Материаловедение. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей
 Скачать 21.08 Kb.
|
|
Выполнил студент группы ЭН-390015 Шлёгин Л. Р. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПОСТОЯННЫХ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СТАЛЕЙ Стали - сложные по составу железоуглеродистые сплавы. Стали содержат некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на их свойства. Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,5 (0,6) %, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки. После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. В связи с увеличением количества цементита, по мере повышения содержания углерода возрастают прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость. Кроме того, углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. При низком отпуске механические свойства сталей полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе. Постоянные примеси в стали: Mn, Si, Р, а также газы 02, N2, Н2. Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8 %, уменьшает вредное влияние серы и кислорода. Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4 %, оказывая упрочняющее действие. Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием. Фосфор - вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления, поэтому основной путь его снижения - повышение качества шихты. Кислород, азот и водород - вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения способствуют красно- и хладноломкости, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение - сталь упрочняется, становится малопластичной. Последствия старения - разрывы при штамповке или образование. Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке. Повышенное содержание водорода при выплавке стали может приводить к флокенам - внутренние надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении в поры вследствие понижения растворимости. Наводороживание и охрупчивание стали возможны при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий и работе в водородсодержащих газовых средах. Случайные примеси - элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в стали попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. В большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность сталей. Влияние легирующих элементов на равновесную структуру сталей Широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали соответственно легированными сталями. В качестве легирующих элементов наиболее часто используют следующие: Сг, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Nb. Реже используются Co, Al, Сu, В и некоторые другие. Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны, как и железо, взаимодействовать с углеродом и азотом, а также между собой или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды. Легирующие элементы при введении в сталь могут: • образовывать с железом твердые растворы; • растворяться в цементите, замещая атомы железа в решетке цементита, т. е образовывать так называемый легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды; • образовывать (при высоком содержании) с железом интерметаллические соединения. Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы. К элементам первой группы относятся никель и марганец, кобальт, палладий, платина; они понижают точку А3 и повышают точку А4. В результате этого на диаграмме состояния железо - легирующий элемент наблюдается расширение области у-фазы и сужение области существования а-фазы. Сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной, не испытывают фазовых превращений у→а и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе. Такие сплавы называются аустенитными. Сплавы, частично претерпевающие превращение у→а, называют полуаустенитными. Элементы второй группы (Сг, W, Mo, V, Si, А1 и др.) понижают точку А4 и повышают точку А3. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку m на рис. 72, б) критические точки, а точнее их интервалы А4 и А3, сливаются и область у-фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента, большем, чем указано на рис. 78, в (точка т), сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в а-железе. Такие сплавы называют ферритнылш, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, а → у - полуферритными. Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением марганца и кремния при содержании их> 2,5 - 3,0 %. Наиболее сильно упрочняют феррит, кремний, марганец и никель. Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве> 1 - 2 % снижают ударную вязкость, а при более высоком содержании повышают порог хладноломкости. Исключение составляет никель. Легирующие элементы, растворяясь в γ-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Аустенит легко наклёпывается. Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы следует распределить на три группы: • графитизирующие элементы: кремний, никель, медь и алюминий (эти элементы находятся в твердом растворе); • нейтральные: кобальт, который в стали не образует карбидов и не вызывает графитизации; • карбидообразующие расположены в следующем порядке по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз: Fe → Мп →Сг → Мо →W →V →Zr →Ti. Активность этих элементов как карбидообразователей тем сильнее, а устойчивость карбидов против диссоциации и растворения при нагреве в аустените тем больше, чем менее достроена электронная rf-подгруппа соответствующего металла переходных групп. При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Mn, Cr, W и Мо, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды. Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М2 3С6 и М6С (М4С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве. Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, ТаС, в которых атомы металла расположены по типу кубической решетки; WC, в котором атомы металла расположены по типу объемноцентрированной кубической решетки; W2C и Мо2С, в которых атомы металла расположены по типу гексагональной решетки. Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe 7Mo6, Fe 7W6, Fe 3Nb2, Fe 3Ti и др. Наибольшее значение интерметаллидные фазы играют в малоуглеродистых железных сплавах, где их используют для получения эффекта дисперсионного твердения, о- и х-фазы охрупчивают сплав, поэтому их присутствие нежелательно. Контрольные вопросы Какие примеси являются полезными? Полезными примесями являются марганец и фосфор. Что могут создавать легирующие элементы при введении в сталь? Легирующие элементы при введении в сталь могут: • образовывать с железом твердые растворы; • растворяться в цементите, замещая атомы железа в решетке цементита, т. е образовывать так называемый легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды; • образовывать (при высоком содержании) с железом интерметаллические соединения. |