол. 19 в. Г. Бессемером и П. Мартеном конвертерный и мартеновский способы выплавки Ж. с. позволили начать массовое произ-во литой стали. В кон. 19 в. начала применяться выплавка в электропечах. До сер. 20 в. главенствующее положение среди способов произ-ва стали занимал мартеновский процесс, на долю к-рого приходилось ок. 80% выплавляемой в мире стали. С 50-х гг. резко возросла роль кислородно-конвертерного способа. Произ-во стали в мире составляет 90-95% произ-ва всех металлов. Мировое произ-во стали ок. 700 млн. т/год (1984). Лит.: Бокштейн С. 3., Строение и свойства металлических сплавов, М., 1971; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975; Пикеринг Ф., Физическое металловедение и разработка сталей, пер. с англ., М., 1982; Металловедение и термическая обработка стали. Справочник под ред. М. П. Бернштейна и А. Г. Рахштадта, 3 изд., т. 1-3, М., 1983; Блантер М. Е., Теория термической обработки, М., 1984; Гуляев А. П., Металловедение, 6 изд., М., 1986; Новиков И. И., Теория термической обработки металлов, 4 изд., М., 1986. Б. Г. Сазонов, Ю. Б. Сазонов.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "ЖЕЛЕЗА СПЛАВЫ" в других словарях:

Макроскопические однородные системы, состоящие из двух или более металлов (реже металлов и неметаллов) с характерными металлич. св вами. В более широком смысле С. любые однородные системы, полученные сплавлением металлов, неметаллов, неорг. соед … Химическая энциклопедия

Железо обладает следующими свойствами:

более высокое по сравнению с медью и алюминием удельное элек­трическое сопротивление ( примерно 0,1 мкОм×м), что ограничива­ет возможности применения железа как проводникового материала;

высокий температурный коэффициент удельного электрическо­го сопротивления ТКр;

высокая механическая прочность;

дешевизна и доступность материала;

большая магнитная проницаемость и высокая индукция насы­щения;

технологичность (хорошо штампуется и обрабатывается на всех металлорежущих станках).

При переменном токе в стали как в ферромагнитном материале заметно ска­зывается поверхностный эффект, почему в соответствии с известными законами электротехники активное сопротивление стальных проводников переменному току выше, чем постоянному току. Кроме то­го, при переменном токе в стальных про­водниках появляются потери мощности на гистерезис.

Применение железа

Железо используют при разработке нагревостойких сплавов и сплавов с высоким сопротивлением, в которые железо входит как необходимая составная часть. Его применяют также в электрова­куумных приборах как материал для анодов, экранов и других эле­ментов, работающих при температурах до 500 °С. Как ферромаг­нитный материал железо является основным и наиболее дешевым компонентом магнитных материалов. Вследствие низкого удельного электрического сопротивления железо используют при изготовле­нии изделий, предназначенных для работы только в постоянных магнитных полях.

Стали

Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05% принято называть техническим железом, с содержанием уг­лерода 0,05... 1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Углерод определяет структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода повышается твердость и снижается вязкость, тепло- и электропроводность.

В углеродистой стали кроме основной примеси - углерода все­гда присутствуют постоянные примеси: кремний Si (0,1 ...0,37%); марганец Мп (0,2...0,8%); сера S (0,03...0,06%); фосфор Р (0,03... ...0,07%).

Кремний способствует устранению пузырей в слитке, повышает сопротивление разрыву и упругие свойства стали, а также повыша­ет твердость.

Марганец повышает твердость стали и сопротивление разрыву, уменьшает удлинение и ухудшает свариваемость стали.

Сера является вредной примесью. Присутствие серы в количе­стве выше допустимого ухудшает прочность, пластичность и кор­розионную стойкость, повышает истираемость и изнашиваемость изделий. Фосфор также является вредной примесью. Его повышен­ное содержание вызывает в стали хрупкость при обычных темпера­турах и появление трещин при ударной деформации, ухудшает ме­ханические свойства за счет образования крупнозернистой струк­туры.

Кислород в стали содержится обычно в тысячных долях процен­та. При повышении содержания кислорода увеличивается хрупкость стали.

По назначению углеродистую сталь разделяют на конструкци­онную и инструментальную. Конструкционные стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов. Для изготовления корпусов полупроводниковых приборов используют низкоуглеродистую сталь в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм.

