Глава 2. Стали.

Стали – основной материал

машиностроения, конструкционный материал в строительстве.

Цели и задачи изучения темы.

Цель состоит в формировании представлений о составе структуре и свойствах сталей, их классификации, маркировки, областях примене6ния.

Задачи:

• уяснить структуру полиморфных модификаций железа;

• изучить диаграмму состояния системы Fe – Fe₃C (железо-цементит), усвоить определение каждой из существующих в системе фаз и уметь показывать их на диаграмме;

• выучить определение стали, понять способы ее классификации и маркировку;

• понять причину структурных превращений в сталях при изотермических выдержках (появление перлита, сорбита, тростита, мартенсита);

• усвоить сущность четырёх основных способов термической обработки сталей;

• иметь представление об основных характеристиках, свойствах и областях применения углеродистых и легированных сталей;

2.1. Полиморфизм и свойства железа.

Содержание железа в земной коре составляет около 4,5%. Это четвертый по распространенности в природе элемент. Ниже температуры 911°C железо существует в низкотемпературной модификации -Fe, которая имеет объёмно центрированную кубическую элементарную ячейку (ОЦК), с параметром, а = 0.2862 нм. Важной особенностью -Fe является его ферромагнетизм, проявляющий себя при температурах ниже 768°С, называемой точкой Кюри. В интервале температур от 911°C до 1392 °C железо существует в модификации -Fe, имеющей гранецентрированную элементарную ячейку (ГЦК) с параметром, а = 0,364 нм. Выше температуры 1392°C железо снова существует в модификации -Fe. Температура плавления железа составляет 1539 °С.

Размеры пространства, которое может быть занято сторонними атомами, в ОЦК структуре -Fe составляет около 0,06 нм, в ГЦК структуре -Fe около 0,1 нм. Различие в размерах структурных вакансий влияет на величину растворимости углерода в - и  - железе. Диаметр атома углерода равен 0,154 нм. Растворимость углерода в  - железе в основном обусловлена размещением атомов углерода в дефектах кристаллической решетки, так как диаметр структурных вакансий в ОЦК структуре меньше, чем диаметр атома углерода. Величина растворимости углерода в низкотемпературном феррите достигает 0,02% при 727°C, а в высокотемпературном - 0,1% при 1499°С.

а)

б)

Рис. 2.1 Температурная зависимость параметра элементарных ячеек α-, γ- и δ - модификаций железа (слева). Виды элементарных ячеек аллотропных модификаций железа и температуры их фазовых превращений (справа).

В -Fe атомы углерода с обобществленными электронами размещаются в структурных вакансиях ГЦК решетки. Растворимость углерода достигает 2.14 масс % при 1147 °С.

Плотность железа составляет 7680 кг/м³. Предел прочности при растяжении технически чистого железа, содержащего около 0,1% примесей, равен 200 – 250 МПа, относительное удлинение 50 – 60%, твердость 70 – 80 НВ. Повышение степени очистки приводит к снижению прочности и твердости железа. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 масс % C называют техническим железом.

2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe3c.

В системе железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий расплав, твердые растворы (феррит и аустенит), химическое соединение Fe₃C (цементит), свободный углерод в виде графита. К структурным составляющим системы Fe – Fe₃C относят фазово-зёренные образования перлит и ледебурит, представляющие собой механические смеси сосуществующих фаз.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в -Fe , имеющем объемно гранецентрированную кристаллическую структуру. На диаграмме Fe – Fe₃C обозначается буквой Ф. Твёрдый раствор, как и α-Fe имеет ОЦК структуру, что определяет малую протяжённость области гомогенности. Низкотемпературный  - феррит содержит до 0,02 масс % углерода, высокотемпературный  - феррит до 0,1 масс % углерода. Техническое железо имеет структуру феррита, который вытравливается на шлифах в виде однородных зерен. Феррит высокопластичен и мягок (80 – 120 НВ), хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в - Fe (гранецентрированная кубическая структура) с максимальным содержанием углерода 2,14%, при 1147^оC. Условия, ограничивающие область существования аустенита на диаграмме состояния системы Fe -Fe₃C. На диаграмме обозначается буквой A. Аустенит существует в температурном интервале от 727 °C до 1490 °C. Микроструктура сплава представлена однородными зернами. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит (160 – 200 НВ). Заметные размеры структурных вакансий около 0,1нм определяют заметную растворимость в аустените различных химических элементов.

