Что называют сплавом железа с углеродом

Сплав железа с углеродом

Сплавы на основе железа и особенно железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – являются важнейшими материалами, применяемыми в промышленности. Для правильного понимания природы свойств разнообразных марок сталей и чугунов, необходимо иметь хорошее представление о диаграмме железо-углерод, разобраться в структурно-фазовом составе. На рис. 2.1 приведена диаграмма состояния Fe-C, на которой одной из важнейших фаз, влияющих на свойства сплавов, указан карбид железа Fe₃C или цементит. Из диаграммы видно, что цементит ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому на диаграмме даны две согласующиеся друг с другом шкалы концентраций: одна показывает содержание углерода, а другая – цементита в процентах. Содержание углерода в цементите – 6,67%. Следовательно, левая ордината показывает содержание чистого железа, а правая – цементита.

Железо может находиться в двух аллотропических формах, которым соответствуют решетки ОЦК и ГЦК. Точки N (1392°С) и G(910°С) соответствуют полиморфному превращению α-Fe↔ γ-Fe. То при сплавлении с углеродом эта температура может понизиться до 727°С линия PSK. Температура плавления железа 1539°С. Температура плавления цементита 1250°С.

Основными фазами и структурными составляющими данной системы, от которых зависят свойства сплавов и их поведение при нагреве, охлаждении и нагружении являются феррит (Ф), аустенит (А) и цементит (Ц).

Рис. 2.1. Диаграмма состояния Fe-C (Fe-Fe₃C)

Цементит является самой твердой и хрупкой фазой и структурной составляющей в рассматриваемом ряду сплавов, его твердость составляет 8000МПа (второе место после алмаза), а пластичность равна нулю. Следовательно при увеличении углерода в сплаве и возрастании количества твердого и хрупкого цементита и уменьшения доли мягкого и пластичного феррита твердость и прочность сплава должна повышаться, а пластичность и вязкость уменьшаться. Такой широкий диапазон противоречий механических свойств железо-углеродистых сплавов в левой части высокая пластичность, вязкость и небольшая твердость и огромная твердость с малыми пластичностью и вязкостью – в правой, дали возможность делить сплавы на стали и чугуны.

К сталям формально относятся сплавы содержащие менее 2,14% С, остальные сплавы причисляются к чугунам. Перечисленные ранее входящие в состав сталей и чугунов фазы (аустенит, феррит, цементит), могут находиться в них в виде зерен или мелких продолговатых включений и образовывать структурные составляющие – механические смеси – перлит и ледебурит.

Перлит– механическая смесь тонких пластинок цементита и более толстых пластинок феррита. Он образуется при 727°С, при охлаждении аустенита до 727°С, т.е. линии PSK, приобретает концентрацию 0,8% С, распадается: А_0,8→Ф_0,02+Ц_6,67 (индексы при фазовых составляющих означают содержание в них углерода). Перлит образуется как в сталях, так и в чугунах и играет важную роль в формировании их свойств.

Ледебурит – механическая смесь одновременно кристаллизующихся из жидкой фазы зерен аустенита и цементита при постоянной температуре 1147°С, такая смесь называется эвтектической. Ледебурит содержит 4,3% С, т.е. при охлаждении жидкой фазы до Т=1147°С (линии ECF) и снижении углерода до 4,3% С происходит одновременная кристаллизация аустенита и цементита:

При понижении температуры до 727°С растворимость углерода в аустените снижается по линии ES до 0,8% и аустенит превращается в перлит. На диаграмме ледебурит с аустенитом обозначен Л_А, а с перлитом Л_П.

2.2. Выплавка чугуна

Чугун получают из железных руд (железо в руде находится в виде оксидов Fe₂O₃, Fe₃O₄ или FeO) плавильных агрегатах называемых доменными печами (рис. 2.2).

Для восстановления железа в доменную печь загружают топливо (кокс) и флюс (известняк CaCO₃). Коксслужит источником теплоты и восстановителем железа в виде CO, твердого углерода, углеводорода.

Флюс – известняк в сочетании с пустой породой – SiO₂ – образует легкоплавкую смесь с меньшей плотностью, чем у чугуна, скапливается над ним в виде шлака. Но загружаемые в доменную печь руда, кокс и известняк всегда содержат какое-то количество вредных примесей, попадающих в чугун, а из него в сталь в виде сульфидов FeS, FeS₂, фосфидов в виде (FeO)₃P₂О₅, (CaО)₃P₂O₅.

Схема восстановления железа из руды при получении чугуна:

Железо в доменных печах восстанавливается косвенным путем газами СО, Н₂, С₂Н₄ на первых двух ступнях, а на последней ступени взаимодействуют сильно разогретые закись железа и углерод кокса происходит прямое восстановление, образуя губчатое железо. Последнее науглераживается до 4,3%С, образуя легкоплавкую ледебуритную смесь, которая плавится и стекает на дно доменной печи.

