4. Основные структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Ответ: Основными компонентами, от которых зависит структура и свойства железоуглеродистых сплавов, являются железо и углерод. В зависимости от температуры и концентрации углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие структурные составляющие.  Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Рас­творимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость - 0,02% при 727°С. Феррит имеет незначи­тельную твердость (НВ 80-100) и прочность (σв=250 МПа), но высокую пластичность (δ=50%; ψ=80%). Аустенит (А) - твердый раствор внедрения углерода в γ-железе. В железоуглеродистых сплавах он может существовать только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8% - при 727°С. Эта температура является ниж­ней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеро­дистых сплавах. Аустенит имеет твердостьНВ 160-200 и весьма пласти­чен (δ =40-50%). Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (кар­бид железа Fe3C). В цементите содержится 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Он очень тверд (НВ-800), хрупок и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в оп­ределенных условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe3C→3Fe+C. Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, со­держащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернис­тым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зерна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной тем­пературе зернистый перлит имеет предел прочности σв =800МПа; отно­сительное удлинение δ =15%; твердость НВ 160. 

5. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Ответ:   Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. В равновесном состоянии сталь представляет смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода.      Феррит малопрочен и пластичен. Цементит твёрд и хрупок. В связи с этим по мере повышения концентрации углерода повышается прочность и твердость, снижаются пластичность и вязкость стали. 

На механические свойства за­эв­тек­тоидных сталей сильное влия­­­­ние оказывает вторичный цементит, образующий хрупкий каркас вокруг зерен перлита. Под нагрузкой этот каркас преждевременно разру­шается, вызывая снижение прочности, пластичности и вязкости. Из-за этих недостатков заэвтектоидные стали при­меняют после спе­циального отжига со структурой зернистого перлита.

Влияние углерода еще более значительно при неравновесной струк­туре. После закалки прочность и твердость резко возрастают с увели­чением содержания углерода. При низком отпуске эти свойства пол­ностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.

Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород. Содержание марганца и кремния обусловлено процессом выплавки стали. Для того чтобы освободиться от FeO (за­киси железа), образующейся при плавке и ухудшающей свойства стали, вводят Мn и Si. Этот процесс называют раскислением стали. При этом содержание Мn не должно превышать 0,8 мас.%, a Si – 0,4 мас.%. Содержание Мn и Si в таком количестве практически не оказывает влияния на механические свойства углеродистых сталей (оказывается незначительное упрочняющее действие). Более высо­кое содержание этих элементов существенно изменяет свойства стали. Сера и фосфор являются вредными примесями. Содержание более чем 0,05 мас.% каждой из этих примесей резко ухудшает качество стали. Вредное действие S связано с явлением красноломкости стали, т. е. с повышенной хрупкостью. Вредное действие Р заключается в резком увеличении хрупкости стали при обычной температуре. Газы Н, О, N содержатся в стали в небольших количествах в за­висимости от способа производства. Они ухудшают свойства стали, снижая прочность и пластичность.