29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Технически чистое железо, имеющее структуру феррита, не представляет особого интереса как конструкционный материал, т. к. обладает низкой прочностью и высокой пластичностью (σ_в=250 МПа, δ=50 %); гораздо большее практическое значение имеют сплавы на основе железа и углерода.

На диаграмме состояния железо – цементит можно выделить две области, которые соответствуют самым распространенным промышленным сплавам – стали и чугуну.

Стальюназываются сплавы на основе железа и углерода, содержащие теоретически до 2,14 %С, а реально до 1,4 %С. Стали по структуре подразделяют надоэвтектоидные (содержащие до 0,81 %С), эвтектоидные– перлитные (0,81 %С) и заэвтектоидные (свыше 0,81 %С).

Чугуном называют сплавы на основе железа и углерода, содержащие от 2,14 и теоретически до 6,67 %С, а реально до 4 %С. Чугуны, в свою очередь, по структуре подразделяют надоэвтектические (2,14…4,3 %С),эвтектические– ледебуритные (4,3 %С) и заэвтектические(свыше 4,3 %С).

Углеродявляется важнейшей составной частью сталей и чугунов; чем больше углерода, тем выше прочность и твердость, и ниже пластичность и вязкость – рис. 29.

Рис. 29. Влияние содержания углерода на механические свойства стали

Сталь и чугун являются многокомпонентными сплавами, содержащими ряд постоянных и технологических примесей: марганец, кремний, никель, сера, фосфор, азот, кислород, водород и др.

Сера и фосфорпоступают из руды – это очень вредные примеси, и их содержание строго регламентируется в зависимости от качества стали. Сера приводит ккрасноломкостистали – растрескиванию при ковочных температурах. Фосфор вызываетхладноломкость– резкое снижение прочности (повышение хрупкости) при низких температурах³⁶.

Азот, кислород и водородохрупчивают сталь и поэтому с ними также борются.

Марганец и кремний– полезные примеси; они поступают в сталь а результате ее раскисления (удаления кислорода на финише плавки); никель и др. металлы приходят, как правило, из переплавляемого металлолома. СодержаниеSiобычно находится на уровне 0,4 %, аMn– 0,8 %; они повышают предел текучести, а марганец, соединяясь с серой, уменьшает красноломкость.

Никель, как правило, является полезной примесью, поступающей из металлолома; повышает прочность, пластичность и вязкость железо-углеродистых сплавов.

30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния

Легирующие элементы (от лат. «ligo» – связываю) специально вводят в сталь для достижения требуемых свойств³⁷. Легирующие элементы могут образовывать следующие фазы:

• твердые растворы(например,MnиNiвFe);

• легированный цементит или специальные карбиды((Fe, Cr)₃C,W₃Cи др.);

• интерметаллические соединения(Fe₃Ti,Fe₇W₆ и др.).

Все легирующие элементы так или иначе влияют на диаграмму железо-цементит. Например, MnиNiрасширяют область существования аустенита, делая его устойчивым вплоть до комнатной температуры, и сужают область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов, сталь при комнатной температуре имеетаустенитнуюструктуру (и становится парамагнитной). Никель является единственный элементом, который одновременно повышает прочность, пластичность и вязкость сталей.

Cr, Mo, W, V, Al, Siи др. сужают область существования аустенита и расширяют область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов сталь не претерпевает↔-превращения, поэтому такие стали называютферритными(их бесполезно закаливать).

Если -область сильно сужена и↔-превращения протекают частично, то сталь называютполуферритной.

Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr и Tiобразуют с углеродом высокопрочные твердые карбиды (чем правее металл в этом ряду, тем прочнее карбид). Путем введения этих элементов сталь можно сделать более износостойкой и жаропрочной. Наиболее важное значение имеют карбиды вольфрама, молибдена и титана, которые устойчивы при температурах до 600…1000^оС. На основе этих карбидов изготавливают быстрорежущие стали и твердые сплавы, используемые при изготовлении резцов, фрез, сверл и т. д.