Одновременно с восстановлением железа из MnO₂ и SiO₂ восстанавливаются и растворяются в жидком чугуне марганец и кремний:

В образующемся жидком чугуне растворяются также сера и фосфор, образуя сульфиды железа, сульфиды марганца, фосфиды железа, силикаты железа. Все эти примеси при переплавке чугуна переходят в сталь.

Следовательно, сущность производства чугуна заключается в восстановлении железа из его химических соединений при температуре С, СО, Н₂, С₂Н₄. и насыщение его углеродом и восстановленными примесями в результате получается чугун.

Чугун периодически через 3-4 часа выпускается из доменной печи в ковш. По назначению выплавляется два вида чугуна: литейный для получения отливок и передельный для получения стали.

2.3. Чугуны

Железоуглеродистые сплавы в правой части диаграммы – рис. 2.1. Чугуны являются двухкомпонентными белыми чугунами, в которых весь углерод связан с железом в цементит. В реально получаемых чугунах определенная часть углерода может находиться в свободном состоянии в виде графита – темного кристаллического вещества с гексагональной кристаллической решеткой. Поэтому, чугуны принято делить на белые и серые. Белые имеют светлый излом в виду отсутствия графита и серые чугуны, имеющие темный излом из-за графита.

Графитными включениями можно управлять, придавая чугуну те или иные механические свойства в зависимости от формы и размеров этих включений.

В серых чугунах (СЧ) графитные включения имеют форму пластинок. Такой чугун является с готовыми концентраторами напряжений. Чем больше пластинок графита и чем они крупнее, тем ниже прочность серого чугуна. Серые чугуны по металлической массе бывают ферритные (феррит + графит), феррито-перлитные (феррит+графит+ перлит) и перлитные (перлит+графит). Металлическая масса в серых чугунах зависит от скорости охлаждения и наличия модификаторов.

Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит).

Высокопрочный чугун (ВЧ). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получают путем модифицирования серого чугуна магнием (0,03-0,07%) или магниевых лигатур с никелем 8-10%.

Ковкий чугун (КЧ). Ковкий чугун получают длительным (70-80ч) графитизирующим отжигом при высоких температурах (950-970°С) отливок из белого чугуна, что способствует образованию графита хлопьевидной формы. Металлическая основа ковкого чугуна: ферритный КЧ и перлитный КЧ. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун. Толщина стенок отливки не должна превышать 40-50 мм.

Отжиг белого чугуна проводят в две стадии: нагрев до 950-970°С и выдержка для протекания первой стадии графитизации, т.е. распад цементита, входящего в состав ледебурита (А+Fe₃C_I) и получим А+графит (рис. 2.3). В результате распада цементита диффузионным путем образуется хлопьевидный графит (углерод отжиг).

Рис. 2.3. Схемы отжига ковкого чугуна.

Затем отливки охлаждают до температуры эвтектоидного превращения. В результате охлаждения до температур эвтектоидного превращения из аустенита выделяется вторичный цементит и его распад, что приводит к росту графитных включений. В эвтектоидном температурном интервале охлаждения резко замедляют и дают выдержку для протекания II стадии графитизации при распаде аустенита с образованием ферритно-графитной структуры. Излом ферритного КЧ бархатисто-черный вследствие большого количества графита. Если не проводить выдержку ниже эвтектоидной температуры и не снижать скорость охлаждения, то образуется перлитный ковкий чугун (П+Г), имеющий светлый сталистый излом.

Ферритные ковкие чугуны. КЧ37-12 и КЧ35-10 используют для изготовления деталей, эксплуатируемых при высоких динамических нагрузках (картеры редукторов, ступицы, крюки), а КЧ30-6 и КЧ33-8 – для менее ответственных деталей (головки, хомутики, гайки, глушители, фланцы, муфты и т.д.).

Перлитные ковкие чугуны. КЧ50-5, КЧ55-4 обладают высокой прочностью, удельной пластичностью, хорошей износостойкостью из него изготовляют вилки карданных валов, звенья и ролики цепных конвейеров, втулки, муфты, тормозные колодки и т.д. Для повышения твердости, износостойкости и прочности ковкого чугуна применяют нормализацию при 800-850°С, или закалку от 850-900°С и отпуск при 450-700°С. Закалка с последующим высоким отпуском позволяет получить структуру зернистого перлита.

