По каким свойствам серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом, которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

• Низколегированной
• Среднелегированной
• Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

• Низкоуглеродистой
• Среднеуглеродистой
• Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения — оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м3, а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как — прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520оС и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

• Белый — где лидирует в большинстве цементит, этот материал на изломе имеет белый цвет. Данный компонент отличается хрупкостью и одновременно твердостью. Он легок в обработке, что придает ковкость чугуну.
• Серый — в этой разновидности большую долю составляет графит, за счет чего чугун получается пластичным. Готовый чугун имеет небольшую температуру плавления, отличается мягкостью, его легче резать.
• Ковкий — достигается методом обжига белого чугуна, его томят в специальных нагревательных печах при температуре в 950-1000оС. Присущая белому чугуну твердость и хрупкость снижаются, он не куется, а только становится более пластичным.
• Высокопрочный сплав чугуна — в нем содержится шаровидный графит, который образуется в ходе кристаллизации.

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250оС.

Антикоррозийные свойства у чугуна выше, поскольку он подвергается сухой ржавчине в процессе использования, это называется химическая коррозия. Влажная коррозия также воздействует на чугун медленней, чем на сталь. Эти качества привели к тому, что было совершено открытие в металлургии — начали выплавлять сталь с высоким содержанием хрома. Отсюда и появилась нержавеющая сталь.

Делаем вывод

Исходя их многочисленных характеристик, можно сказать следующее о чугуне и стали, в чем их отличие:

• Сталь является более прочной и твердой, чем чугун.
• Сталь имеет более высокую температуру плавления, она тяжелей.
• Более низкий процент содержания углерода в стали делает ее легкой в обработке, ее проще резать, ковать и варить.
• По этой причине изделия из чугуна можно отлить, а стальные сварить или сделать кованными.
• Стальные изделия менее пористые, чем чугунные, поэтому они обладают большей теплопроводностью.
• По цвету они также отличаются, сталь светлая и блестит, а чугун более темный с матовой поверхностью.
• Стоимость на сталь всегда выше чугунных материалов.

Можно сделать вывод, что сталь и чугун объединяет содержание в них углерода и железа, но их характеристики отличаются и каждый из сплавов имеет свои особенности.

Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т £ 1147 оС непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения

охл

Жс ® АЕ + Ц. (2.3)

Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).

Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т£ 727 оС аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит(Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.

По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические(2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+ЦII, эвтектические(4,3 %С)– Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+ЦII.

Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.

Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода > 2,14 %.

Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.

На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.

Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита[14] различной формы.

Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:

1) формы (и количества) графитных включений,

2) структуры металлической основы.

По первому признаку эти сплавы делятся:

1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;

2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;

3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.

Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).

В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.

Таблица 2.1

Классификация, маркировка и механические свойства

различных видов серых чугунов

Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).

Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).

По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.

Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.

Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном[15] состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе3C).

На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3) сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.

Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в » 4 раза).

Обсуждение явлений, происходящих в процессе упрочняющей термической обработки сталей, – следующая тема 2.2.

Внимание!

Раздел 2.1 — первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А Ф + Ц при t ≤ 727 оС), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.

В следующей теме 2.2 будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке сталей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки.

Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.

Вопросы для самопроверки к теме 2.1

1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?

8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до — и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?

9. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.

10. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.

11. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?

12. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?

13. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?

14. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.

Промежуточные тесты к теме 2.1

I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?

1. 6,67.

2. 0,8.

3. 2,14.

4. 1,2.

5. 4,3.

II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:

1) перлит;

2) феррит;

3) цементит;

4) ледебурит;

5) аустенит.

III. Укажите номера всех типовых структур металлической основы различных видов серых чугунов:

1) феррит;

2) ледебурит;

3) феррит + перлит;

4) ледебурит + цементит первичный;

5) перлит.

IV. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых?

1. Аустенит.

2. Графит.

3. Цементит.

4. Перлит.

5. Феррит.

V. Какой химический элемент преобладает в сталях?

1. Углерод.

2. Хром.

3. Железо.

4. Никель.

5. Кислород.

VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью?

1. Шаровидный графит (Г) + феррит (Ф).

2. Шаровидный Г + перлит (П).

3. Пластинчатый Г + П.

4. Хлопьевидный Г +Ф + П.

5. Хлопьевидный Г + Ф.

VII. Из каких фаз формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах?

1. Аустенит.

2. Феррит.

3. Цементит.

4. Ледебурит.

5. Перлит.

VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с увеличением содержания в них углерода?

1. Твердость и пластичность растут.

2. Твердость и пластичность падают.

3. Твердость растет, пластичность падает.

4. Твердость падает, пластичность, пластичность растет.

5. Твердость растет, пластичность не изменяется.

IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре?

1. Феррит.

2. Цементит вторичный.

3. Перлит.

4. Аустенит.

5. Ледебурит.

X. По каким из перечисленных характеристик серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей?

1. Антифрикционные свойства.

2. Стоимость.

3. Литейные свойства.

4. Прочность.

5. Пластичность.

XI. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью?

1. Эвтектоидная сталь.

2. Доэвтектоидная сталь.

3. Ковкий чугун на ферритной основе.

4. Доэвтектический белый чугун.

5. Техническое железо.