§2.8. Сталь. [2]

Сплав железа, углерода (до 2,14%) и некоторых добавок называют сталью. При содержании углерода свыше 2,14% образуется чугун.

Железо Fe - металл сероватого цвета. Атомная масса 55,86; атомный радиус 0,127 нм; температура плавления 1539С.

Fe имеет 2 полиморфные модификации  и .

- существует при Т< 910C и T>1392C. Кристаллической решеткой - железа является объемноцентрированный куб с периодом решетки 0,2806 нм. До Т= 768С Fe_ ферромагнетик. Выше этой температуры (точка Кюри) оно становится парамагнетиком. Плотность - железа 7,68 г/см³.

- железо существует при Т= 910- 1392С. Оно парамагнитно. Имеет гранецентрированную кубическую решетку; а= 0,3645 нм при Т=910С.

Углерод С это неметалл; атомная масса 12,01; плотность 2,5 г/см³; температура плавления Т=3500С, атомный радиус 0,046нм.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий сплав; твердые растворы (феррит, аустенит, графит); химическое соединение (цементит); механическую смесь.

Феррит- это твердый раствор углерода и других примесей в - железе. Атом С располагается в центре грани куба решетки феррита, т.е. у него кристаллическая решетка- ОЦК. Феррит при 0,06%С имеет следующие механические свойства

_в= 250 МПа, _0,2= 120 МПа; относительное удлинение 50%; = 80%; НВ80- 90.

Рис. 2.20 Диаграмма состояния Fe- C:

А- аустенит; Ж- жидкость; П- перлит; Ф- феррит; Ц- цементит; Л- ледебурит;

AECF- линия солидус (ниже устойчивый - раствор, кристаллизация эвтектики);

АВСD- линия ликвидус;

SE- начало выделения из А. вторичного цементита (Ц_II), (точки А_m) ;

РSK- ниже линии распад А. с образованием перлита (при охлаждении A_r1; при нагреве A₁(A_c1));

FKL- соответствует цементиту, на базе которого возможно образование твердого раствора;

АВ- происходит кристаллизация Ф_ ;

ВС- начала кристаллизации аустенита;

А₃ (A_с3) - переход линии GS при нагреве.

Температура точек, град C : A- 1539; N- 1392; G- 910.

Феррит может быть в виде - феррита (до 0,02%С), низкотемпературная фаза, и - феррита- высокотемпературная фаза (до 0,1%С).

При Т= 768С и охлаждении парамагнитный феррит превращается в ферромагнитный. В случае нагрева магнитные свойства изменяются наоборот.

О структурах, образующиеся в сплаве железа с углеродом, можно судить по диаграмма состояния Fe-C, приведенной на рис.2.20.

Аустенит- это твердый раствор углерода и других примесей в  - железе. Здесь атом углерода располагается в центре элементарной ячейки радиусом 0,41 от атомного радиуса железа решетке - железа и в дефектных областях кристалла.

Аустенит обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести и прочности (НВ160- 200, относительное удлинение 40- 50%)

Цементит - это химическое соединение, карбид железа Fe₃C. В цементите содержится 6,67 %С. Он метастабилен, имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. До Т=210С цементит ферромагнитен. Его твердость HV1000 и очень малая пластичность.

Диаграмма состояния Fe-C (рис.2.19) иллюстрирует фазовый состав сплава от температуры и концентрации углерода. По оси абсцисс (горизонтальной) можно также отложить содержание карбида железа Fe₃C в сплаве. Когда содержание С составляет 6,67%, то содержание Fe₃C будет равно 100%.

Система Fe- Fe₃C метастабильна.

От линии эвтектоидного превращения PSK при охлаждении аустенит распадается при 0,81%С (точка S) с образованием эвтектоида- ферритоцементитной структуры, которую называют перлитом (П). Такое превращение называют перлитным.

Перлит имеет пластинчатое строение, т.е. состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита- это эвтектоидная сталь. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Точки N и G соответствуют полиморфному превращению - железа в - железо и наоборот.

