Углерод (С). Температура плавления 3500 °С, удельный вес гра- фита 2,25·10 4
Н/м
3
(2,25 г/см
3
).
Углерод полиморфен и кристаллизуется в двух модификациях: в виде алмаза (двойная кубическая кристаллическая решетка) и в виде графита (гексагональная кристаллическая решетка). Графит обладает низкой прочностью, при 20 °С
â
= 20 МПа, с повышением темпера- туры прочность графита растет.
В железоуглеродистых сплавах углерод может быть в виде гра- фита, в виде химического соединения Fе
3
С (карбида железа – це- ментита), в составе твердого раствора внедрения в α-железе (до
0,02%) или в γ-железе (до 2,14%).
68
В железоуглеродистых сплавах наблюдаются следующие фазы: жидкий раствор, твердые растворы углерода в α-железе (феррит), в γ- железе (аустенит) и цементит. Основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов – феррит, аустенит, цементит, графит, перлит, ледебурит.
Цементит (Ц) обладает металлическими свойствами, имеет сложную кристаллическую решетку. Температура плавления
1500 °С (температура диссоциации 1252 °С). В цементите содержит- ся 6,67 весовых процентов углерода и 93,33 железа. Цементит – очень твердая фаза (800 НВ), но хрупкая (
%
0
). В железоуглеродистых сплавах может быть в виде мелких округлых частиц, пластинок, сет- ки, игл, форма и размеры которых оказывают большое влияние на свойства сплавов.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, обозначается
C
Fe
, имеет кубическую объемно-центрированную решетку. Растворимость углерода в α-железе при комнатной темпера- туре 0,006%, а при 727 °С (критической температуре
1
A
) – 0,02%. Фер- рит магнитен. Это самая мягкая структурная составляющая железо- углеродистых сплавов (60…80 НВ), его свойства близки к свойствам технически чистого железа. Феррит является структурой технического железа, может быть в виде множества зерен различной величины, от округлой до пластинчатой и иглообразной форм, образующих массивы, сетки, смеси и т.п.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в гамма- железе, обозначается
C
Fe
, имеет гранецентрированную кубиче- скую решетку. Предельная растворимость углерода в γ-железе дости- гает 2,14% при температуре 1147 °С, при понижении температуры уменьшается и при 727 °С составляет 0,8%. При медленном охлажде- нии сплавов структура аустенита сохраняется до той же температуры, при которой происходит его «распад» с образованием механической смеси феррита и цементита (перлит). Аустенит немагнитен, имеет невысокую твердость (200 НВ) и достаточно высокую пластичность, как структурная составляющая может быть в виде множества зерен различной величины, образующих массивы, смеси и т.п.
Перлит (П) – эвтектоид – представляет собой смесь кристаллов цементита и феррита при содержании углерода 0,8%. Твердость пер- лита 160…250 НВ в зависимости от его строения. Перлит является характерной структурной составляющей сталей и может быть в виде множества пар чередующихся кристаллов феррита и цементита от пластинчатой до зернитой форм различных размеров (дисперсности).
69
Образуется при
постояннной температуре из кристаллов аустенита, содержание углерода в которых 0,8% при температуре ниже 727 °С, в результате вторичной кристаллизации
СCCз
Fe
Fe
Fe
, в виде множества пар кристаллов обеих фаз.
Ледебурит (Л) – эвтектика, образующаясяся при первичной кри- сталлизации из жидкого раствора железа и углерода при постоянной температуре 1147 °С и строго определенном соотношении компонен- тов (4,3% углерода) – эвтектическое превращение. Представляет со- бой механическую смесь, состоящую из аустенита и цементита.
При температурах ниже 727 °С аустенит превращается в перлит, а ледебурит – в смесь перлита и цементита (превращенный ледебу- рит). Превращенный ледебурит отличается высокой твердостью
(
600 НВ) и является характерной структурной составляющей белых чугунов. Для изучение фазовых и структурных превращений пользу- ются диаграммой состояния, которые строятся в координатах «темпе- ратура – концентрация».
6.2. Диаграмма состояния системы «железо–цементит» Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов в упрощен- ном виде представлена на рис. 6.1. Узловые точки диаграммы имеют общепринятые международные обозначения прописными буквами латинского алфавита:
A, (
B),
C,
D,
E…. Ввиду того, что сплавы с со- держанием более 6,67% углерода в технике не применяются, исполь- зуется не вся диаграмма «железо–углерод», а только ее левая часть –
«железо–цементит».
