Стали доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные,
Их структура
Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь 
; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь 
.
По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на:
— доэвтектоидные (0,02%
· из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
· детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
· чугун значительно дешевле стали;
· производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.
Контрольные вопросы
1. Чем чугун отличается от стали по составу?
2. Чем чугун отличается от стали по технологическим свойствам?
3. Как наличие углерода и кремния влияет на свойства чугуна?
4. Как наличие сера влияет на свойства чугуна?
5. Как наличие фосфора влияет на свойства чугуна?
6. Назовите положительные стороны наличия графита.
3.4. Виды чугунов. Белый и серый чугуны. Применение белых и серых чугунов
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
· белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
· серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
· половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.
Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.
Влияние формы графита на механические свойства чугунов.
Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение ( 
) дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.
Белый чугун — вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30%) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна — из сложных карбидов и легированного феррита. Классифицируется:
— передельный чугун — П1, П2;
— передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2,
— передельный фосфористый чугун — ПФ1, ПФ2, ПФ3,
— передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
Серый чугун. Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок.
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – -1 , а второе – относительное удлинение — КЧ 30 — 6.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение ковкого чугуна.
2. Назовите область применения ковких чугунов.
3. Как маркируются ковкие чугуны?
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.
Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов — обратное.
Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, достаточно высокой ударной вязкостью и усталостной прочностью. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна.
Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели.
Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на 
ВЧ 100.
Контрольные вопросы
1. Назовите классификацию высокопрочных чугунов.
2. Назовите область применения высокопрочных чугунов.
Источник
Доэвтектоидные и эвтектоидные стали
Стали, содержащие от 0,025 до 0,8% углерода, называются доэвтектоидными.
Структура этих сталей состоит из феррита (светлый фон) и перлита (темные зерна). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода (рис.5) в соответствие с диаграммой состояния (рис.1).
 |  |  |
| а | б | в |
| Феррит + перлит – a + (a+Fe3C) — 0,2-0,3% С | Перлит + феррит – (a+Fe3C)+ a — 0,4-0,5 % С | Перлит + феррит – (a+Fe3C) + a 0,5-0,7% С |
Рис.5. Микроструктура доэвтектоидных сталей:
а – сталь 20, б – сталь 45, в – сталь 60
Поэтому, считая, что феррит углерод практически не растворяет, а наличие в структуре 100% перлита соответствует 0,81% С, можно найти содержание углерода в любой доэвтэктоидной стали, определив с помощью микроскопа количественное соотношениемежду структурными составляющими и решая затем простую пропорцию.
0,81% С — 100% перлита
где А — количество перлита встали, определенное визуально с помощью микроскопа.
При содержании 0,8% С сталь называется эвтектоидной и состоит из одного перлита.
Твердость и предел прочности эвтектоидной стали выше, чем доэвтектидной, а пластичность ниже.
Заэвтектоидные стали
Стали с содержанием углерода от 0,81 до 2% называются заэвтектоидными, ихструктурасостоит из перлита и вторичного цементита.
Цементит
Цементит — самая хрупкая и твердая (НВ>800) структурная составляющая. Пластичность цементита ничтожно мала и практически равна нулю, что, вероятно, является следствием сложного строения его кристаллической решетки. Кристаллическая структура цементита очень сложна. Есть много различных способов ее изображения, один из наиболее удачных показан на рис. 6.
Цементитная сетка в структуре стали снижает ее пластичность, а твердость — увеличивает. Поэтому с возрастанием количества вторичного цементита пропорционально увеличению концентрации в ней углерода твердость ее повышается, а пластичность падает.
Рис. 6. Кристаллическая структура цементита
Цементит содержит 6,67% углерода, является самой хрупкой и твердой (НВ до 800) структурной составляющей железоуглеродистых сплавов.
В заэвтектоидной стали вторичный цементит обычно расположен в виде светлой сетки или светлых зерен (цепочки) по границам перлитных зерен или в виде игл (рис.7).
Рис.7. Микроструктура заэвтектоидной стали У12 — 1,2 % С
(перлит + цементит вторичный)
а – цементит вторичный зернистый; б – в виде сетки по границам зерен
В сталях, содержащих углерод несколько меньше 0,81%, в виде сетки по границам зерен перлита может также выделиться феррит. При обычном травлении 4%-ным раствором азотной кислоты эта сетка также получается светлой. Для выяснения, является эта сетка ферритной или цементитной, микрошлиф подвергают травлению пикратом натрия.
Если сетка после травления осталась светлой, то это феррит и, следовательно, сталь является доэвтектоидной; если сетка потемнеет, то это цементит, и сталь является заэвтектоидной.
Вторичный цементит в заэвтектоидиой стали занимает незначительную по величине площадь, определить которую на глаз затруднительно. Поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, для заэвтектоидных — не пользуются.
Выделение вторичного цементита по границам зерен аустенита и цементита перлита в виде пластинок нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью, плохо обрабатывается резанием и после окончательной термической обработки готовые детали (инструмент) будут иметь пониженные механические свойства, главным образом малую пластичность и ударную вязкость. Поэтому стремятся получать цементит в виде мелких зерен округлой формы (шарики). Структура зернистого перлита является исходной структурой для инструментальных сталей (рис.4).
Таким образом, свойства стали после медленного охлаждения определяются свойствами ее структурных составляющих и их количественным соотношением. Структура же стали состоит из перлита с избыточным или ферритом, или цементитом, в зависимости от количества в ней углерода. Следовательно, именно содержание углерода в стали определяет ее механические и технологические свойства — прочность, твердость, пластичность, вязкость.
Количество цементита в структуре стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода, а как указывалось выше, твердость цементита НВ>800 (8000-8500 МПа) на порядок больше твердости феррита НВ 45-80 (450-800 МПа). Кроме того, частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации, уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали содержания углерода до 1,0% возрастают твердость, прочность, предел текучести и понижаются показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) и ударная вязкость (рис.6).
При содержании углерода свыше 1,0-1,1% твердость стали в отожженном состоянии возрастает, а прочность уменьшается из-за наличия вторичного цементита, образующего сплошную сетку и вызывающего хрупкое преждевременное разрушение.
С увеличением содержания углерода меняется структура стали, увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита. Это приводит соответственно к изменению свойств стали.
Pиc. 8. Влияние углерода на механические свойства стали
Чем больше углерода в стали, тем выше твердость и прочность, но ниже пластичность (рис.8).
Механические свойства стали зависят также от формы и размеров феррито-цементитной смеси.
Чем дисперсней (тоньше) частички феррито-цементитной смеси, тем выше твердость и прочность стали.
Зернистая форма цементита по сравнению с пластинчатой при одинаковой твердости обладает более высокой пластичностью и ударной вязкостью.
С повышением содержания углерода в стали:
— снижается свариваемость, углерод способствует также образованию трещин и пор в процессе сварки в сварном шве,
— до некоторого содержания углерода (0,3-0,5%) улучшается обрабатываемость резанием.
Далее с повышением содержания углерода:
— ввиду высокой твердости стали, обрабатываемость резанием ухудшается;
— повышается порог хладноломкости стали;
— усиливается чувствительность стали к дисперсному старению и к старению после холодной пластической деформации;
— понижается устойчивость стали против коррозии в атмосферных условиях, в речной и морской воде.
Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии приведены в табл. 1.
Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии (не менее)
Источник