Структуры железоуглеродистых сплавов

1. Железо с содержанием углерода до 0,02 % называют техническим. Микроструктура сплава состоит из зерен феррита при содержании углерода до 0,006 % (рис. 4.13, а). При увеличении углерода до 0,02 % по границам и внутри зерен феррита расположены мелкие зерна Ц_III.

2. Стали – сплавы железа с содержанием углерода до 2,14 %, кристаллизуются с образованием аустенита. Микроструктура формируется при перекристаллизации аустенита. По содержанию углерода и структуре стали делят на: доэвтектоидные, структура – Ф+П (рис. 4.13 ,б); эвтектоидные, структура – П (рис. 4.13 ,в); заэвтектоидные, структура – П+Ц_II (рис. 4.13 ,в), цементит образует сетку вокруг зерен перлита.

3. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,69 % кристаллизуются с образованием легкоплавкой эвтектики (ледебурита) и называются белыми чугунами. Они имеют высокую твердость и хрупкость, излом серебристо-белый. По количеству углерода и структуре белые чугуны (см. рис. 4.14) делятся на: доэвтектические, структура – П+Л+Ц_II; эвтектические – Л; заэвтектические – Л+Ц_I.

Фазовый состав сталей и белых чугунов при нормальных температурах одинаков: феррит и цементит. Однако их свойства отличаются. Литейные свойства сплавов тем выше, чем меньше их температурный интервал кристаллизации. Наиболее высокими литейными свойствами обладают сплавы, испытывающие эвтектическое превращение.

Углеродистые стали

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом с содержанием остальных примесей не более 1 %. Свойства определяются количеством углерода (рис. 4.15). С ростом содержания углерода количество цементита увеличивается, феррита – уменьшается. Прочность сталей повышается до содержания углерода ~1 %, затем уменьшается, так как в структуре образуется грубая сетка цементита. Увеличение содержания углерода снижает ударную вязкость, ухудшает обрабатываемость давлением, расширяет температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис. 4.16). Каждая десятая доля процента углерода повышает порог хладноломкости примерно на 20 °С. При 0,4 % С порог хладноломкости равен 0 °С. Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются и штампуются в холодном состоянии.

Влияние примесей

1. Постоянные примеси. Марганец, кремний и алюминий добавляют в сталь для раскисления при выплавке, они являются технологическими примесями. Содержание марганца и алюминия в стали – не более 0,5–0,8 %. Марганец повышает прочность, алюминий дегазирует металл и повышает плотность слитка. Кремний (0,15–0,4 %) растворяется в феррите и увеличивает предел прочности.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. Фосфор растворяется в решетке феррита, за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и повышению температуры перехода в хрупкое состояние (20–25 °С на 0,01 % Р) – явление хладноломкости.

Сера также попадает в сталь при ее выплавке из чугуна. Сера с железом образует сульфид FeS, который, в свою очередь, образует с железом (с аустенитом) легкоплавкую эвтектику (988 °С). При нагреве стали эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости. Сера снижает ударную вязкость и пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке. Водород в стали приводит к образованию флокенов – тонких трещин округлой формы серебристого цвета. Кислород в железе не растворяется, присутствует в виде оксидов железа (FeO, Fe₂O₃) и других элементов (SiO₂, Al₂O₃). Оксиды образуются как продукты реакций раскисления стали. Азот в малых количествах растворяется в феррите, с железом образует нитридные включения.

Неметаллические включения являются концентраторами напряжений и снижают прочностные и пластические свойства стали.

3. Случайные примеси: хром, никель, вольфрам и др. попадают в сталь из металлического лома (скрапа) при выплавке.