Во всех железоуглеродистых сплавах в интервале температур между линиями ликвидуса (
АСD) и солидуса (
АЕСF) происходит пер- вичная кристаллизация. Выше линии ликвидуса сплавы находятся в жидком состоянии. Это области температур проведения металлурги- ческих и плавильных операций, разливки сплавов. Ниже линии соли- дуса сплавы находятся в твердом состоянии. Это область температур проведения операций горячей обработки давлением, различных видов термообработки заготовок и изделий.
Первичная кристаллизация железоуглеродистых сплавов начина- ется ниже линий
АС и
СD, а заканчивается на линиях
AE и
СF. Пер- вичная кристаллизация сталей, содержащих до 2,14% углерода, про- исходит с образованием кристаллов аустенита и заканчивается на ли- нии
АЕ, ниже которой, до линий
GS и
SЕ (геометрическое место то- чек, соответствующих критическим температурам
А3
и
Acm), стали имеют структуру аустенита.
70
Сплавы с содержанием углерода более 2,14% называются чугу- нами.
Первичная кристаллизация сплавов – доэвтектических чугунов с содержанием углерода от 2,14 до 4,30% – начинается с образования и роста кристаллов аустенита, состав которых будет изменяться по ли- нии АЕ. Ниже линии АBС сплав состоит из жидкой фазы и кристаллов аустенита. При дальнейшем понижении температуры в связи с выде- лением кристаллов аустенита жидкая фаза обогащается углеродом и при 1147 °С будет содержать углерода 4,3%, а твердая (аустенит) –
2,14% С. При этой температуре оставшийся жидкий сплав с содержа- нием углерода 4,3% кристаллизуется в эвтектику (ледебурит), состо- ящую из кристаллов аустенита с предельным содержанием углерода
2,14% и цементита 6,67% С. После первичной кристаллизации струк- тура доэвтектических чугунов состоит из аустенита и леде-бурита.
Первичная кристаллизация сплавов – заэвтектических чугунов с содержанием углерода свыше 4,3% – начинается ниже линии СD. Из жидкого сплава выделяются кристаллы первичного цементита. При понижении температуры из-за кристаллизации первичного цементита жидкая фаза будет обедняться углеродом до 4,3% и при 1147 °С закри- сталлизуется в эвтектику (ледебурит). После первичной кристаллиза- ции структура заэвтектических чугунов состоит из первичного цемен- тита и ледебурита. На линии ЕСF при температуре эвтектического пре- вращения находятся в равновесии три фазы: жидкий сплав, кристаллы аустенита и цементита.
Вторичная кристаллизация железоуглеродистых сплавов начина- ется ниже линий GS, SЕ и ЕСF, а заканчивается на линиях GP и РSK.
Линия GS определяет температуру начала перекристаллизации аусте- нита в феррит (при охлаждении обозначается A
r3
) или окончание пере- кристаллизации феррита в аустенит (при нагреве обозначается A
c3
).
Линии GS и SЕ определяют предельную растворимость углерода в аустените, а линия QР – в феррите.
Вторичная кристаллизация сплавов – доэвтектоидных сталей с со- держанием углерода до 0,8% – начинается с образования и роста кри- сталлов феррита. С понижением температуры из-за кристаллизации феррита количество аустенита уменьшается, а содержание углерода в аустените увеличивается (по линии GS) и достигает 0,8% при 727 °С.
Ниже этой температуры аустенит образует перлит – эвтектоид, состоя- щий из множества пар кристаллов феррита и цементита. Образование цементита связано с тем, что максимальная растворимость углерода в
α-железе составляет 0,02% (при 727 °С), а в γ-железе она изменяется по линиям GS, достигая 0,8%. При образовании феррита выделяющийся
71 из аустенита углерод образует с железом химическое соединение Fе
3
C
– цементит (вторичный). Образование перлита происходит при вторич- ной кристаллизации, превращение называется эвтектоидным в отличие от эвтектического (эвтектика образуется из жидкого раствора). Темпе- ратура образования перлита обозначается
1
r
А
(охлаждение), соответ- ственно температура превращения перлита в аустенит – A
с1
(нагрева- ние).
В сплавах с содержанием углерода до 0,02% из-за уменьшения растворимости углерода в α-железе по линии PQ при понижении тем- пературы кристаллизуется третичный цементит и после окончатель- ного охлаждения структура таких сталей состоит из феррита и тре- тичного цементита. Сплавы, содержащие до 0,006% углерода, явля- ются однофазными и после вторичной кристаллизации имеют струк- туру феррита (рис. 6.2, а).