В обозначениях низкоуглеродистых сталей после слова “Сталь” ставят цифру, обозначающую содержание углерода. Например, Сталь 10 (содержание углерода 0,1%).

Стали, содержащие в своем составе специальные примеси, назы­ваются легированными. Присутствие таких легирующих элементов, как хром (X), молибден (М), вольфрам (В), ванадий (Ф), титан (Т), никель (Н), повышает твердость и прочность сталей при значитель­ной пластичности и вязкости, повышает коррозионную стойкость, жароупорность, кислотостойкость и целый ряд других свойств.

Натрий

Натрий относится к перспективным проводниковым матери­алам, обладающим следующими свойствами:

удельное электрическое сопротивление натрия в 2,8 раза боль­ше, чем у меди, и в 1,7 раз больше, чем у алюминия;

низкая плотность (он легче воды, плотность его в 9 раз меньше плотности меди), поэтому провода из натрия при данной проводи­мости на единицу длины при нормальной температуре значитель­но легче, чем провода из любого другого металла;

химически активен (он интенсивно окисляется на воздухе и бур­но реагирует с водой);

малый предел прочности при растяжении и других деформа­циях.

Натриевые провода герметизируют в пластмассовые (полиэти­леновые) оболочки, что повышает их механическую прочность и создает электрическую изоляцию.

Биметалл

В ряде случаев для уменьшения расхода цветных металлов в проводниковых конструкциях выгодно применять так называемый проводниковый биметалл. Это сталь, покрытая снаружи слоем меди, причем оба металла соединены друг с другом прочно и непрерывно по всей поверхности их соприкосновения.

Для изготовления биметалла применяют два способа: горячий (стальную болванку ставят в форму, а промежуток между болван­кой и стенками формы заливают расплавленной медью; полученную после охлаждения биметаллическую болванку подвергают прокатке и протяжке) и холодный, или электролитический (медь осаждают электролитически на стальную проволоку, пропускаемую через ванну с раствором медного купороса). Холодный способ обеспечи­вает большую равномерность толщины медного покрытия, но требует значительного расхода электроэнергии; кроме того, при холод­ном способе не обеспечивается столь прочное сцепление слоя меди со сталью, как при горячем способе.

Биметалл имеет механические и электрические свойства, проме­жуточные между свойствами сплошного медного и сплошного сталь­ного проводника того же сечения: прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Расположение меди в наружном слое, а стали внутри конструкции, а не наоборот весьма важно: с одной стороны, при переменном токе достигается более высокая проводимость всего провода в целом, с другой - медь защищает расположенную под ней сталь от коррозии (из тех же соображений применяется и рас­положение стали внутри конструкции в сталеалюминиевых проводах).

Такую проволоку применяют для линий связи, линий электропередачи и т. п. Из проводникового биметалла изготовляются шины для распределительных устройств, полосы для рубильников и различные токопроводящие части электрических аппаратов.

СВЕРХПРОВОДНИКИ И КРИОПРОВОДНИКИ

Сверхпроводники. При понижении темпе­ратуры удельное сопротивление r металлических проводников уменьшается. Исключительный интерес представляет вопрос об электропроводности металлов при весьма низких (криогенных) температурах, приближающихся к абсолютному нулю.

В 1911 г. нидерландский физик X. Камерлинг-Оннес исследовал электропроводность металлов при «гелиевых» температурах (температура сжижения гелия при нормальном давлении около 4,2 К; еще более низкие температуры могут быть получены при испарении жидкого гелия). При этом Ка­мерлинг-Оннес сделал поразительное открытие: он обнаружил, что при охлаждении до температуры, примерно равной температуре сжи­жения гелия, сопротивление кольца из замороженной ртути вне­запно, резким скачком падает до чрезвычайно малого, не подда­ющегося измерению, значения.

Такое явление, т. е. наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости, было названо сверхпроводимостью , тем­пература Tс , при охлаждении до которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние, - температурой сверхпроводящего пе­рехода , а вещества, переходящие в сверхпроводящие состояние, - сверхпроводниками .

Переход в сверхпроводящее состояние является обратимым; при повышении температуры до значения Тс сверхпроводимость наруша­ется и вещество переходит в нормальное состояние с конечным зна­чением удельной проводимости g .