Сплавы, где С< 0,02%, называют техническим железом.

Распадение аустенита начинается с образования зародышей цементита, а кристаллики феррита зарождаются на границе с цементитом.

С увеличением степени переохлаждения уменьшается расстояние _о между пластинками ферритно- цементитной структуры. В зависимости от _о различают перлит, сорбит, тростит: _о = 0,6- 1,0 мкм - перлит, (НВ180- 250); _о= 0,25- 0,3 мкм - сорбит, (НВ250- 350); _о= 0,1- 0,15 мкм - троостит, (НВ350- 450).

Рис.2.21. Фоторграфии ферритно- цементитных структур:

а- перлит; б- сорбит; в- троостит.

На рис. 2.21 показаны отмеченные структуры.

Пересыщенный твердый раствор углерода в - железе, мартенсит, имеет следующие механические характеристики:

0,025%С- _в= 1000МПа; 0,7%С- _в= 2600- 2700 МПа.

У него более высокие по сравнению с другими структурными составляющими стали удельный объем, являющийся причиной появления остаточных напряжений и трещин.

В точке С при охлаждении жидкого чугуна образуется эвтектика, названная ледебуритом, содержащая

Ж_с  А_Е + Fe₃C.

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При температуре выше 727С ледебурит представляет собой смесь аустенита и цементита эвтектичекого состава. В случае медленного охлаждения образуется сотовый ледебурит - пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита.

Стали (С<2,14%) не содержат хрупкой составляющей ледебурита и при высокой температуре имеют только аустенитную структуру, имеющую высокую пластичность. Поэтому стали, в отличие от чугунов (С> 2,14%) легко деформируются при нормальной и повышенной температуре. Однако из-за присутствия в структуре чугуна легкоплавкого ледебурита чугуны имеют лучшие литейные свойства.

Рост содержания углерода С приводит к повышению твердости (НВ), предела прочности (_в), предела текучести (_т), предела выносливости (_-1), но снижает относительное удлинение (), относительное сужение (), трещиностойкость, ударную вязкость.

Повышение содержания кремния Si увеличивает предел текучести.

Возрастание марганца Mn повышает предел прочности при почти постоянном пределе текучести, уменьшает красноломкость. (Автоматные стали, например, легируют кремнием и марганцем).

Сера S снижает ударную вязкость, относительное удлинение и сужение, ухудшает свариваемость, коррозионную стойкость.

Фосфор Р увеличивает предел прочности, предел текучести, уменьшает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости, улучшает обрабатываемость.

Водород Н способствует охрупчиванию стали.

Легирующие элементы, вводимые в сталь, могут образовывать твердые растворы: легированный цементит или самостоятельные карбиды, интерметалличсекие соединения. Все элементы, кроме С, N, H, B, образуют с Fe твердые растворы замещения. Они растворяются в железе, меняя свойства. При этом меняются положения точек А₃ и А₄ (рис. 2.22). Следует иметь в виду, что по оси абсцисс на рис. 2.22 отложено содержание легирующих элементов в процентах.

По влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа легирующие элементы делятся на 2 группы:

1. Дающие открытую область - фазы (Ni, Mn). Они понижают точку А₃ и повышают точку А₄, что приводит к расширению области  - фазы и сужению области - фазы. Сплавы, у которых концентрация легирующих элементов больше х, не испытывают фазовых превращений   и наоборот и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в - железе. Такие сплавы называют аустенитными.

Аустенитные стали не намагничиваются, т.е они не обладают ферромагнитными войствами. (Пример: 08Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т). Эти стали называют также высоколегированными коррозионностойкими.

Рис. 2.22

Влияние легирующих элементов на область существования полиморфных модификаций железа.

2. Дающие замкнутую область - фазы (Cr, Mo, W, Al ...). Они снижают точку А₄ и повышают точку А₃ (см. рис. 2.21). При содержании легирующего элемента, большего чем y, область - фазы замыкается. Сплавы в этом случае состоят из твердого раствора легирующего элемента в - железе. Это ферритные сплавы. Их иногда в производстве оборудования для АЭС называют высокохромистыми сталями (08Х14МФ, 08Х13....).

