1.1.1 Стали и чугуны

Сплавы системы Fe-Fe₃C подразделяются на стали и чугуны в за­висимости от содержания в них углерода. К первым относятся спла­вы, содержание углерода в которых не превышает 2,03 %. Структура сталей определяется содержанием в них углерода. В момент пол­ного затвердевания структура сталей, содержащих менее 0,1% С, чисто ферритная (δ-феррит). Полное затвердевание сталей, содержа­щих 0,1-0,16% С, заканчивается образованием ферритно-аустенитной структуры, содержание δ-феррита в которой изменяется от 0 (то­чка J) до 100 % (точка Н). Стали с содержанием углерода 0,16-0,51% имеют ферритно-аустенитную структуру, образование которой свя­зано с расходом в процессе охлаждения первоначально образовав­шегося δ-феррита. Сплавы, содержащие 0,51-2,03% С, имеют чисто аустенитную структуру, образование которой начинается с первых моментов затвердевания жидкого металла [1].

Во многих нержавеющих сталях аустенит нестабилен и способен превращаться в мартенсит. Мартенсит имеет тот же состав, что и исходный аустенит, но иную «игольчатую» структуру. Прочность и твердость стали при этом повышаются, коррозионные свойства меняются незначительно. Чугуны имеют в своем составе более 2,03% С и подразделяются на доэвтектические (2,03 % < С < 4,25 %) и заэвтектические (С > 4,25 %). В структуру доэвтектических чугунов входят: аустенит (основная составляющая) и перлит (эвтектическая смесь Fe и Fe₃C). Переохлаждения, реализуемые в реальных процессах металлурги­ческого производства чугуна, способствуют выделению в структу­ре сплавов не цементита, а графита, имеющего так называемую «крабовидную» форму. Серый цвет излома чугунов с аустенитно-графитовой эвтектикой дал им название серых. В отличие от серых, белые чугуны имеют светло-серый гладкий излом, а в их состав вхо­дит аустенитно-цементитная эвтектика. В заэвтектических чугунах основной структурно-фазовой составляющей является графит (или цементит).

Кроме углерода в состав сталей всегда входят и многие другие хи­мические элементы как специально вводимые для придания металлу определенных свойств и называемые легирующими, так и неизбеж­но попадающие в металл из рудных материалов. Такие элементы называются примесными.

Примесные элементы могут образовывать с железом твердые рас­творы замещения (если их атомный диаметр отличается от атомного диаметра Fe не более, чем на 15 %) или внедрения (если их атомный диаметр составляет не более 0,59% атомного диаметра Fe). Взаи­модействуя друг с другом или с железом, примесные элементы об­разуют в структуре сталей неметаллические включения — оксиды, сульфиды или оксидосульфиды, количество, химический состав и структура которых определяются технологией выплавки металла.

К сталям обычного качества относятся сталь 1, сталь 2, сталь 3 и т.д., различающиеся содержанием углерода (0,15-0,45%) и механи­ческими свойствами [2].

Маркировка качественных сталей — сталь 10, 15, 20 и т.д. соот­ветствует среднему содержанию в них углерода (в сотых долях %). Стали с содержанием легирующих компонентов не более 3-5%, объ­единены в группу углеродистых или низколегированных. Их область применения: основная масса оборудования и металлоконструкций.

В соляной кислоте скорость растворения углеродистых сталей экспоненциально возрастает с концентрацией HCI.

В серной кислоте скорость коррозии возрастает по такому же за­кону до концентрации H₂SO₄, равной 47-50%. В более концентри­рованных растворах скорость процесса уменьшается, что связано с образованием пассивных оксидных и сульфатных пленок на поверх­ности.

В азотной кислоте пассивация железа наступает при концентра­ции кислоты около 50%. При концентрации азотной кислоты 94-100 % железоуглеродистые сплавы вследствие явления перепассива­ции вновь сильно разрушаются.

В плавиковой кислоте низколегированные стали разрушаются очень быстро, если концентрация кислоты не превышает 50%. В более концентрированных растворах железо устойчиво.

Допускается транспортировка плавиковой кислоты концентраци­ей не ниже 60 % в стальных баллонах.

В щелочах концентрацией до 30% железо довольно устойчиво. При более высоких концентрациях NaOH защитные пленки на по­верхности железа растворяются с образованием ферратов - Na₂FeО₄. В концентрированных щелочах, особенно при высокой температуре, сплавы на основе железа подвержены коррозионному растрескива­нию - так называемой «каустической хрупкости».

В органических кислотах углеродистые стали подвержены силь­ной коррозии, которая увеличивается при доступе кислорода и с повышением температуры.

В спиртах, бензоле и органических растворителях железоуглеро­дистые стали коррозионно-устойчивы.