В настоящее время известно уже 35 сверхпроводниковых металлов и более тысячи сверхпроводниковых сплавов и химических соеди­нений различных элементов. В то же время многие вещества, в том числе и такие, обладающие весьма малыми значениями r при нормальной температуре металлы, как серебро, медь, золото, платина и другие, при наиболее низких достигнутых в настоящее время температурах (около милликельвина) перевести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Явление сверхпроводимости связано с тем, что электрический ток, однажды наведенный в сверхпроводящем контуре, будет дли­тельно (годами) циркулировать по этому контуру без заметного уменьшения своей силы, и притом без всякого подвода энергии извне (конечно, если не учитывать неизбежного расхода энергии на работу охлаждающего устройства, которое должно поддерживать температуру сверхпроводящего контура ниже значения Тс , харак­терного для данного сверхпроводникового материала).

Такой сверхпроводящий контур создает в окружающем пространстве магнитное поле, подобно постоянному магниту. Поэтому обтекаемый электри­ческим током сверхпроводящий соленоид должен представлять собой сверхпроводниковый электромагнит, не требующий питания от ис­точника тока. Однако первоначальные попытки изготовить практи­чески пригодный сверхпроводниковый электромагнит, создающий в окружающем пространстве магнитное поле с достаточно высокими напряженностью Н и магнитной индукцией В , закончились неуда­чей. Оказалось, что сверхпроводимость нарушается не только при повышении температуры до значений, превышающих Тс , но и при возникновении на поверхности сверхпроводника магнитного поля с магнитной индукцией, превышающей индукцию перехода Bс .

Рис. 1. Общий вид диаграммы состояния сверхпроводника первого рода

Это поясняется диаграммой состояния сверх­проводника, изображенной на рис.1. Каждому значению тем­пературы Т данного материала, находящегося в сверхпроводящем состоянии, соответствует свое значение индукции перехода Вс . Наибольшая возможная температура перехода Т с0 (критическая температура) данного сверхпроводникового материала достигается при ничтожно малой магнитной индукции, т. е. для сверхпроводникового электромагнита -при весьма малой силе тока, идущего через обмотку этого электромагнита. Соответственно и наибольшее возможное значение В с0 магнитной индукции перехода (критическая магнитная индукция) соответствует температуре сверхпроводника, ничтожно отличающейся от нуля Кельвина. Заштрихованная об­ласть OPQ на рис. 1 соответствует сверхпроводящему состоянию, а незаштрихованная область вне кривой PQ - нормальному состоя­нию материала. Если материал работает при температуре и магнит­ной индукции, соответствующих точке X на диаграмме состояния, то сверхпроводимость мо­жет быть нарушена нагре­вом (переход через кривую PQ в точке Y), повышением магнитной индукции (пере­ход через кривую PQ в точке Z), а также в общем случае и одновременным изменением как Т , так и В , что переводит материал в нормальное состояние (кривая PQ пересекается в любой ее точке).

Рис. 2. Диаграммы состояния элементарных сверхпроводников первого рода для наиболее известных элементов

Рис. 3. Магнитное поле с введенным в него сверхпроводником

В 1933 г. немецкие физики В.Майснер и Р.Оксенфельд обнару­жили, что сверхпроводники при переходе в сверхпроводящее со­стояние становятся идеальными диамагнентиками, т.е. их магнит­ная проницаемость m скачком падает от m = 1 до m = 0. Поэтому внешнее магнитное поле не проникает в сверхпроводящее тело. Если переход материала в сверхпроводящее состояние происходит в маг­нитном поле, то поле «выталкивается» из сверхпроводника (рис. 3.).

Известные сверхпроводники имеют весьма низкие критические температуры перехода Тс . Поэтому устройства, в которых используются сверхпроводники, должны работать в условиях охлаждения жидким гелием (температура сжижения гелия при нормальном дав­лении примерно 4,2 К). Это усложняет и удорожает производство и эксплуатацию сверхпроводниковых материалов.

Кроме ртути сверхпроводимость присуща и другим чистым ме­таллам (химическим элементам) и различным сплавам и химичес­ким соединениям. Однако такие металлы, как серебро и медь, при самых низких температурах, достигнутых в настоящее время, пере­вести в сверхпроводящее состояние не удалось.