Для повышения жаропрочности в стали необходимо получить многофазную крупнозернистую структуру с мелко дисперсной упрочняющей фазой.

Критерием жаропрочности является предел длительной прочности и предел ползучести. При этом жаропрочными называются стали, способные длительно сопротивляться разрушению при повышенных температурах.

В металловедении рассмотрено множество различных вопросов, касающихся образования тех или иных структур. Поэтому при более детальном изучении этой дисциплины следует обращаться к специальной литературе, например [2].

Вообще для различных нужд промышленности разработано много сталей. Классифицируются они тоже по разным признакам:

а) использование

конструкционные, инструментальные, пружинные, шарикопод-шипниковые, автоматные, штамповые;

б) свойства

быстрорежущие, нержавеющие, жаропрочные, магнитные... ;

в) состав

углеродистые, легированные, кремнемарганцовистые, высокохромистые, хромоникелевые ....;

г) структура

мартенситные, мартенситно- ферритные, ферритные, аустенитные, перлитные, аустенитно- ферритные...

Обозначения сталей:

1. Ст.0 - сортовой прокат; содержание углерода 0,23%.

2. Вст.2кп - сталь для неответственных деталей; 0,09- 0,15%С; III группа (соответствует обозначению В); кипящая (кп).

Существует 3 группы сталей: А- обычно не пишется; Б- поставка осуществляется с контролем по химсоставу; В- поставка осуществляется с контролем по механическим свойствам и химсоставу.

3. Вст.2пс- сталь полуспокойная, остальное см. в предыдущем примере.

4. 08Х18Н10Т- содержит примерно 0,08%С; 18%Cr; 10%H; 1% Ti.

5. Х12Ф1- содержит около 1,3%С; 12% Cr; V0,8%.

6. 12МХ- содержит 0,12%С; до 1%Mn; до 1%Cr.

7. ШХ15- сталь шарикоподшипниковая; 1%С; 1,5%Cr.

8. У9- сталь инструментальная; 0,9%С; до 0,2%Mn; 0,2%Si.

9. 50Л- сталь литейная; 0,5%С.

10. Р6М5К5- сталь быстрорежущая; 0,9%С; 0,5%Mn; 0,5%Si.

11. 08Х18Н10Т-ВД- нержавеющая сталь с вакуумно- дуговым переплавом (ВД), остальное см. п.4.

12. 22К- сталь котельная; 0,22%С.

13. А20 - сталь конструкционная повышенной обрабатываемости; 0,2%С.

14. Сталь 20- качественная углеродистая сталь; 0,20%С. (качественная углеродистая сталь обозначается: 08, 10, 15,...20, .. 30, 45,... 60).

15. Ст.3 – сталь общего назначения,  0,25%С.

16. 30ХГСА- высококачественная сталь; 0,30%С; 1%Cr; 1%Mn; 1%Si.

17. 22КШ- особовысококачественная сталь электрошлакового переплава: 0,22 %С.

18. 65Г- пружинная сталь: 0,65%С; 1%- Mn. Также для изготовления пружин используют стали 50Г, 50С2, 60С2ХФА.

19. Ст.0; ..Ст.3кп,...Ст6сп- стали общего назначения.

Различают стали:

- низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25%; среднеуглеродистые (0,30%<С< 0,50 (0,7)%);

- низколегированные (содержание легирующих элементов до 2,5%);

- среднелегтрованные (содержание легирующих элементов 2,5…10%);

- высоколегированные (содержание легирующих элементов выше 10%)

- машиностроительные улучшаемые (40Х…);

- конструкционными улучшаемыми (30ХГСА, 40ХН2МА…)

Стали с содержанием углерода 0,02…0,80% называют доэвтектоидными. Если в стали С> 0,81%, то ее называют заэвтектоидной.