Конструкционные материалы

С древнейших времен в качестве конструкционных материалов используются не только металлические, но и неметаллические материалы. Однако, несмотря на успехи, достигнутые в создании неметаллических материалов, все же основными являются металлические конструкционные материалы.

В технике наиболее широко применяются железоуглеродистые сплавы, к которым относятся стали и чугуны. Например, сталь имеет лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности из всех известных в технике материалов и поэтому является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Чугуны также обладают рядом ценных качеств, выгодно отличающих их от других конструкционных материалов. Объем производства чугуна и стали более чем в 10 раз превосходит объем производства других металлических материалов.

Изучение процессов кристаллизации железоуглеродистых сплавов и закономерностей образования фаз и структурных составляющих осуществляется на основании диаграммы состояния системы Fe – C, а именно той её части, которая имеет промышленное значение и ограничивается концентрацией углерода равной 6,67%, т. е. диаграммы Fe – Fe₃C.

Компонентами в этой системе являются железо и углерод.

Железо – металл серебристо-белого цвета, с температурой плавления, равной 1539^оС. До температуры 768^оС (точка Кюри) железо является ферромагнитным, а выше – парамагнитным.

Железо имеет две аллотропические модификации: Fe_a (с объемно-центрированной кубической решеткой) и Fe_g ( с гранецентрированной кубической решеткой). Fe_a существует при температурах ниже 911^оС и выше 1392^оС. В интервале температур 911…1392^оС существует Fe_g.

Углерод также существует в двух модификациях: графита и алмаза. При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет его метастабильную модификацию. При высоких давлениях и температурах стабильным становится алмаз.

Имеются две диаграммы состояния: метастабильная – характеризующая превращения в системе железо-цементит, и стабильная, характеризующая превращения в диаграмме железо – графит (рис. 5).

Фазами в сплавах железа с углеродом являются жидкий раствор, феррит, аустенит, цементит и свободный углерод в виде графита.

Линия PSK обозначается А_1, линия GS – А₃. При нагревании добавляется индекс с – (А_С1), а при охлаждении r – (A_r1). Линия SE обозначается А_cm.

Рисунок 5 - Диаграмма состояния системы Fe-Fe₃C (сплошные

линии отвечают метастабильной диаграмме,

штриховые – стабильной)

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в Fe_a. Различают низкотемпературный (предельная растворимость углерода – 0,025%) и высокотемпературный феррит (предельная растворимость углерода – 0,1%). Механические свойства феррита: s_в = 300 МПа; δ = 40%; y = 70%; КСU = 2,5 МДж/м²; 80…100 НB.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в Fe_g с максимальной растворимостью 2,14%. Аустенит пластичен, но прочнее феррита, его твердость составляет 160…200 НВ при комнатной температуре.

Цементит представляет собой химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67%С и имеет сложную ромбическую решетку. Цементит тверд (до 800 НВ) и хрупок, обладает слабым ферромагнетизмом до 210^оС. Температуру плавления цементита трудно определить в связи с его распадом при нагреве, но при сверхбыстром нагреве лазерным лучом она установлена равной 1260^оС.

Графит – углерод, выделяющийся в железоуглеродистых сплавах в свободном состоянии. Имеет слоистую гексагональную кристаллическую решетку с расстоянием между плоскостями, равным 0,340 нм. Межатомные расстояния составляют 0,142 нм. Графит обладает низкой прочностью и твердостью, что объясняется большими расстояниями и слабой связью меду слоями в его решетке. Температура плавления графита достигает 3500^оС, а плотность – 2,5 г/см³.

В результате эвтектоидного превращения при температуре 727^оС образуется эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита – перлит.

В результате эвтектического превращения при температуре 1147^оС образуется эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита – ледебурит.