Источник

Сталь (сплав железа с углеродом)

Для феррита характерны относительно низкие прочность и твёрдость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма твёрд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твёрдости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре С. определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обусловливают многообразие свойств С. Так, С., содержащая

0,1% С (в её структуре преобладает феррит), характеризуется большой пластичностью; С. этого типа используется для изготовления тонких листов, из которых штампуют части автомобильных кузовов и др. деталей сложной формы. С., в которой содержится

Классификация сталей. В современной металлургии С. выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. По типу сталеплавильного агрегата (кислородный конвертер, мартеновская печь, электрическая дуговая печь) С. называется кислородно-конвертерной, мартеновской или электросталью. Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой (по характеру футеровки) печи; С. при этом называется соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская С.).

По характеру застывания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую С. Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удалён из С. кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания; при разливке малораскисленной С. в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода ‒ С. как бы «кипит». Полуспокойная С. занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей С. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки С. определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.

Маркировка сталей. Единой мировой системы маркировки С. не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок С., что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой С. обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые С. маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную С. иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную ‒ пс, кипящую ‒ кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке С. указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные С. маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные С. ‒ буквой У (У8, У10, У12 и т.д. ‒ здесь цифры означают содержание С. в десятых долях процента).

Лит.: Сталеплавильное производство. Справочник, под ред. А. М. Самарина, т. 1‒2, М., 1964; Меськин В. C., Основы легирования стали, 2 изд., М., 1964; Гудремон Э., Специальные стали, пер. с нем., 2 изд., т. 1‒2, М., 1966; Дреге В., Сталь как конструкционный материал, пер. с нем., М., 1967; Гуляев А. П., Чистая сталь, М., 1975.

Лит.: Тульские «златокузнецы». [Альбом], Л., 1974.

Источник

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Сплавы железа с углеродом являются основой так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, кото­рые служат важнейшими конструкционными материа­лами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят прежде всего от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодей­ствия.

Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; тугоплавкий. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации, a и g.

При температурах ниже 910°С железо имеет объем­но-центрированную кубическую решетку. Эту модифи­кацию называют a-железо; a-железо магнитно до тем­пературы 768°С (точка Кюри).

При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при 910°С превращается в гранецентрированную кубическую решетку, a-железо превраща­ется в g железо; g-железо существует при температуре 910-1392°С.

Углерод является неметаллическим элементом. Тем­пература плавления углерода 3500°С. Углерод в приро­де может существовать в двух полиморфных модифика­циях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде уг­лерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом со­стояниях, может образовывать химическое соедине­ние — цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в a-железе. Имеет объемно-центриро­ванную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатыва­ется давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в g-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей су­ществования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц)— химическое соединение железа с уг­леродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержит­ся 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решет­ку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоугле­родистых сплавов. Цементит неустойчив и в определен­ных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции: Fe₃C > 3Fe + С.

Чем больше цементита в железоуглеродистом cплаве, тем выше его твердость.

Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влия­ет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при пере­кристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а пер­лит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочно­стью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в резуль­тате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

Диаграмма состояния железо — цементит представ­лена в упрощенном виде на рис. 14. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых спла­вов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода).

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аус­тенит), химических соеденений

(в упрощенном виде): А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит,

Ф.— феррит, Ц — цементит

Жидкий сплав (Ж. С.) существует выше линии ликви­дус ACD. Цементит Fe₃C (Ц) — вертикальная линия DFKL. Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (А) — AESG.

На диаграмме точка А (1539°С) соответствует темпе­ратуре плавления железа, а точка D (1600°С) — темпе­ратуре плавления цементита. Точка С (911 °С) — темпе­ратура полиморфного превращения железа a g.

Точка С соответствует предельному содержанию уг­лерода в аустените (2,14 % при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аус­тените уменьшается полинии ES. В точке S она состав­ляет 0,8 % при 727°С.

Точка Р — предельное содержание углерода в ферри­те 0,02 % при 727°С. При охлаждении до комнатной тем­пературы растворимость углерода в феррите уменьша­ется по линии PQ до 0,005 %.

При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется с образованием эвтек­тики (механической смеси двух фаз аустенита и цемен­тита). При этом образуется структура ледебурита. Точка С на диаграмме — точка эвтектики, линия ECF— линия кристаллизации эвтектики.

При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % углерода, распадается на две фазы — цементит и фер­рит, т. е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S — точка эвтектоида, линия PSK— ли­ния эвтектоидного превращения.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.

Сплавы,содержащие до 2,14% углерода, кристаллизуют­ся в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затверде­вания сплавы имеют однофазную структуру — аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содер­жащих от 2,14 до 4,3% С, из жидкой фазы при темпе­ратурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3 % С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердевания доэвтектические спла­вы состоят из аустенита и ледебурита.

В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С, с понижением температуры до линии ликви­дус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебури­та. После затвердевания заэвтектические чугуны состо­ят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.

Эвтектический сплав (4,3% C) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтек­тики — ледебурита (А + Fe₃C).

