Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

 

Более полную систему железоуглеродистых сплавов и процессов формирования структур сталей и чугунов в наглядной форме пред­ставляют на диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов. В частности, наглядно видно, как изменяется растворимость цемен­тита в железе в зависимости от температуры.

На диаграмме (рис. 19.7) даны фазовый состав сплавов и их структура в интервале по составу от чистого железа до цементита (6,67% С). На оси абсцисс показано содержание углерода (С) в про­центах по массе, на параллельной ей линии — содержание цементи­та, на оси ординат — температура.

Точка А на диаграмме отмечает температуру плавления чистого железа (1539°С), а точка D — цементита (1500°С). Линия ABCD яв­ляется линией ликвидуса, a AHIECF — линией солидуса. Выше ли­нии солидуса существует жидкий сплав (Ж) — жидкий раствор угле­рода в железе.

При охлаждении жидких сплавов сначала происходит кристал­лизация, а затем после отвердевания — фазовые структурные пре­вращения вследствие полиморфизма железа и изменения раствори­мости углерода в аустените и феррите. Все эти изменения наблюдаются на диаграмме железо — углерод, причем эту сложную диаграмму при ее изучении разделяют на части, рассматривая каж­дую из них как двухкомпонентную диаграмму.

 

Рис. 19.7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

 

По содержанию углерода железоуглеродистые сплавы разделя­ют на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны с содержани­ем углерода более 2,14%. Принятая граница между сталями и чугу-нами соответствует наибольшей растворимости углерода в аустените.

Стали по содержанию углерода разделяют на доэвтектоидные, эвтёктоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидными называют стали, содержащие 0,02—0,8% угле­рода. Весьма малоуглеродистые сплавы, содержащие до 0,02% (на диаграмме точка Р), называют техническим железом.

Кристаллизация доэвтектоидных сталей происходит между ли­ниями ABC и АШЕ, и в этом интервале они состоят из жидкой фазы и феррита или аустенита. После окончания кристаллизации доэв­тектоидные стали состоят из аустенита, не изменяющегося при ох­лаждении вплоть до линии GOS, именуемой линией верхних крити­ческих точек и обозначаемой через A c₁. При дальнейшем охлаждении сталей образуются зерна феррита, а количество аусте­нита уменьшается.

На линии PSK при температуре 727°С происходит эвтектоидное (перлитное) превращение аустенита (точка S). Последний распада­ется, выделяя феррит и цементит, которые образуют эвтектоидную мельчайшую смесь — перлит, содержащий 0,8% углерода. Линия PSK называется линией нижних критических точек или линией пер­литных превращений и обозначается через Ас\.

Структура перлита состоит из пластинок феррита и цементита, а на микрошлифе имеет вид перламутра (отсюда название перлита). После полного охлаждения доэвтектоидные стали состоят из ферри­та и перлита. С увеличением содержания углерода в стали снижает­ся количество феррита, но возрастает содержание перлита.

Заэвтектоидными называют стали, содержащие 0,8—2,14% угле­рода. При температурах выше линии SE находится в стали только аустенит. С охлаждением эта структурная составляющая стали ста­новится насыщенной углеродом и из нее выделяется вторичный це­ментит (ниже линии SE). От температуры 727°С и ниже заэвтектоид­ные стали состоят из перлита и вторичного цементита.

Чугуны по содержанию углерода разделяют на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические.

Доэвтектическими называют чугуны, содержащие 2,14—4,3% уг­лерода. На диаграмме они располагаются в области между линиями ВС и ЕС; состоят из двух фаз — жидкости и кристаллов аустенита. При температуре эвтектики, равной 1147°С, оставшийся жидкий сплав кристаллизуется с превращением в эвтектику — ледебурит, которая в момент образования состоит из аустенита и цементита. Доэвтектические чугуны между линиями ЕС (1147°С) и PSK (727°С) состоят из аустенита, цементита и ледебурита. При температуре ниже 727°С аустенит превращается в перлит, а доэвтектические чу-гуны содержат перлит, цементит и ледебурит. С увеличением коли­чества углерода в чугунах уменьшается содержание перлита и увели­чивается — ледебурита.

Эвтектическим называют чугун при содержании углерода в ко­личестве 4,3% (точка С); он кристаллизуется при постоянной темпе­ратуре 1147°С с образованием эвтектики — ледебурита. Эвтектиче­ский чугун и при обычной температуре состоит из ледебурита.

Заэвтектияескими называют чугуны с содержанием углерода 4,3—6,67%. Они кристаллизуются по диаграмме состояния сплавов между линиями CD и CF с образованием в жидком сплаве кристал­лов первичного цементита. При дальнейшем охлаждении оставшая­ся жидкость затвердевает, образуя эвтектику — ледебурит. Заэвтек-тические чугуны после отвердевания состоят из цементита и ледебурита. При температуре 727°С входящий в ледебурит аустенит распадается с образованием перлита; при дальнейшем снижении температуры заэвтектические чугуны состоят из цементита (в виде пластин) и ледебурита. С увеличением количества углерода возрас­тает и содержание цементита.