Цементит – химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67 масс % углерода. Самая твердая (800 НВ) и хрупкая составляющая сплавов железа с углеродом. Имеет сложную ромбическую, плотноупакованную структуру. Температура плавления равна 1250°C. До температуры 210 °C цементит магнитен. При высоких температурах разлагается на графит и аустенит. Образует твердые растворы замещения, в которых углерод замещается неметаллами (кислородом, азотом), а железо металлами (марганцем, хромом, вольфрамом и т. д.). Сплавы на основе цементита в чистом виде не используют. Чем больше цементита в железоуглеродистом сплаве, тем выше твердость последнего.

Графит – аллотропическая модификация углерода со слоистой гексагональной структурой и слабой связью между слоями. Графит мягок, прочность его очень низкая. Температура плавления около 3800 °C, плотность 2500 кг/ м³. Химически стоек и имеет электропроводность, как у металлов.

Перлит – механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 масс % углерода и образующаяся в процессе медленного охлаждения при перекристаллизации (распаде) аустенита, ниже температуры 727^оС. Образуется при перекристаллизации (распаде) аустенита при t = 723 °C на феррит и цементит. Такой распад называется эвтектоидным, а перлит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочностью (а_в = 800 МПа), твердостью 200 НВ и повышает механические свойства сплава. Зёренная структура перлита образована чередующимися пластинками феррита и цементита.

Рис. 2.2. Диаграмма состояния системы Fe – Fe₃C. На верхней оси абсцисс отложены массовые % углерода; на нижней оси абсцисс отложены мольные % Fe₃C.

Ледебурит – механическая смесь кристаллов аустенита и цементита, образуется при кристаллизации сплава с 4,3 масс % углерода при t = 1147°C, (эвтектика между фазами аустенита и цементита). Ледебурит является эвтектикой, образованной между аустенитом и цементитом. При температурах ниже 727 °C аустенит в ледебурите превращается в перлит, и после охлаждения до комнатной температуры ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит тверд (700 НВ). Имеет сотовое или пластинчатое строение и содержится во всех белых чугунах.

Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (рис. 2.2) характеризует фазовый состав и превращения в системе железо – цементит (6,67 % С). На оси абсцисс, которая является осью составов, представлено две шкалы показывающие содержание углерода и цементита. Часть диаграммы, имеющая практическое значение, расположена в диапазоне концентраций углерода до 6,67 %, что соответствует химическому соединению Fe₃C (цементит Ц). Координаты характерных точек диаграммы приведены в табл. 2.1. Точка A определяет температуру плавления чистого железа, а точка D- температуру плавления (разложения) цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки H и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка E определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените. Значения остальных точек будут обсуждены позже.

Превращения в сплавах системы Fe – Fe₃C происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линиях ликвидус (ABCD) и солидус (AHJECF).

Таблица 2.1

Характерные точки диаграммы состояния железо-цементит

Обозначение точки на диаграмме	Температура в оС	Концентрация углерода в %	Обозначение точки на диаграмме	Температура в оС	Концентрация углерода в %
А	1539	0	C	1147	4.3
Н	1499	0.1	F	1147	6.69
J	1499	0.16	G	911	0
B	1499	0.51	P	727	0.02
N	1392	0	S	727	0.8
D	1560	6.67	K	727	6.69
E	1147	2.14

Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита. Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (двойная вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из жидкости, называют первичным; цементит, выделяющийся из аустенита - вторичным; цементит, выделяющийся из феррита — третичным. Соответственно линию DC на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES- линией вторичного цементита; PQ-линией третичного цементита. В системе железо – цементит происходят три изотермических превращения.

Перитектическое превращение на линии HJB (1499 °С)

Ф_н + Ж_вА_j.

Эвтектическое превращение на линии ECF (1147 °С)

Ж_с[А_Е + Ц] ≡ Ледебурит.

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727 °С)

А_s[Ф_Р + Ц] ≡ Перлит.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (В честь немецкого ученого А. Ледебура), а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом.

Еще раз отметим, что эвтектоид - перлит (содержит 0,8 %С) и эвтектику - ледебурит (4,3 %С) рассматривают как самостоятельные структурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов. Перлит чаще всего имеет пластинчатое строение и является прочной структурной составляющей. При охлаждении ледебурита до температур ниже линии SK входящий в него аустенит превращается в перлит, и при температуре 20 – 25°C ледебурит представляет собой смесь цементита и перлита. В этой структурной составляющей цементит образует сплошную матрицу, в которой находятся колонии перлита. Такое строение ледебурита служит причиной его большой твердости и хрупкости. Присутствие ледебурита в структуре сплавов обусловливает их неспособность к обработке давлением, затрудняет обработку резанием.

Железоуглеродистые сплавы подразделяют на две основные группы: стали, содержащие до 2,14% C и чугуны, содержащие свыше 2,14% C (табл.2.2).