Сверхпроводниковые материалы подразделяют на мягкие и твердые .

К мягким сверхпроводникам относят чистые металлы, за исклю­чением ниобия, ванадия, теллура.

Основным недостатком мягких сверхпроводников является низ­кое значение критической индукции магнитного поля В с0 . Сверхпроводящее состояние в этих материалах исчезает уже в слабых магнитных полях при небольших плот­ностях тока.

К твердым сверхпроводникам отно­сят сплавы с искаженными кристалличес­кими решетками. Они сохраняют сверх­проводимость даже при относительно больших плотностях тока и сильных маг­нитных полях. Свойства твердых сверх­проводников были открыты в середине нашего столетия и до настоящего време­ни проблема их исследования и приме­нения является одной из важнейших про­блем современной науки и техники.

Твердые сверхпроводники обладают рядом особенностей:

при охлаждении переход в сверхпроводящее состояние проис­ходит не резко, как у мягких сверхпроводников, а на протяжении некоторого температурного интервала;

некоторые из твердых сверхпроводников имеют не только срав­нительно высокие значения критической температуры перехода Т с , но и относительно высокие значения критической магнитной ин­дукции В с0 ;

при изменении магнитной индукции могут наблюдаться проме­жуточные состояния между сверхпроводящим и нормальным;

имеют тенденцию к рассеянию энергии при пропускании через них переменного тока;

зависимость свойств сверхпроводимости от технологических режимов изготовления, чистоты материала и совершенства его кри­сталлической структуры.

По технологическим свойствам твердые сверхпроводники делят на следующие виды:

1) сравнительно легко деформируемые, из которых можно изготав­ливать проволоку и ленты [ниобий, сплавы ниобий-титан (Nb-Ti), ванадий-галлий (V-Ga)];

2) трудно поддающиеся деформации из-за хрупкости, из которых получают изделия методами порошковой металлургии (интерметал­лические материалы типа станнида ниобия Nb,Sn).

Часто сверхпроводниковые провода покрывают «стабилизиру­ющей» оболочкой из меди или другого хорошо проводящего элек­трический ток и тепло металла, что дает возможность избежать повреждения основного материала сверхпроводника при случай­ном повышении температуры. В ряде случаев применяют компо­зитные сверхпроводниковые провода, в которых большое число тонких нитевидных сверхпроводников заключено в массивную обо­лочку из меди или другого несверхпроводникового материала.

Сверхпроводники используют при создании: электрических ма­шин и трансформаторов малых массы и размеров с высоким коэф­фициентом полезного действия; кабельных линий для передачи энер­гии большой мощности на большие расстояния; волноводов с осо­бо малым затуханием; накопителей энергии и устройств памяти; магнитных линз электронных микроскопов; катушек индуктивнос­ти с печатным монтажом. На основе пленочных сверхпроводников создан ряд запоминающих устройств и элементов автоматики и вычислительной техники. Обмотки электромагнитов из сверхпро­водников позволяют получать максимально возможные значения напряженности магнитного поля.

Свойства некоторых сверхпроводниковых материалов приведе­ны в табл. 3.9.

Криопроводники. Помимо явления сверхпроводимости, в совре­менной электротехнике все шире используется явление криопроводимости (прежнее название - гиперпроводимость.), т. е. достижение металлами весьма малого значения удельного сопротивления при криогенных температурах (но без перехода в сверхпроводящее состояние). Металлы, обладающее таким свойством, называются криопроводниками.

Физически явление криопроводимости не сходно с явлением сверхпроводимости.

Плотность тока в криопроводниках при рабочих температурах в тысячи раз превышает плотность тока в них при нормальной тем­пературе, что определяет их использование в сильноточных элект­ротехнических устройствах, к которым предъявляются высокие тре­бования по надежности и взрывобезопасности.

Применение криопроводников в электрических машинах, кабелях и т.п. имеет существенное преимущество по сравнению со сверх­проводниками. Если в сверхпроводниковых устройствах в качестве охлаждающего агента применяют жидкий гелий, работа криопроводников обеспечивается благодаря более высококипящим и дешевым хладагентам - жидкому водороду или даже жидкому азоту. Это упро­щает и удешевляет производство и эксплуатацию устройства. Одна­ко необходимо учитывать технические трудности, которые возника­ют при использовании жидкого водорода, образующего при опреде­ленном соотношении компонентов взрывоопасную смесь с воздухом.