Рис. 6.2. Микроструктура стали в зависимости от содержания углерода (х450):
а – 0,06% С; б – 0,1% С; в – 0,22% С; г – 0,3% С; д – 04% С; е – 0,55% С;
ж – 0,8% С; з – 1,3% С
72
Структура доэвтектоидной стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8% после окончательного охлаждения состоит из феррита и пер- лита (рис. 6.2, б–е).
Вторичная кристаллизация сплавов – заэвтектоидных сталей с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% – начинается с образования и роста кристаллов вторичного цементита по границам кристаллов аустенита. Образование вторичного цементита связано с уменьшени- ем растворимости углерода в γ-железе (аустените) по линии ES и про- исходит до тех пор, пока в оставшемся аустените содержание углеро- да не уменьшится до 0,8% при 727 °С. При этой температуре аустенит распадается с образованием эвтектоида – перлита (рис. 6.2, ж).
После окончательного охлаждения структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и вторичного цементита (рис. 6.2, з). Вто- ричная кристаллизация сплавов – доэвтектических чугунов – начина- ется ниже линии EC с выделения кристаллов вторичного цементита из аустенита вследствие уменьшения предельной растворимости уг- лерода в аустените (в том числе и в аустените, входящем в состав ле- дебурита) в соответствии с линией SЕ. При достижении температуры
727 °С (линия РSК) аустенит, обедненный углеродом до эвтектоидно- го состава (0,8% С), превращается в перлит (табл. 6.1). После оконча- тельного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, превращенного ледебурита (перлита и цементита) и вторич- ного цементита. Вторичная кристаллизация сплавов – заэвтектиче- ских чугунов с содержанием углерода свыше 4,3% – начинается ниже линии CF с выделения кристаллов вторичного цементита из кристал- лов аустенита, входящих в состав ледебурита. При охлаждении до температуры 727 °С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, пре- вращается в перлит.
После окончательного охлаждения структура заэвтектических чугунов состоит из кристаллов первичного цементита и превращенно- го ледебурита.
Т а б л и ц а 6.1
Технологические критические температуры железоуглеродистых сплавов
Критические
Линия или точка на диаграмме состояния
Характер превращения
Точки
Температура,
°С
А
1
, А
с1
, А
r1 727
РSК
Эвтектоидное
(перлитное) при охлаждении и аустенитное при нагре-
73 ве
Окончание табл. 6.1
Критические
Линия или точка на диаграмме состояния
Характер превращения
Точки
Температура,
°С
A
2 768
Температура
Кюри
Переход магнитного α-железа (фер- рита) в немагнитное состояние (при нагреве) и обратно (при охлаждении)
A
3
, A
c3
, А
r3 727–911
GS
Начало выделения (вторичной кри- сталлизации) феррита (при охлажде- нии) или окончание растворения фер- рита в аустените (при нагреве)
A
cm
727–1147
SE
Предельная растворимость углерода в γ-железе. Выделение (при охлажде- нии) или растворении (при нагреве) вторичного цементита
– 1147 ECF
Эвтектическое (ледебуритное) пре- вращение
A
4 1400
–
Полиморфное превращение
Fe
Fe
γ
(при нагреве и обратно при охлаждении)
Микроструктура углеродистой стали в отожженном состо-
янии. По структуре в равновесном состоянии стали классифицирует- ся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали с содержанием углерода до 0,8% имеют структуру, состоящую из феррита и перлита. С увеличением содер- жания углерода в стали количество феррита пропорционально уменьшается, а количество перлита увеличивается. Изменяются раз- меры и форма феррита. Если структура состоит из одного феррита
(техническое железо), обычное травление 4%-ным раствором азотной кислоты в спирте выявляет только границы зерен феррита. При более глубоком травлении появляется незначительная разница в цвете зе- рен, которая зависит от их ориентации относительно поверхности шлифа. При малом содержании углерода в стали (до
0,2%) феррит имеет вид зерен, по стыкам которых располагаются участки перлита.
При среднем содержании углерода (0,3…0,5%) феррит и области пер- лита имеют вид зерен. При содержании углерода, близком к эвтекто- идному, феррит располагается вокруг областей перлита в виде сетки
(см. рис. 6.2).
