Железоуглеродистые сплавы - основа конструкционных и инструментальных материалов

Железо — основа сталей и чугунов, главных конструкционных материалов машиностроения. При сравнительно небольших добавках углерода (до 2%) из железа получают сталь, а при большем содержании углерода — чугун. Кроме углерода, в железоуглеродистых сплавах всегда имеются примеси: полезные — марганец, кремний и вредные — сера, фосфор, кислород и другие.

В чем же заключается основное отличие сталей от чугунов?
Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо хотя бы кратко ознакомиться с микроструктурой сталей и чугунов, элементами их строения, называемыми металлическими фазами. Взаимоотношение фаз, их количество и распределение создают структурную карту, характерную для каждого сплава. В стали, которая находится в отожженном (равновесном) состоянии, основная фаза — это феррит, почти чистое железо, по своей природе мягкая и пластичная. В структуре стали всегда присутствует и вторая фаза, так называемый цементит — соединение железа с углеродом Fе3С (карбид железа), твердое и прочное, но в то же время хрупкое.

Углерод в стали никогда не бывает в свободном виде. Незначительная его доля (при комнатной температуре менее 0,01%) находится в твердом растворе в железе — феррите, а основная часть связана с ним в виде цементита. Чем больше количество углерода, а следовательно, и цементита в стали, тем она тверже и прочнее, но менее пластична. Однако при содержании углерода более 1,2—1,3% прочность стали начинает снижаться в связи с излишне возрастающим количеством хрупкого цементита. Содержание связанного углерода свыше 2% уже в области чугунов настолько увеличивает хрупкость сплавов, что они становятся непригодными как конструкционные материалы, плохо поддаются обработке резанием. Это так называемые белые чугуны, так как цементит, имеющий светлый оттенок, придает  излому металла матово-белый цвет.

В промышленности применяются чугуны, углерод в которых находится не в связанном с железом, а в свободном состоянии в виде графитных включений, придающих излому серый оттенок. Структура серых чугунов состоит из стальной основы и выделений графита в форме пластин, чешуек. Так как графит не обладает практически никакой прочностью, то его включения в чугуне ослабляют основу сплава. Кроме того, они служат концентраторами напряжений, поэтому прочность и пластичность серых чугунов намного ниже, чем стали; разрушаются при обработке давлением — ковке, штамповке. Но чугунам присущи и известные преимущества над сталью: более низкая температура плавления и высокая жидкотекучесть, т. е. способность легче заполнять сложные литейные формы. В связи с этим серые чугуны служат для изготовления отливок корпусных деталей, станин станков, деталей двигателей и других изделий. Чугуны — это только литейные материалы.