В качестве криопроводников используют медь, алюминий, се­ребро, золото.

10.1. компоненты в системе железо–углерод (цементит)

сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Сталь и чугун – представляют собой сплавы железа с углеродом. Сплавы, содержащие до 2%С называют сталями, а свыше 2%С – чугунами.

основой для анализа формирования структуры сталей и чугунов является диаграмма состояния Fe–C (Fe– Fe 3 C) (рис.10.2). Fe – C - диаграмма стабильного равновесия (пунктирные линии);. Fe – Fe 3 C - диаграмма метастабильного равновесия (сплошные линии).

Диаграмма состояния Fe – Fe 3 C является основной, т. к. в соответствии с ней происходят фазовые превращения при охлаждении в углеродистых сталях и белых чугунах.

Железо – полиморфный металл серебристого цвета с Т пл =1539°С, который имеет 2 аллотропические модификации:

Fe a (ОЦК) D Fe g (ГЦК) D Fe d (ОЦК)

Рис. 10.1. Зависимость энергии Гиббса G ОЦК и ГЦК модификаций железа от температуры t

Углерод является неметаллическим элементом. Тпл=3500°С. углерод имеет слоистую гексагональную решётку, менее плотную, чем железо. Углерод растворим в железе в жидком и твердом состояниях (образует растворы внедрения), а также может находиться в виде химического соединения Fe 3 C – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

10.2. Характеристика фаз в системе железо–углерод (цементит)

Рис. 10.2. Диаграмма состояния железо – углерод

В системе Fe–C различают следующие фазы :

1. L – жидкий раствор неограниченной растворимости углерода в железе;

2. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в ОЦК-Fe. Различают низкотемпературный a-феррит (Fe a ) с растворимостью до 0,02% С (точка Р) и высокотемпературный d-феррит (Fe d ) с предельной растворимостью до 0,1% С (точка Н). Феррит существует при температурах:

3. Аустенит (g, А) – твердый раствор внедрения углерода в ГЦК-Fe (Fe g ). Предельная растворимость углерода в Fe g , достигаемая при 1147°С равна 2,14% С и характеризуется точкой Е.

Аустенит существует в интервале температур 911–1392°С. фазовое превращение
Fe a « Fe g протекает при температуре 911°С (точка G). Превращение Fe g « Fe d протекает при 1392°С (точка N).

Аустенит Fe g (ГЦК) 911°C £ t £ 1392°С

Fe a « Fe g t =911°С (точка G)

Fe g « Fe d t =1392°С (точка N)

4 . Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe 3 C. В цементите содержится 6,67% С. цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления варьируется по разным данным в интервале 1250°С (точка D). Цементит обладает высокой твёрдостью и хрупкостью (НВ Fe 3 C >800, в то время как, НВ a ~ 80 и НВ g ~200 ), т.е. феррит и аустенит – пластичные фазы.

5. Графит (Г) – имеет гексагональную слоистую решетку. Графит мягкий и имеет низкую прочность.

10.3. Характеристика фазовых превращений

ABCD – линия ликвидус , при достижении температур, соответствующих при охлаждении сплава этой линии, в сплавах начинают появляться первые кристаллы твёрдой фазы.

AHJЕCF – линия солидус , при достижении температур, соответствующих при охлаждении сплава этой линии, в сплавах исчезают последние капли расплава.

Линии полиморфных превращений : линииHN и NJ – превращениеd žg ; линииGS и PG – превращениеg ža .

Образование цементита в сплавах при охлаждении:

линияDC : L ž Fe 3 C I

линияES :g ž Fe 3 C II

линияPQ :a ž Fe 3 C III

HJB – линия перитектического превращения , протекающего при постоянной температуре, равной 1499°C, с постоянными концентрациями участвующих компонентов:

t = 1499°C: L 0,5 +d 0,1 ®g 0,16 линия HJB

В точке перитектики J, то есть в сплаве содержащем 0,16% С, в результате перитектического превращения из жидкого расплава (с концентрацией 0,5% С) и кристаллов d-феррита (Fe d) (с концентрацией 0,1% С) образуется аустенит Fe g (с концентрацией 0,16% С). То есть все исходные кристаллы d и вся жидкая фаза полностью расходуются на образование аустенита.