После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с из­менением растворимости углерода в аустените и в фер­рите с понижением температуры.

Сплавы, содержащие до 0,02% С (точка Р), испыты­вают при охлаждении и при нагреве полиморфное пре­вращение a g между линиями GOS и GP. Ниже ли­нии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в фер­рите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).

Сплавы, содержащие 0,02—0,8% С, называют доэвтектоидными. Эти стали после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начи­нают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.

В эвтектоидном сплаве (0,8% С) при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

При охлаждении заэвтектоидных сплавов(от 0,8 до 2,14% С) до температур, соответствующих линии SE, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.

В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структу­ра доэвтектических сплавов после окончательного ох­лаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Эвтектический сплав (4,3 % С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + це­ментит).

Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

При температурах ниже 727° С железоуглеродистые спла­вы имеют различную структуру, но фазовый состав их оди­наков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.

Все сплавы, содержащие до 2,14%С, после окончания кристаллизации имеют структуру аустенита. В сплавах, содержащих до 0,1 % С (до точки Н), при охлаждении вначале происходит кристаллизация Fе_δ (С) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1—0,5 % С (до точки В), образование аустенита происходит по линии HJВ при 1499 °С по перитектической реакции Ж_B + Ф_H ↔ А_J. Поэтому часто пользуются более упрощенной диаграммой Fе—Fе₃С, где линия солидуса АHJЕ представлена в виде простой линии АЕ (рис. 91).

На рис. 91 изображена левая часть диаграммы Fе—Fе₃С.

Сплав I содержит меньше 0,02% С, т. е. расположен левее точки Р. Он представляет собой технически чистое железо.

Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве I не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается.

Чем больше в стали углерода, т. е. чем ближе располагается сплав к точке 5, тем большее время необходимо для этого превращения (отрезок 4-4′ на кривой охлаждения будет больше) и в структуре сплава будет больше перлита. После охлаждения структура таких сплавов состоит из Ф+ П.

Сплав III содержит 0,8 % С, т. е. по составу отвечает точке эвтектоидного превращения 5. При его охлаждении до 727 °С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727 °С весь аустенит превратится в перлит,

При 727°С (точка 4) происходит эвтектоидное превращение. Таким образом, после окончательного охлаждения сплав будет иметь структуру П + Ц_II. По сравнению с Ц_III выделение Ц_II происходит при более высоких температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому Ц_II образуется по границам зерен в виде сетки.

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % является наличие в их структуре ледебурита (рис. 93).

Кривая охлаждения сплава V типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % углерода (т. е. расположенных от точки Е до точки С). Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса от точки а до точки Е, а состав жидкой фазы — от точки 1 до точки С. При 1147 °С (точка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение

При температурах между линиями ЕСF и РSК сплав имеет структуру А + Л (А + Ц) + Ц_II. И в этих сплавах образуется Ц_II, так как при охлаждении состав аустенита также будет изменяться по линии GS.

При 727 °С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение А_S ↔ эвтектоид(Ф_Р + Ц_K) и ниже этой температуры сплав будет иметь структуру П + Л (П + Ц) + Ц_II. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

При охлаждении сплава VI (4,3 % С) при температуре 1147 о С (точка С) вся жидкость превращается в ледебурит, который с понижением температуры испытывает превращения, аналогичные сплаву V.

В сплавах, содержащих углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав VII), в точке 1 начинается образование кристаллов цементита. Чтобы отметить характер выделения, такой цементит называют первичным и обозначают Ц_I. Поскольку при кристаллизации Ц_I выделяется из жидкой фазы, его кристаллы обычно бывают крупными (грубые выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превращение. Структура сплава между линиями ЕСF и РSК Ц_I + Л (А + Ц), При 727 о С происходит эвтектоидное превращение аустенита. Окончательная структура сплава (ниже 727°С) Ц_I + Л (П + Ц). Химические и физические свойства Ц_I, Ц_II и Ц_III одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Это приводит к уменьшению пластичности, к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (для изготовления отливок используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

В углеродистых сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,5 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке в холодном состоянии.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,05 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25 o С.

Хладноломкость Ст3кп – 0 о С, а у Ст3сп – «-40 о С», поэтому применение кипящей стали для северных районов не допустимо.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера нерастворима в железе, она образует с ним химическое соединение – сульфид железа FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fе + FеS) с температурой плавления988 o С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 °С эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами, сталь становится хрупкой. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости (повышение хрупкости при высоких температурах).

Для уменьшения вредного влияния серы добавляют марганец (соединение MnS имеет t_пл=1620 о С, пластично и не вызывает красноломкости).

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность (δ и ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 , лучше в вакууме мм рт.ст. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более.

При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1—0,5 % стали считают легированными этими элементами.

Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств — прочности, пластичности и т. д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Источник