Диаграмма состояния сплавов «железо-углерод». Характер взаимодействия железа С углеродом. Основные линии диаграммы.

Диаграмма состояния «Железо – цементит». Превращения в сплавах на основе железа при нагреве и охлаждении.

Feα от низких температур до 768°C, эта фаза имеет решётку о.ц.к., низкую прочность и твёрдость 80 HB, низкий предел текучести, удельный вес 7,8 г/см³, имеет магнитные свойства (ферромагнетик), растворяет углерод 0,006% при 20°C и 0,02% при 727°C. Твёрдый раствор углерода в Feα наз. феррит. Свойства феррита близки к свойствам чистого Fe. Feβ – о.ц.к., существует от 768°C до 910°C, растворяет углерод в небольших количествах, немагнитен, при 768°C теряет магнетизм, 768°C – точка Кюри, парамагнетик. В 910-1400°C существует Feγ, решётка г.ц.к., это железо немагнитно, растворяет 2,14% C при 1147°C. Раствор углерода в Feγ наз. аустенит, немагнитен, твёрже феррита, достаточно пластичен. Feδ существует в 1400-1539°C. 1539°C – плавление Fe. Переход Feα→Feγ происходит с изменением объёма (1%) (у α больше V). Fe₃C - 6,7% C, твёрдость 800 HB, Fe₃C – цементит, при низких температурах магнитен. Fe₃C→Fe+ Графит. При 1147°C идёт реакция, в результате которой образуется эвтектика: смесь аустенита и цементита – ледебурит. [А+Ц] - 4,3% C. Феррит+цементит – Перлит. [Ф+Ц] – 0,8% C, твёрдость HB 800. Ла – [А+Ц], Лп – [П+Ц], А→П. Из жидкости выделяется Ц_I, из А - Ц_II, из Ф - Ц_III. До 2,14% C – стали, после – чугуны. Сначала жидкость переходит в аустенит, потом происходит переход жидкости в ледебурит аустенитовый (эвтектическая реакция), аустенит переходит в перлит (эвтектоидная реакция), аустенит переходит в феррит.

Особенности кристаллизации и вторичные превращения в сталях.

Кристаллизация – это процесс перехода металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры. В природе все самопроизвольно протекающие превращения, кристаллизация и плавление обусловлены тем, что новое состояние в новых условиях является энергетически более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

Переход металла из жидкого или парообразного состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе называется вторичной кристаллизацией. Процесс кристаллизации состоит из двух одновременно идущих процессов зарождения и роста кристаллов. Кристаллы могут зарождаться самопроизвольно – самопроизвольная кристаллизация или расти на имеющихся готовых центрах кристаллизации – несамопроизвольная кристаллизация.

Проследить процесс кристаллизации металла можно с помощью счетчика времени и термоэлектрического пирометра. Две разнородные проволоки, которые спаянны концами, погружают в расплавленный металл и при этом возникающий термоток пропорционален температуре металла, а стрелка милливольтметра отклоняется, она указывает температуру по специально градуированной шкале. Показания пирометра записывают во времени и по полученным данным строят кривые охлаждения в координатах температура – время. Критической точкой называется температура, которая соответствует какому-либо превращению в металле.

При охлаждении переход из жидкого состояния в твердое сопровождается образованием кристаллической решетки, т. е. кристаллизацией. Для того чтобы вызвать кристаллизацию, жидкий металл нужно переохладить до температуры ниже температуры плавления. При затвердевании и при аллотропическом превращении в металле вначале образуются центры кристаллизации, вокруг которых группируются атомы, образуя соответствующую кристаллическую решетку. Процесс кристаллизации складывается из двух этапов: образования центров кристаллизации и роста кристаллов. У каждого из возникающих кристаллов кристаллографические плоскости ориентированы случайно, кроме того, при первичной кристаллизации кристаллы могут поворачиваться, так как они окружены жидкостью. Смежные кристаллы растут навстречу друг другу, и точки их столкновения определяют границы кристаллитов (зерен).

Кристаллизация и вторичные превращения в чугунах.

Классификация углеродистых сталей (углеродистые обыкновенного качества, конструкционные качественные стали, инструментальные стали).

Углеродистые стали — это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, эти стали содержат до 0,8% марганца и до 0,4% кремния, остающихся после раскисления, а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора.

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов. Для котельных агрегатов, турбин, вспомогательного оборудования широко применяют низкруглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Они очень пластичны и поэтому хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Эти стали можно использовать также в виде стального фасонного литья. Кроме того, они обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами: достаточно прочны при температурах до 450° С, хорошо воспринимают динамические нагрузки.

По способу производства различают:

1. Сталь обыкновенного качества (или рядовая сталь) - углеродистая сталь с содержанием углерода не более 0,6%; она выплавляется чаще всего в больших мартеновских печах, а также в бессемеровских и томасовских конвертерах и разливается в сравнительно крупные слитки.

Способ изготовления во многом предопределяет состав, строение и свойства этой стали. Стали обыкновенного качества имеют чаще всего повышенное содержание серы и фосфора, достигающие в мартеновской стали 0,055-0,6% серы и 0,05-0,07% фосфора, а в бессемеровской и в томасовской 0,06-0,07% серы и 0,08-0,09% фосфора. Ликвидация в этой стали часто более значительна, чем в стали остальных классов. Сталь обыкновенного качества имеет также повышенное 9постравнению со сталью следующих классов) количество неметаллических включений. В катаном состоянии сталь характеризуется значительной полосаточностью вдоль направления течения металла. По механическим свойствам рядовая сталь несколько уступает стали следующих двух классов: стали качественной и стали высококачественной.

По ГОСТ 380-60 стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам (группа А), обозначаются Ст.0, Ст.1, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6, Ст.7: поставляемые по химическому составу (группа Б): а) мартеновская - МСт.0, МСт.1, МСТ.4, МСт.5, Мст.6, Мст.7 и б) бессемеровская - БСт.0, БСт.3, БСт.4, БСт.5, БСт,6; поставляемая по химическому составу и механическим свойствам (группа В): Вст.1, ВСт.2 и т.п.

2. Сталь качественная - углеродистая или легированная сталь, выплавляемая в основных мартеновских печах с соблюдением более строгих требований к составу, процессам плавки и разливки. Содержание серы и фосфора в качественной стали не должно превышать (в зависимости от марки) 0,04% каждого из этих элементов. Количество неметаллических включений меньше, чем в стали обыкновенного качества.

3. Сталь высококачественная - углеродистая или легированная, чаще всего усложненного химического состава. Такая сталь выплавляется в электрических или кислых мартеновских печах небольшого тоннажа. Для высококачественной стали установлены суженные пределы содержания элементов. Содержание серы и фосфора в высококачественной стали не должно превышать соответственно 0,030 и 0,035% (для некоторых марок стали установлено еще более низкое содержание этих элементов). Эта сталь обладает также повышенной чистотой по неметаллическим включениям. Высококачественная сталь обозначается буквой А, помещаемой после обозначения марок.

Класс III - сталь инструментальная. По химическому составу сталь углеродистая и легированная, а по способу производства - качественная и очень редко (для наименее ответственного, например, слесарного инструмента) рядовая сталь. Инструментальная сталь по содержанию и по структуре - главным образом заэвтектоидная сталь, этим она заметно отличается от строительной и конструкционной стали (доэвтектоидной стали). Лишь в особых случаях инструментальная сталь применяется в качестве конструкционной для деталей машин специализированного назначения 9шарикоподшипники, пружины). Для инструментов некоторых типов (например, для молотовых штампов) применяется также доэвтектоидная сталь.