Упругая и пластическая деформация.

Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.

Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.

Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д., а также в результате фазовых (структурных) превращений, усадки и других физико-химических процессов, протекающих в металлах, и связанных с изменением объема.

Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.

Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.

При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.

Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА.

Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений. При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.

Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по сечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распространение через сечение, окончательное разрушение.

Различают хрупкое разрушение – отрыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений. Отрыв не сопровождается предварительной деформацией. Механизм зарождения трещины одинаков - благодаря скоплению движущихся дислокаций перед препятствием (границы субзерен, фазовые границы), что приводит к концентрации напряжений, достаточной для образования трещины. Когда напряжения достигают определенного значения, размер трещины становится критическим и дальнейший рост осуществляется произвольно.

Для хрупкого разрушения характерна острая, часто ветвящаяся трещина. Величина зоны пластической деформации в устье трещины мала. Скорость распространения хрупкой трещины велика - близка к скорости звука (внезапное, катастрофическое разрушение). Энергоемкость хрупкого разрушения мала, а работа распространения трещины близка к нулю.

Различают транскристаллитное разрушение – трещина распространяется по телу зерна, интеркристаллитное – по границам зерен (всегда хрупкое).

Результатом хрупкого разрушения является блестящий светлый кристаллический излом с ручьистым строением. Хрупкая трещина распространяется по нескольким параллельным плоскостям. Плоскость излома перпендикулярна нормальным напряжениям.

Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация. Трещина тупая раскрывающаяся. Величина пластической зоны впереди трещины велика. Малая скорость распространения трещины. Энергоемкость значительная, энергия расходуется на образование поверхностей раздела и на пластическую деформацию. Большая работа затрачивается на распространение трещины. Поверхность излома негладкая, рассеивает световые лучи, матовая (волокнистый) излом. Плоскость излома располагается под углом.

По излому можно определить характер разрушения.

4.2. Влияние пластической деформации на строение и свойства металла,
явление наклепа. Возврат и рекристаллизация.
Холодная и горячая пластическая деформация.

Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.

Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна приобретают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации).

Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.

Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.

Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений, расположенных под углом 45^o друг к другу.

С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются. Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.

Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют д еформационным упрочнением или наклепом.

Упрочнение металла в процессе пластической деформации (наклеп) объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения (дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, а, следовательно, повышает сопротивление деформации и уменьшает пластичность. Наибольшее значение имеет увеличение плотности дислокаций, так как возникающее при этом между ними взаимодействие тормозит дальнейшее их перемещение.

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

В процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.

Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки.

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата).

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация (вторая стадия возврата) – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

1 стадия – первичная рекристаллизация заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, «волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации.

Пластическое деформирование выше температуры рекристаллизации, хотя и приводит к упрочнению, но это упрочнение устраняется протекающим при этих температурах процессам рекристаллизации. Следует отметить, что рекристаллизация протекает не во время деформации, а сразу после ее окончания и тем быстрее, чем выше температура. При очень высокой температуре, значительно превышающей температуру рекристаллизации, она завершается в секунды и даже доли секунд. Следовательно, при пластическом деформировании выше температуры рекристаллизации упрочнение и наклеп металла, если и произойдут, то будут немедленно сниматься – горячая пластическая деформация. Если деформацию производить при температурах ниже температуры рекристаллизации – холодная пластическая деформация.

 

4.3. Определение механических свойств металлов: твердость; характеристики, определяемые при растяжении, при знакопеременном нагружении;
ударная вязкость.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости.

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля.

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Твердость по Роквеллу

Метод основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой.

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1,6 мм, для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 кг) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости HRA, HRB, HRC.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца от действующей нагрузки Р.

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения.

Предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации s_0,05.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести – это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию 0,2% – s_0,2.

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

Предел прочности– напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

 

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, которым соответствуют:

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“.

Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура, определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

 

 

ТЕМА 5

Сплавы железа с углеродом.

5.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

5.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

5.3. Чугуны. Влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру чугуна. Серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун: классификация, маркировка, применение.

 

5.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67 % углерода.

Компоненты: железо, углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Чистое железо в настоящее время 99,999% Fe; технические сорта 99,8 – 99,9% Fe. Температура плавления 1539°С. Имеет две полиморфные модификации – ОЦК и ГЦК.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – d=50%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰ С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰ С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В системе Fe–C различают следующие фазы:

– жидкий расплав (L),

– твердые растворы – феррит (Ф) и аустенит (А),

– химическое соединение – цементит (Ц),

– графит (Г).

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С (точка P).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

При 0,006 %С: s_в = 250 МПа, s_0,2 = 120 МПа, d = 50%, 80–100НВ.

Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. s_в = 600 МПа, d = 40-50%, 170–220НВ, парамагнитен. Предельная растворимость С в g- Fe – 2,14%.

Цементит – химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

 

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250 – 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

Графит – углеродная модификация, имеет гексагональную кристаллическую решетку. Мягок, обладает низкой прочностью.

Кристаллизация сплавов

ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплава.

AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.

При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения d-феррита; при 0,51 < % С < 4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3 < % С < 6,67 – цементита первичного.

В сплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии AH, с образованием d-феррита. Максимальное содержание углерода в d-феррите составляет 0,1% (т. Н).

Сплавы, содержащие 0,1 < % С < 0,51 при температуре 1499°С испытывают перитектическое превращение:

L_B + Ф_Н ® А_J

Линия HJB – линия перитектических превращений.

При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит.

При содержании углерода от 0,16%, до 0, 51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называются сталью, о более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью С в аустените. Стали после затвердевания имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами.

Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при
t = 1147°С.

Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита.

В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.

Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.

Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.

По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).

