Все применяемые в технике металлы делятся на черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и его сплавы (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы составляют группу цветных металлов.
Наибольшее распространение в технике получили черные металлы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных металлов, их высокой прочностью,
Основными металлическими материалами современной техники являются сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода эти сплавы делятся на стали и чугуны.
Сталь - желозоуглеродистый сплав, в котором углерода содержится до 2,14%.
Стали присущи свойства, делающие ее незаменимым материалом в машиностроении. Она обладает высокой прочностью и твердостью, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, Сталь можно ковать, прокатывать, легко обрабатывать на металлорежущих станках. Стальные изделия хорошо свариваются.
Чугун - железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2,14%.
|
|
В технике наибольшее применение получили чугуны, имеющие от 2,4 до 3,8% углерода.
Чугун более хрупок, чем сталь, он хуже сваривается, но обладает лучшими литейными свойствами. Поэтому изделия из чугуна получают исключительно литьем. Большая часть чугуна идет на переплавку в сталь.
Диаграмма состояния – это графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от его концентрации и температуры. Пользуясь диаграммой, можно изучить фазы и структурные составляющие сплава, установить возможность проведения термической обработки и ее режимы, температуры литья, горячей пластической деформации и т.д.
При изучении черных металлов совершенно обязательным является знание диаграммы состояния «железо-углерод», связывающей количественные изменения содержания углерода в стали и чугуне с их структурой при различных температурах, а следовательно, и со свойствами.
Диаграмма состояния железо-углерод построена на основании кривых охлаждения сплавов железа с углеродом. Основными структурными составляющими сплавов железа с углеродом являются аустенит, феррит, циментит, ледебурит и графит.
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в -железе. Предельная растворимость углерода в -железе 2,14% при 11300С. Нижняя температура существования аустенита равна 7230С. При этой температуре в нем растворяется 0,8% С. Аустенит мягкий и пластичный. Его твердость НВ 170-220. Он немагнитный.
Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в -железе. Его растворимость в -железе ничтожно мала (0,02% при 7230С).Феррит характеризуется малой прочностью, малой твердостью (НВ<80) и высокой пластичностью. При комнатной температуре феррит обладает ярко выраженными магнитными свойствами.
|
|
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа Fe3C содержащее 6,67% С. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 15500С. Цементит весьма тверд и хрупок. Его твердость НВ 800. Он обладает металлическими свойствами.
Перлит (П) – продукт распада аустенита при 7230С, представляющий эвтектоидную механическую смесь феррита с цементитом. Содержание углерода в перлите всегда равно 0,8%. Твердость его зависит от размера цементитных частиц и может колебаться от НВ 150 до НВ 220. Перлит может быть пластинчатым, в котором цементит имеет форму пластин, и зернистым, где он находится в форме округлых зернышек.
Ледебурит (Л) - эвтектическая механическая смесь (эвтектика) аустенита с цементитом, образующаяся при кристаллизации жидкого сплава, содержащего 4,3% С, при температуре 11470С. Нижняя граница существования ледебурита 7230С, при этой температуре аустенит претерпевает перлитное превращение. Охлажденный ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом. Ледебурит очень хрупок и тверд, так как основной его составной частью является цементит.
Графит (Г) - полиморфная модификация углерода. Графит мягок и обладает низкой прочностью.
Ледебурит и графит является структурной составляющей чугунов.
Углерод с железом образует устойчивое химическое соединение - цементит или может находится в сплаве в свободном состоянии в виде графита. Соответственно существует две диаграммы состояния сплавов железа-углерод: цементитная и графитная.
На рис. 7 приведен упрощенный вид цементитной диаграммы. Наибольшее количество углерода по диаграмме (6,67%) соответствует массовому содержанию углерода в химическом соединении - цементите.
Рис.7 Диаграмма состояния «железо-углерод»
Следовательно, компонентами, составляющими сплавы этой системы, будут, с одной стороны, чистое железо, с другой - цементит.
На горизонтальной оси диаграммы откладывается процентное содержание составляющих компонентов: в начальной точке – 100% железа и 0% углерода. Затем концентрация углерода увеличивается, а железа - уменьшается. Диаграмма заканчивается при содержании углерода 6,67%.
На вертикальных осях откладываются температуры. На начальной и конечной вертикалях указаны критические точки чистого железа и цементита. На вертикалях, соответствующих сплавам с промежуточными концентрациями составляющих компонентов, отмечены их критические точки. Критические точки, соответствующие одинаковым превращениям, соединены плавными линиями.