74
Сталь с содержанием углерода 0,8%, имеющая структуру перли- та, называется эвтектоидной. В зависимости от формы кристаллов цементита перлит подразделяют на зернистый с круглой формой кри- сталлов и пластинчатый – с вытянутой.
Стали, содержащие свыше 0,8% углерода, называются заэвтекто- идными. Их структура состоит из перлита и вторичного цементита.
В структуре заэвтектоидной стали цементит (вторичный) может иметь форму сетки, зерен и игл (см. рис. 6.2). При травлении кислот- ными реактивами цементит не протравливается и в поле зрения мик- роскопа остается светлым, так же как ферритная сетка в доэвтекто- идной стали. В зависимости от содержания углерода в углеродистой стали в отожженном равновесном состоянии изменяется её микро- структура и, соответственно, механические свойства (табл. 6.2).
Т а б л и ц а 6.2
Механические свойства стали в зависимости от содержания углерода
Содержание углерода, %
Предел прочности при растяжении, МПа
Предел текучести, МПа
Относительное удлинение %
Менее 0,20
Менее 500
Менее 280 20 – 30 0,20 – 0,45 500 – 650 280 – 850 15 – 20 0,45 – 0,60 650 – 850 350 – 450 10 – 15 0,60 – 0,85 850 – 1150 450 – 1000 15 – 6
7. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
7.1. Классификация углеродистых сталей
Сталь – основной металлический материал, используемый для изготовления деталей машин, приборов, строительных конструкций и инструментов, что обусловлено комплексом его механических, физи- ко-химических и технологических свойств, а также приемлемым уровнем стоимости. Изменяя химический состав стали, можно в ши- роких пределах менять её свойства с учетом особенностей примене- ния. Из всего объема стали, выпускаемого металлургической про- мышленностью, 85% приходится на долю углеродистой, 15% – леги- рованной.
75
Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, способу раскисления и структуре в равновес- ном состоянии.
По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеро- дистые (<0,3% C), среднеуглеродистые (0,3–0,6% С), высокоуглеро- дистые (>0,7% С).
По структуре различают: 1) доэвтектоидные стали с содержанием углерода до 0,8%, имеющие ферритно-перлитную структуру; 2) эвтек- тоидные, с содержанием углерода около 0,8%, со структурой перлита;
3) заэвтектоидные, с содержанием углерода 0,8 – 2,14%, со структу- рой перлита и цементита.
По способу производства различают стали, выплавляемые в элек- тропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.
Наилучшими
свойствами обладает электросталь, содержащая наименьшее количество вредных примесей: серы, фосфора и неме- таллических включений.
По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. Раскисление – процесс удаления из жидкого метал- ла кислорода. Спокойные стали, раскисленные марганцем, кремнием и алюминием, имеющими большее сродство к кислороду, чем железо, содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без газовыделе- ния. Кипящие стали раскисляются марганцем, повышенное содержа- ние кислорода в момент разливки приводит к его взаимодействию с углеродом. Выделение пузырьков оксида углерода (СО) создает впе- чатление кипения стали, чем и обусловлено её название. Кипящие стали имеют химическую неоднородность и газовую пористость в слитке, но достаточно дешевы. Благодаря низкому содержанию крем- ния (<0,05%) хорошо штампуются в холодном состоянии. Их недо- статок – высокий порог хладноломкости. Кипящие стали производят низкоуглеродистыми, благодаря чему газовые и усадочные поры при прокатке завариваются. Полуспокойные стали раскисляются марган- цем и кремнием.
По качеству различают стали обыкновенного качества, каче- ственные и высококачественные. Под качеством стали понимают со- вокупность свойств, определяемых металлургическим процессом её производства (металлургическое качество). Однородность химиче- ского состава, строения и свойств стали, её технологичность в значи- тельной степени зависят от содержания скрытых примесей (кислоро- да, водорода, азота) и вредных примесей (серы, фосфора и неметал- лических включений). Основным показателем для разделения по ка- честву являются нормы содержания вредных примесей. Стали обык-
76 новенного качества содержат не более 0,05% серы, не более 0,04% фосфора, качественные стали – не более 0,04% серы, не более 0,035% фосфора, высококачественные – не более 0,025% серы и фосфора.
Свойства углеродистых сталей
зависят от содержания углерода и по- стоянных, в том числе скрытых, примесей. Стоимость стали возраста- ет по мере повышения ее качества.
Скачать 3.27 Mb.