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

 

Углеродистые стали имеют сложный химический состав. Кроме основных компонентов — железа (97—99,5%) и углерода — они со­держат примеси никеля, хрома, кремния, марганца, серы, фосфора, кислорода, азота, водорода или других элементов. Углеродистыми являются стали, которые содержат мало примесей, но достаточно — углерода. Углерод и примеси оказывают непосредственное влияние на структуру и свойства стали.

Как уже отмечалось, доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита, эвтектоидные — из перлита и вторичного цементита. По­сле медленного охлаждения сталь при обычной температуре состоит из двух фаз — феррита и цементита, причем количество феррита уменьшается, а количество цементита повышается пропорциональ­но содержанию углерода. Присутствие этих фаз влияет на твердость стали, так как твердость цементита (по Бриннелю) составляет 8000—8500 МПа, у феррита 800—900 МПа. Твердые частицы цемен­тита затрудняют движение дислокации и тем препятствуют дефор­мациям, понижают пластичность и вязкость стали. С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость (НВ), предел прочности при растяжении (σ_в) и предел текучести (σ_0,2), уменьша­ются пластичность (относительные удлинение δ, сужение α) и ударная вязкость ψ (рис. 19.8), понижаются плотность, теплопро­водность и магнитная проницаемость, но возрастает ее электросоп­ротивление.

 

Рис. 19.8. Изменение свойств стали с увеличением содержания углерода

 

На качество стали влияют примеси — марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы (азот, кислород и др.).

Марганец содержится в каче­стве примеси во всех углероди­стых сталях примерно в одина­ковом количестве, но не более 0,8% по массе. Его вводят в ста­ли в виде ферромарганца, т. е. сплава железа с марганцем, для раскисления при плавке с целью устранения вредных примесей закиси железа FeO, ухудшаю­щих, качество стали.

Раскисление состоит в том, что марганец соединяется с кис­лородом закиси железа, образу­ет оксид марганца МnО, основ­ная часть которого, выделяясь из стали, переходит в отделяющийся от стали шлак: FeO + Mn → Fe + МnО. Но некоторая доля оксида марганца остается в стали, а часть марганца растворяется в феррите и цементите, также оставаясь в стали. Марганец способствует устра­нению вредных примесей сернистых соединений железа. В результа­те раскисления улучшаются свойства, в частности повышается проч­ность стальных горячекатаных изделий.

Кремния в углеродистой стали содержится обычно не более 0,35—0,5%. Его вводят как примесь в сталь в виде ферросилиция, т. е. сплава железа с кремнием, с той же целью, что и марганец, — для раскисления при плавке: 2FeO + Si → 2Fe + SiO₂. Основная часть SiO₂ удаляется в виде шлака, но часть оксида кремния, не успевшая всплыть со шлаком, остается в стали. Остается и часть кремния, растворившаяся в феррите. Раскисление стали кремнием улучшает ее свойства, повышает плотность слитка, так как кремний дегазирует сталь.

Сера попадает в чугуны и стали из руд и печных газов (газ SO₂ — продукт горения топлива). Она является вредной примесью и ее допускается в стали не более 0,035—0,06%. Сера образует с желе­зом сульфид железа FeS с появлением легкоплавкой и хрупкой эв­тектики (эвтектической смеси Fe + FeS). Последняя придает стали хрупкость при нагревании ее до 800°С и выше, т. е. до температуры красного каления. Такое явление называют красноломкостью. Сталь, содержащая повышенное количество серы, не поддается го­рячей обработке давлением вследствие красноломкости. При обра­ботке же стали прокатом или ковкой с нагреванием до 1000—2000°С эвтектика расплавляется, вследствие чего нарушается связь между зернами стали. Возникают трещины и надрывы в местах расположе­ния эвтектик. При введении в сталь марганца вредное влияние серы, красноломкость практически исключаются, так как марганец имеет брлее сильное химическое сродство с серой, чем железо, и образует с ней тугоплавкий сульфид марганца MnS.

Сернистые включения значительно понижают механические свойства стали, улучшают ее коррозионную стойкость и сваривае­мость, облегчают обработку стали резанием.

Фосфор содержится в железной руде, флюсах, топливе и является вредной примесью в стали. Его содержание ограничивается не более чем 0,025—0,045%. Он растворяется в феррите, искажая его кристал­лические решетки, вследствие чего резко повышает температуру пе­рехода стали в хрупкое состояние, т. е. вызывает так называемую хладноломкость стали.

Фосфор повышает прочность и уменьшает пластичность и вяз­кость стали. Он неоднородно распределяется в стальном слитке (ликвация), вследствие чего некоторые средние участки стального слитка содержат повышенное количество фосфора, обладают значи­тельно пониженной вязкостью.

В стали содержится небольшое количество газов (азота, кисло­рода и др.), ухудшающих ее свойства.

Содержание неметаллических включений и газов в стали значи­тельно уменьшается при выплавке или разливе ее в вакууме.