С = 0,16% L 0,5 +d 0,1 ®g 0,16 HJB (1499°C)

0,1% £ С £ 0,16% L 0,5 +d 0,1 ®d 0,1 +g 0,16 . HJB (1499°C)

Fe d ® Fe g HJ¸ NJ

В сплавах, содержащих от 0,16 до 0,5% С при перитектическом превращении d -фаза расходуется полностью, а жидкая фаза остается в избытке, поэтому при температурах ниже линии JB сплав будет двухфазным (L+g ), и процесс кристаллизации закончится по достижении температур, соответствующих линии солидусJE , после чего сплавы приобретут однофазную структуру – аустенит(g ).

0,16% £ С £ 0,5% L 0,5 +d 0,1 ® L 0,5 +g 0,16 HJB (1499°C)

L ® Fe g JВ¸ JЕ

При температурах, соответствующих линии ВС , из жидкого расплава кристаллизуется аустенит (g ), а по линии CD – цементит первичный (Fe 3 C I) .

Горизонталь ЕCF – линия эвтектического превращения , протекающего при постоянной температуре 1147°С. В точке эвтектикиС (при концентрации углерода 4,3%) из жидкого сплава одновременно кристаллизуются аустенит и цементит, образуя эвтектику , которая называется ледебуритом :

t = 1147°С: L 4,3 ® g 2,14 +Fe 3 C 6,67 линия ЕCF

(g+Fe 3 C) - ледебурит (смесь аустенита и цементита)

При кристаллизации доэвтектических сплавов (чугунов), содержащих от 2,14 до 4,3%С , из жидкой фазы по достижении температур, соответствующих линии ликвидус ВС , сначала выделяются кристаллы аустенита, а при 1147°С (линия ECF ) в них происходит эвтектическая реакция с образованием ледебурита (g+Fe 3 C) .

Заэвтектические сплавы (чугуны), содержащие от 4,3 до 6,67% С , начинают затвердевать по достижении температур, соответствующих линии CD . Из жидкости выделяются кристаллы цементита первичного (Fe 3 C I) , а по достижении 1147°С в этих сплавах происходит эвтектическое превращение с образованием ледебурита (g+Fe 3 C) .

Критические точки, образующие линию GS , соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него феррита (a ), а линия ES соответствует температурам начала распада аустенита с выделением из него цементита вторичного (Fe 3 C II ).

Горизонталь PSK – линия эвтектоидного превращения , протекающего при постоянной температуре 727°С. В результате эвтектоидного превращения образуется перлит (П ):

t = 727°С: g 0,8 ®a 0,02 +Fe 3 C 6,67 PSK

(a+Fe 3 C) -перлит (смесь феррита и цементита)

Сплавы, имеющие концентрацию углерода от 0,02 до 0,8% С, называют доэвтектоидными сталями . Сталь с 0,8% С называют эвтектоидной . Сплавы, содержащие от 0,8 до 2,14% С , называют заэвтектоидными сталями .

Линия PQ при охлаждении соответствует началу выделения из феррита (a ) цементита третичного (Fe 3 C III ).

10.3. кривые ОХЛАЖДЕНИЯ сплавов

сплав Fe + 0,3% C

Рис. 10.3. Кривая охлаждения сплава, содержащего 0,3% С

10.4. классификация углеродистых сталей

по составу и структуре

Таблица 1. Структура различных сталей при комнатной температуре

Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру (см. табл.1). Однако фазовый состав всех сплавов одинаков; при температурах ниже 727°С они состоят из феррита и цементита.

Структурные составляющие обладают разными свойствами:

– феррит – мягкий, пластичный, НВ=800 МПа;

– цементит – твердый, хрупкий, НВ>8000 МПа;

– перлит – достаточно пластичен, НВ=1800–2500 МПа.

10.5. зависимость свойств углеродистых сталей

Рис 10.4. Зависимость механических свойств углеродистых сталей от содержания углерода

Fe : Т пл = 1539°С, g = 7,8 г/см 3 , до t = 768°C железо ферромагнитно; s В = 250 МПа;
s 0,2 = 120 МПа; d = 50%; y = 85%; KCU = 3МДж/м 2 ; НВ = 80.

