Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Материаловедение
Материаловедение – наука, которая изучает связь между составом, строением и свойствами материалов.
Классификация материалов
Применяемые в народном хозяйстве материалы можно условно разделить на 2 группы:
- металлы и металлические сплавы – черные и цветные
- неметаллы
Металлы – материалы, для которых характерны высокая теплопроводность, высокая электропроводность, непрозрачность, металлический блеск, способность к пластической деформации и другие свойства.
Металлические сплавы – вещества, которые образуются при взаимодействии двух и более металлов или металлов с некоторыми неметаллами.
Группа металлов и металлических сплавов в свою очередь включает в себя черные и цветные металлы и сплавы.
К черным металлам относят железо (Fe) и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы). Подавляющее большинство всех конструкционных и инструментальных материалов изготовлены из сплавов на основе железа.
К цветным металлам относят остальные металлы: медь (Cu), алюминий (Al), никель (Ni), олово (Sn), титан (Ti), магний (Mg), золото (Au), серебро (Ag) и др.
Цветные металлы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в технике.
Золото используется в электронике, хромом покрывают металлические изделия в защитных целях, из меди делают электрические провода.
К неметаллам относят такие материалы как пластмасса, резина, каучук, стекло и керамика и т.д.
|
|
|
Эти материалы характеризуются хорошей хиической стойкостью, диэлектрическими свойствами, малой плотностью (то есть они легче металлов) и другими специфическими свойствами.
Строение металлов и сплавов.
Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение с определенным расположением атомов.
Дефекты кристаллического строения можно разделить на:
- точечные
- линейные
- поверхностные
К точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы
К линейным дефектам относят дислокации
Поверхностные дефекты представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами или их блоками.
Свойства металлов и сплавов:
Механические свойства
К основным механическим свойства относят:
- прочность
- пластичность
- твердость
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
Физические свойства
К физическим свойства относят:
- цвет
- плотность
- температуру плавления
- теплопроводность
|
|
|
- электропроводность
- магнитные свойства
Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.
Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые.
Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 оС, тантал – 2950 оС и др.) и легкоплавкие (олово – 232 оС, свинец – 327 оС). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).
Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).
Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.
Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.
|
|
|
Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.
К химическим свойствам относят:
- коррозионную стойкость
- жаростойкость
Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).
Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах
|
|
|
Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:
- емкости для перевозки химических реактивов
- трубопроводы химических веществ
- приборы и инструменты в химической промышленности
Фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. Чистое железо – металл серебристо-белого цвета с температурой плавления в 1539 °С. Железо имеет две полиморфные модификации: альфа (альфа) и гамма (гамма) . Модификация альфа существует при температурах ниже 911 °С и выше 1392 °С; гамма-железо – при температуре 911-1392 °С. В зависимости от температуры и концентрации углерода в железоуглеродистых сплавах (сталях и чугунах) образуются следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит, графит.
1. Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.
Альфа-железо имеет ОЦК структуру, которая стабильна до 911 °С. Наибольшая растворимость углерода в альфа-железе – 0,02% при 727 °С. С понижением температуры снижается и растворимость углерода, и при комнатной температуре она составляет 0,005% по массе. По этой причине феррит называют технически чистым железом, он имеет незначительную твердость (HB = 80-100) и прочность (предел прочности предел прочностив = 250 МПа), но высокую пластичность (относительное удлинение относительное удлинение до 50%, относительное сужение относительное сужение до 80%).
При температуре от 1392 °С до 1539 °С железо также имеет ОЦК структуру - это дельта-железо. Твердый раствор внедрения углерода в дельта-железе называют высокотемпературным ферритом.
2. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе.
Аустенит имеет ГЦК структуру. В железоуглеродистых сплавах аустенит может существовать только при высоких температурах. В гамма-железе углерод растворяется значительно лучше, чем в альфа-железе, максимальная растворимость углерода в гамма-железе составляет 2,14% и наблюдается при температуре 1147 °С. С пониженим температуры растворимость углерода снижается - до 0,8% при 727 °С. Аустенит имеет твердость HB = 160-200 и весьма пластичен (относительное удлинение 40-50%), наблюдается в сталях при температурах от 727 °С.
3. Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600 °С. Он очень тверд (HB порядка 800 единиц), хрупок и практически не обладает пластичностью. Выделяют цементит первичный, вторичный и третичный. Их отличия заключаются в происхождении:
- первичный цементит образуется из жидкого расплава при кристаллизации железоуглеродистых сплавов (линия СD),
- вторичный цементит выпадает из аустенита (по причине уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры - линия SE)
- третичный цементит выпадает из феррита с понижением температуры (по причине снижения растворимости углерода в феррите с понижением температуры - линия PQ)
Цементит - неустойчивая метастабильная фаза. При нагреве и длительной выдержке цементит распадается на феррит (альфа-железо) и графит (Fe3C -> 3Fe + C).
4. Графит – чистый углерод с гексагональной слоистой структурой. Графит очень мягок (HB = 3) и обладает низкой прочностью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной). С изменением формы графитовых включений меняются механические и технологические свойства сплава.
Помимо четырех вышеназванных фаз в струтуре сплавов железа с углеродом выделяют еще две самостоятельные структурные составляющие: перлит и ледебурит.
5. Перлит (П) – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода.
Перлит образуется из аустенита при охлаждении его до температуры ниже 727 °С. Таким образом, перлит является эвтектоидом. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности 800 МПа, относительное удлинение 15%, твердость HB = 160.
6. Ледебурит (Л) – механическая смесь аустенита и цементита (Л = А+ Ц), содержащая 4,3% углерода.
Ледебурит образуется из жидкого расплава при температуре 1147 °С. Таким образом, ледебурит по своей сути является эвтектикой. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при 1147 °С. Ледебурит имеет твердость HB = 600-700 HB и большую хрупкость. Ледебурит наблюдается в структуре чугунов, в сталях он образовывается только при большом количестве легирующих элементов и содержании углерода более 0,7%.
При охлаждении ледебурита до температуры в 727 °С входящий в его состав аустенит становится неустойчивым и распадается, превращаясь в перлит. Таким образом, при температуре менее 727 °С вплоть до 20 °С ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.
Помимо перечисленных структурных составляющих, в железоуглеродистых сплавах могут быть нежелательные неметаллические включения: окислы, нитриды, сульфиды, фосфиды – соединения с кислородом, азотом, серой и фосфором.
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 71; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!