Буквенные обозначения характерных точек диаграммы являются общепринятыми во всех странах.Превращение из жидкого состояния в твердое (первичная кристаллизация). Линия АСД-ликвидус, а линия АЕСF-солидус. Выше линии АС сплавы системы находятся в жидком состоянии (ж). По линии АС из жидкого сплава начинает кристаллизоваться аустенит (А), следовательно, в области АСЕ будут находиться смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и аустенита (А). По линии СД из жидкого сплава начинают выпадать кристаллы цементита (Ц); в области диаграммы СFD находится смесь двух фаз – жидкого сплава (ж) и цементита (Ц). В точке С при массовом содержании углерода 4,3% и температуре 11470С происходит одновременно кристаллизация аустенита и цементита и образуется их тонкая механическая смесь эвтектика, называемая в этой системе ледебуритом (Л). Ледебурит присутствует во всех сплавах с массовым содержанием углерода от 2,14 до 6,67%. Эти сплавы относятся к группе чугуна.
Точка Е соответствует предельному насыщению железа углеродом (2,14%). Сплавы, лежащие левее этой точки относятся к группе стали.
|
|
Превращения в твердом состоянии (вторичная кристаллизация). Линии GSE, PSK показывают, что в сплавах системы в твердом состоянии происходят изменения структуры. Превращения в твердом состоянии происходят вследствие перехода железа из одной модификации в другую, в такие в связи с изменением растворимости углерода в железе.
В области диаграммы АGSE находится аустенит (А). При охлаждении сплава аустенит распадается с выделением по линии GS феррита (Ф) - твердого раствора углерода в -железе и перлита, а по линии SE-цементита и перлита. Цементит, выпадающий из твердого раствора, называется вторичным (ЦП) в отличие от первичного цементита (ЦI), выпадающего из жидкого сплава. В области диаграммы GSР находится смесь двух фаз - феррита (Ф) и распадающегося аустенита (А), а в области SEе1 - смесь вторичного цементита и распадающегося аустенита. В точке S при массовом содержании углерода 0,8% и при температуре 7230С весь аустенит распадается и одновременно кристаллизуется тонкая механическая смесь феррита и цементита вторичного - эвтектоид (т.е. подобный эвтектике), который в этой системе называется перлитом (Д). Сталь, содержащая 0,8% С называется эвтектоидной, менее 0,8% - доэвтектоидной, от 0,8 до 2,14% углерода - заэвтектоидной.
При охлаждении сплавов по линии РSК происходит распад аустенита, оставшегося в любом сплаве системы, с образованием перлита; поэтому линия РSК называется линией перлитного (эвтектоидного) превращения.
Сравнивая между собой превращения в точках С и S диаграммы можно отметить следующее:
1) выше точки С находится жидкий расплав, выше точки S - твердый раствор - аустенит;
2) в точке С сходятся ветви АС и СД, которые указывают на начало выделения кристаллов из жидкого раствора (первичной кристаллизации); в точке S сходятся ветви GS и SE, указывающие на начало выделения кристаллов из твердого раствора (вторичной кристаллизации);
3) в точке С жидкий раствор, содержащий 4,3% углерода, кристаллизуется с образованием эвтектики - ледебурита, в точке S твердый раствор, содержащий 0,8% углерода перекристаллизуется с образованием эвтектоида - перлита;
|
|
4) на уровне точки С лежит прямая EF эвтектического (ледебуритного) превращения, на уровне точки S - прямая РК эвтектоидного (перлитного) превращения.
Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью.
Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими материалами.
Однако цветные металлы имеют ценные свойства, которые делают их применение в технике неизбежным.
Например, медь и алюминий обладают высокой электро- и теплопроводностью и применяются в электропромышленности. Сплавы магния, алюминия и титана благодаря малому удельному весу широко применяются в самолетостроении и т.д.
Из большого числа цветных металлов и сплавов наибольшее распространение получили сплавы меди, алюминия и магния, а также подшипниковые сплавы.
В последний годы бурными темпами развивается производство титана и его сплавов, которые широко применяются в химической промышленности, в самолето- и ракетостроении, в космической технике.
Охарактеризуем подробнее важнейших представителей черных и цветных металлов, а также основы технологии их производства.