Дефекты отливок - Несоответствие состава, структуры и свойств

Несоответствие состава, структуры и свойств.

Химический состав, структура и физико-механические свойства сплавов.

Сплавами называются материалы, получаемые сплавлением нескольких металлов и неметаллов. Металл, содержание которого преобладает в сплаве, называют его основой. Если основой сплава является железо, то такие сплавы называют черными. К черным сплавам относятся сталь и чугун. Если основой сплава являются цветные металлы — медь, алюминий, магний, цинк, свинец, титан, никель, — сплавы называют цветными.

Кроме того, в сплав входят еще несколько элементов, сочетание которых с основой и определяет главные его свойства. В состав чугуна наряду с железом входят 2,5—4,0% углерода, 1,0—3,0% кремния, 0,5—1,0% марганца и др. В сплаве всегда имеются примеси, попадающие в пего из исходных материалов при плавке. К таким примесям относятся в чугуне сера (до 0,2%) и фосфор (до 0,15%). Для придания специальных свойств в сплав дополнительно вводят легирующие элементы. Хром, никель, титан, медь, ванадий, молибден, висмут, бор, марганец — основные легирующие элементы в чугунах и сталях.

Металлы и сплавы имеют кристаллическое строение, т. е. атомы в них размещены в строгом геометрически правильном порядке. Порядок расположения атомов характеризуется пространственной или кристаллической решеткой, состоящей из многих элементарных ячеек.

При расплавлении и нагреве сплава его кристаллическое строение нарушается. При охлаждении жидкого сплава происходит его затвердевание путем образования и роста кристаллов. От химического состава сплава зависит состав и строение образующихся кристаллов. Если элементы сплава в твердом состоянии взаимно растворимы, то из сплава выделяются кристаллы твердого раствора. Они отличаются от кристаллов чистого металла тем, что часть атомов одного металла в кристаллической решетке замещена атомами другого металла (или других металлов), входящего в твердый раствор.

Если элементы сплава в твердом состоянии не растворимы один в другом, то из сплина при затвердевании выделяются кристаллы каждого из элементов. Если же элементы сплава в твердом состоянии растворимы один в другом ограниченно (в определенной концентрации) и растворимость их уменьшается с понижением температуры, то из сплава могут выделяться и кристаллы чистых металлов, и кристаллы твердых растворов; причем с понижением температуры происходит выделение из кристаллов твердого раствора того элемента, растворимость которого при охлаждении уменьшается. Следовательно, кристаллы твердого раствора изменяются по составу, одновременно может изменяться и их строение.

Феррит - почти чистое железо (по весу в нем содержится около 0,006% углерода).

Цементит (карбид железа) — высокоуглеродистое химическое соедините железа с углеродом (Fe3C), содержащее 6,67% углерода Перлит — равномерная механическая смесь феррита и цемента, образующаяся при 723° С; содержит 0,8% углерода.

Аустенит — твердый раствор углерода в железе, содержащий до 1,8% углерода. При температуре ниже 1130°С растворимость углерода в железе уменьшается, и избыточный углерод выделяется в виде цементита или графита.

Ледебурит — механическая смесь зерен аустенита и цементита, образующаяся при затвердевании сплавов.

Графит — кристаллическое включение углерода в металлической основе.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2% углерода, называют сталями, а более 2% углерода — чугунами.

Следует отметить, что при эвтектической кристаллизации выделение углерода возможно в виде цементита и в виде графита. Цементит выделяется при малом количестве в чугуне элементов, способствующих выделению свободного графита (кремния и углерода), и повышенном количестве элементов, препятствующих выделению свободного графита (хрома, марганца, ванадия, молибдена).

Выделению цементита способствует повышение скорости охлаждения при затвердевании. Если в процессе кристаллизации выделился цементит, то он сохраняется в структуре чугуна и после полного охлаждения. Чугун, в структуре которого содержится свободный графит, называют серым. Чугун, в структуре которого весь углерод выделился в виде цементита, называют белым. Если белый чугун нагреть до температуры 950— 1000° С и выдержать при этой температуре, то цементит в нем распадается с образованием аустенита и свободного графита. Выделяющийся при этом графит имеет не пластинчатую, а компактную форму. Такой чугун обладает более высокой пластичностью, чем серый чугун, и его называют ковким.

При высоком содержании в чугуне элементов, способствующих графитизации, и при замедленном охлаждении его в твердом состоянии в интервале температур 723—600° С цементит в перлите неустойчив и превращается в феррит и графит.

При вводе в жидкий чугун таких элементов, как магний, церий и др., графит приобретает шаровидную форму. Чугун с шаровидным графитом обладает повышенной прочностью и носит название высокопрочного чугуна. В высокопрочном чугуне с шаровидным графитом содержание магния должно составлять 0,03—0,06%. Структура металлической основы чугуна с шаровидным графитом такая же, как в сером и ковком чугуне: ферритная, перлито-ферритная, перлитная, перлито-цементитная.

Структуру чугуна можно наблюдать под микроскопом на отполированном кусочке сплава (шлифе), протравленном 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте. На схематически представлена микроструктура серого, белого, ковкого и высокопрочного чугунов.

При кристаллизации стали из жидкого раствора выделяются только кристаллы аустенита. Так же как и в случае охлаждения чугуна, при охлаждении затвердевшей стали растворимость углерода в аустените с понижением температуры уменьшается. Если в стали содержится более 0,8% углерода, то при охлаждении до 723° С избыток углерода выделяется в виде цементита. При охлаждении ниже 723° С аустенит, содержащий 0,8% углерода, распадается с образованием перлита. Структура стали, содержащей более 0,8% углерода, — перлито-нементитная.