Fe 3 C (Ц) : до t = 210°C цементит ферромагнитен.

Влияние углерода . Твёрдость стали повышается из-за увеличения количества цементита. Прочность стали возрастает до концентрации углерода в ней 0,8% С, т.к. в доэвтектоидных сталях увеличивается количество перлита. В заэвтектоидных сталях происходит хрупкое разрушение, и прочность снижается вследствие присутствия в структуре цементита вторичного (Ц II). Пластичность и ударная вязкость снижаются с увеличением содержания углерода.

Стали используют как литейный и деформируемый материал. В качестве литейных применяются только малоуглеродистые стали (литейные свойства лучше до 0,25 – 0,3% С). С увеличением содержания углерода увеличивается интервал кристаллизации и ухудшаются литейные свойства.

Стали широко применяют в качестве деформируемых сплавов. Стали сильно нагартовываются в процессе холодной пластической деформации. Чем выше содержание углерода в стали, тем выше степень упрочнения.

Влияние серы. Сера является вредной примесью в стали. Она образует соединение FeS, которое в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику. При деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление носит название красноломкости.

Кроме того сера снижает предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Поэтому содержание серы в стали строго ограничивается до 0,035–0,06%.

Влияние кремния и марганца. Содержание кремния в углеродистой стали в качестве примеси обычно не превышает 0,35–0,4%, а марганца 0,5–0,8%.

Кремний сильно повышает предел текучести, а марганец заметно повышает прочность, практически не снижая пластичности, но резко уменьшает красноломкость стали, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы.

Влияние фосфора. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку и увеличивает временное сопротивление разрыву и предел текучести, но сильно уменьшает пластичность и вязкость. Фосфор повышает порог хладноломкости и уменьшает работу развития трещины.

В большинстве сталей фосфор является вредной примесью. В зависимости от качества стали допускается £0,025–0,08%Р.

Влияние азота, кислорода и водорода. Примеси внедрения (азот, кислород), концентрируясь по границам зерен в виде нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости, понижают сопротивление хрупкому разрушению и предел выносливости стали.

Очень вреден растворенный в стали водород, который охрупчивает сталь и приводит к образованию очень мелких трещин (флокенов).

10.6. чугуны

Доэвтектические (2,14–4,3%С) чугуны после окончательного охлаждения имеют структуру П + Л + Ц III (таблица 2). Эвтектический чугун (4,3%С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита, а заэвтектические чугуны – из первичного цементита и ледебурита.

Таблица 2. Структура различных чугунов при комнатной температуре

углерод в чугуне может находиться в виде цементита (белый чугун) или графита (серый чугун) или одновременно в виде цементита и графита.

рис.10.3. влияние углерода и кремния на структуру чугуна (заштрихованная область – наиболее распространенные чугуны)

В зависимости от содержания углерода, связанного в цементит, различают:

1. белый чугун , в котором весь углерод находится в виде цементита Fe 3 C. Структура такого чугуна – перлит и ледебурит (область I на рис.10.3).
2. половинчатый чугун , большая часть углерода (>0,8%) находится в Fe 3 C. Структура такого чугуна – перлит, ледебурит и пластинчатый графит (область II).
3. перлитный серый чугун, структура его – перлит и пластинчатый графит (область III).
4. феррито-перлитный серый чугун, структура его – перлит, феррит и пластинчатый графит (область IV).
5. ферритный серый чугун, структура:феррит и пластинчатый графит (область V). Весь углерод находится в виде графита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун - это сплав Fe–Si–C, содержащий в качестве примесей Mn, P и S. В структуре серого чугуна весь углерод находится в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектические чугуны, содержащие 2,4–3,8%С.

Белые чугуны, как самостоятельный конструкционный материал, не применяются из-за высокой хрупкости вследствие присутствия в них большого количества цементита. Белые чугуны используют как передельные чугуны при выплавке стали, а также для ковкого чугуна путём длительного отжига белого доэвтектического чугуна.

сплав Fe + 2,5% C (белый чугун)

Рис. 10.4. Кривая охлаждения сплава, содержащего 2,5% С (белый чугун)