Классификация железоуглеродистых сплавов

Структура сплавов в равновесном состоянии определяется содержанием углерода. По содержанию углерода на диаграмме «Железо – цементит»все сплавы принято делить на три группы: техническое железо, стали и чугуны.

Техническим железом называются сплавы с содержанием углерода от 0% до 0,02%. При концентрации углерода до 0,006% сплавы являются однофазными и имеют структуру феррита.

Сплавы с содержанием углерода от 0,006% до 0,02 % являются двухфазными. Это объясняется тем, что концентрация углерода в сплавах превышает его растворимость в феррите при комнатной температуре. В процессе охлаждения феррит любого сплава, имеющего концентрацию углерода свыше 0,006%, оказывается перенасыщенным. Равновесного состояния феррит достигнет за счет выделения цементита.

Сталями называются сплавы железа с углеродом, концентрация которого находится в пределах от 0,02 % до 2,14%.

Процессы, протекающие при первичной кристаллизации, на структуру сталей влияния не оказывают. Окончательная структура сталей формируется из аустенита. При 727 ºС (рис. 4.1, линия РSК) все стали претерпевают эвтектоидное превращение:

А0,8 % С → П (Ф0,02 % С + Ц6,67 % С).

Продуктом данного превращения является перлит – эвтектоидная смесь феррита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся:

· на доэвтектоидные стали (концентрация углерода от 0,02% до 0,8%), при комнатной температуре состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура таких сталей – феррит+перлит;

· эвтектоидные стали (концентрация углерода 0,8%), также состоящие из двух фаз – феррита и цементита, структура – перлит;

· заэвтектоидные стали (концентрация углерода от 0,8% до 2,14%), имеющие структуру перлит+цементит, образованную из двух фаз: феррита и цементита.

Чугунами называются железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода. Если весь углерод находится в химически связанном состоянии (в виде химического соединения Fe3C), то такой чугун называется белым. Своим названием такой чугун обязан цвету излома.

Для белых чугунов характерно эвтектическое превращение при температуре 1147 ºС (рис. 4.1, линия ЕСF), в результате которого образуется ледебурит – эвтектиче­ская смесь аустенита и цементита:

Ж4,3% С → А2,14% С + Ц6,67 % С.

При температуре 727 ºС происходит превращение аустенита в перлит, и после этого ледебурит будет состоять из перлита и цементита.

По структуре в равновесном состоянии чугуны делятся:

· на доэвтектические чугуны (от 2,14% до 4,3% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит; структурный состав − ледебурит, перлит, цемен-тит вторичный;

· эвтектические чугуны (4,3% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит структурный состав - ледебурит;

· заэвтектические чугуны (от 4,3 до 6,67% углерода). Фазовый состав − феррит и цементит, структурный состав − ледебурит, цементит первичный.

Все рассматриваемые выше сплавы состоят из одинаковых фаз − феррита и цементита, но имеют разную структуру, а именно структура определяет свойства сплавов.

Белые чугуны обладают хорошими литейными свойствами, но высокая твёрдость исключает их механическую обработку. Поэтому белые чугуны не являются конструкционным материалом. Высокие литейные свойства обеспечиваются углеродом, и в то же время углерод, соединяясь с железом, образует твёрдый цементит.

Чтобы сохранить высокие литейные свойства и понизить твёрдость чугуна, нужно, не уменьшая концентрации углерода, добиться резкою уменьшения цементитной составляющей в структуре. Для этого необходимо, чтобы весь или большая часть углерода выделилась в свободном виде в форме графита. Эту задачу решают введением в сплав кремния и медленным охлаждением отливки.

Серыми чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде пластинчатого графита. Поскольку серые чугуны, как минимум, трёхкомпонентные сплавы, то диаграмма «Железо − цементит» для определения структуры сплавов не пригодна. В серых чугунах различают металлическую основу и графитовые включения.

По металлической основе серые чугуны подразделяется:

· на ферритные серые чугуны со структурой феррит и графит пластинчатый;

· феррито-перлитные серые чугуны со структурой феррит, перлит, графит пластинчатый;

· перлитные серые чугуны со структурой перлит и графит пластинчатый.

Серые чугуны имеют хорошие литейные свойства, прекрасно обрабатываются резанием, но имеют низкую прочность и плохо сопротивляются ударным нагрузкам. Низкая прочность серого чугуна объясняется формой графита. Пластинчатый графит служит концентратором напряжения, выполняя роль надреза.

Чтобы сохранить достоинства серого чугуна и повысить его прочность, нужно изменить форму графита − пластины превратить в глобули. Эту проблему решают модифицированием − введением в расплав малых количеств магния или церия.

Высокопрочными чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь углерод или большая его часть находится в структурно-свободном состоянии в форме шаровидного графита.

По металлической основе высокопрочные чугуны делятся:

· на ферритные высокопрочные чугуны со структурой феррит и графит шаровидный;

· феррито-перлитные высокопрочные чугуны со структурой феррит, перлит и графит шаровидный;

· перлитные высокопрочные чугуны со структурой перлит и графит шаровидный.

Ковкими чугунами называются сплавы железа с углеродом, в которых весь или большая часть углерода находится в структурно свободном состоянии в виде графита хлопьевидного. Получают ковкие чугуны путём отжига белых чугунов.

По металлической основе ковкие чугуны подразделяются:

· на ферритные ковкие чугуны со структурой феррит и графит хлопьевидный;

· феррито-перлитные ковкие чугуны со структурой феррит, перлит и графит хлопьевидный;

· перлитные ковкие чугуны со структурой перлит и графит хлопьевидный.