Фазовые и структурные изменения после затвердевания

связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.

Эвтектоидное превращение имеет место при температуре 727°С и заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита (перлит).

В доэвтектоидных сплавах (%С < 0,8%) в температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита. Ниже линии GOS g-решетка аустенита перестраивается в a-решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений.

По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше избыточного феррита и больше перлита.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в a-железе. Из феррита выделяется цементит третичный. т. Р соответствует максимальной растворимости углерода в a-железе – 0,02%.

В заэвтектоидных сталях (0,8 < %С < 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в g-железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Цементит называется вторичным потому, что он выделяется из твердого раствора (аустенита). Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в g-железе).

По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.

В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Перлит пластинчатый s_в = 800–900 МПа, d = 10%, 200НВ.

Перлит зернистый s_в = 700 МПа, d = 20%, 180НВ.

В чугунах:

В доэвтектически х чугунах ниже 1147°С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).

При 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру П+Ц_II+Л, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита.

Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше4,3% и после затвердевания состоит их Ц_II+Л(П+Ц).

Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727°С одинаков; они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

Следует запомнить обозначение критических точек железа и сплава, это имеет большое практическое значение при термической обработке.

 

 

5.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали.
Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14%С.

 

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Углерод. Структура сталей в отожженном состоянии – феррит + цементит. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций (возрастает предел прочности (s_В), и падают значения относительного удлинения и сужения (d и y)). Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1%С повышает предел хладноломкости в среднем на 20°С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Кремний и марганец вводят в сталь в ходе раскисления при выплавке:

2FeO + Si ® 2Fe + SiO₂

FeO + Mn ® Fe + MnO

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления, растворяется в феррите, сильно повышая s_т. Это снижает способность стали к вытяжке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки содержание кремния должно быть снижено.

Марганец растворяется в феррите и цементите, повышает прочность, практически не снижая пластичности; и резко снижает красноломкость стали, вызванную серой.

Сера нерастворима в феррите и даже малое ее количество образует с железом сульфид FeS, который входит в состав эвтектики (Fe + FeS), образующейся t=988°С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен приводит к тому, что при нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000–1200°С) эвтектика расплавляется, возникают надрывы и трещины – красноломкость.

Присутствие марганца снижает красноломкость (FeS + Mn ® MnS + Fe). MnS плавится при t = 1620°С. При t = 800¸1200°С MnS пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы.

Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажая кристаллическую решетку. Как следствие повышаются s_т и s_В, но уменьшается пластичность и вязкость. При содержании фосфора более 1,2% имеет место образование химического соединения Fe₃P.

Фосфор уменьшает работу развития трещины, и каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости на 20 – 25°С, то есть способствует хладноломкости стали.

Способность фосфора к сегрегации по границам зерен также способствует охрупчиванию стали. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость.

 

Верхние пределы содержания примесей:

Mn – 0,8%

Si – 0,5%

S – 0,06%

P – 0,06%

 

Азот, кислород, водород могут присутствовать в следующих формах: находится в различных несплошностях (газообразное состояние); в a-твердом растворе; образовывать различные соединения – неметаллические включения (нитриды, оксиды – FeO, Fe₂O₃, SiO₂ и т.д.).

Примеси внедрения (N, O) концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Неметаллические включения, оксиды и сульфиды в процессе деформации располагаются в виде разорванных строчек (оксиды), или в виде продолговатых линз (сульфиды), ориентированных вдоль направления прокатки. Эти включения служат центрами кристаллизации феррита, в результате образуется полосчатая феррито-перлитная структура. Наличие такой полосчатой структуры вызывает сильную анизотропию свойств.

Очень вредным является водород. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов (очень тонких трещин овальной формы, имеющих в изломе вид пятен-хлопьев серебристого цвета). Металл, имеющий флокены, НЕЛЬЗЯ использовать в промышленности. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

 

Классификация сталей

По структуре в отожженном состоянии:

- доэвтектоидные

- эвтектоидные

- заэвтектоидные

-

По качеству:

- обыкновенного качества (до 0,05% S и 0,05% P)

- качественные (до 0,04% S и 0,04% P)

- высококачественные (до 0,025% S и 0,025% P)

- особо высококачественные (до 0,015% S и 0,025% P)

По назначению:

- конструкционные (до 0,8%С)

- инструментальные (более 0,7%С)

- специального назначения

По содержанию углерода:

- низкоуглеродистые (<0,3%С)

- среднеуглеродистые (0,3–0,6%С)

- углеродистые (0,6–0,85%С)

По степени раскисления

- спокойные

- полуспокойные

- кипящие

Кипящая сталь раскислена только Mn. В такой стали содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей СО₂, создавая впечатление «кипения» стали.

Полуспокойные раскислены марганцем и алюминием.

Спокойные раскислены марганцем, алюминием и кремнием. Затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Кроме того, ликвация в слитках спокойной стали значительно меньше, чем в кипящей. Спокойные углеродистые стали имеют порог хладноломкости на 30-40°С ниже, чем кипящие.

 

Маркировка углеродистых сталей

При маркировке высококачественных сталей в конце марки ставится буква «А».

При маркировке кипящие стали маркируются «кп», полуспокойные «пс», спокойные «сп», буквы ставятся в конце марки.

Если сталь содержит повышенное количество марганца, при маркировке углеродистых сталей это отражается буквой «Г».

Стали обыкновенного качества

Маркируют буквами «Ст» (сталь) и цифрой – условный номер марки (с увеличением порядкового номера возрастает количество углерода).

Пример: Ст1 – сталь обыкновенного качества, порядковый номер по ГОСТ –1

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, уголки, прутки; а также листы, трубы.

Для сварных конструкций применяют сп