Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией

Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит + цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит + перлит и заэвтектоидные – перлит + цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода (линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит + цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,4% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,4%С, называется заэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Перлит + Цементит.

19 Классификация углеродистых сталей (углеродистые обыкновенного качества, конструкционные качественные стали, инструментальные стали).

Углеродистые стали — это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, эти стали содержат до 0,8% марганца и до 0,4% кремния, остающихся после раскисления, а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора.

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов. Для котельных агрегатов, турбин, вспомогательного оборудования широко применяют низкруглеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Они очень пластичны и поэтому хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Эти стали можно использовать также в виде стального фасонного литья. Кроме того, они обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами: достаточно прочны при температурах до 450° С, хорошо воспринимают динамические нагрузки.

Низкоуглеродистые стали удовлетворительно сопротивляются коррозии в условиях работы ряда деталей тепломеханического оборудования электростанций. Эти стали самые дешевые и наименее дефицитные.

Особенности производства стали и стальных полуфабрикатов оказывают существенное влияние на механические свойства и качество готовых изделий.

Большинство деталей котлов и турбин изготавливают из углеродистой стали, выплавленной в основных мартеновских печах.

Продувкой в бессемеровском конвертере получают углеродистую сталь с содержанием углерода до 0,5%. Эту сталь применяют для производства сварных труб неответственного назначения, болтов, профилей, тонкой жести.

При одинаковом содержании углерода бессемеровская сталь имеет более высокую прочность и твердость, чем мартеновская. Эта разница в свойствах объясняется тем, что в бессемеровской стали содержится повышенное количество растворенных азота и фосфора — элементов, упрочняющих сталь, но делающих ее одновременно и более хрупкой. Применение кислородного дутья в конвертерах значительно ослабляет этот недостаток конвертерной стали.

Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по свойствам к мартеновской.

Кроме способа выплавки, на свойства стали и готовых изделий большое влияние оказывает способ раскисления, по которому стали делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали в свою очередь разделяют на строительные и машиностроительные.

В строительных сталях содержание углерода обычно не превышает 0,25%, т. е. эти стали относятся к категории малоуглеродистых. Они хорошо свариваются, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, но прочность их относительно невысока.

Машиностроительные малоуглеродистые стали часто применяют в качестве цементуемых, т. е. для деталей, подвергаемых поверхностному науглероживанию и закалке для повышения износостойкости, а также для изготовления крепежных деталей. Среднеуглеродистые машиностроительные стали (0,3—0,7% углерода) прочнее строительных и могут подвергаться закалке с высоким отпуском. В результате такой термической обработки улучшаются их механические свойства. Однако эти стали хуже свариваются и плохо поддаются деформации в холодном состоянии, v Инструментальные стали содержат от 0,7 до 1,4% углерода.

Углеродистые стали классифицируют также по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и постоянством механических свойств и химического состава. Чем меньше содержание вредных примесей, колебание механических свойств и химического состава, тем выше качество стали.

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углерод — элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. Влияние углерода на прочность и пластичность углеродистой стали после прокатки показано на рис. 66. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0,8% углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.

Изменение прочности стали в зависимости от содержания углерода легко объяснить характером изменения микроструктуры. Незакаленная углеродистая сталь при содержании углерода менее 0,8% состоит из кристаллитов свободного феррита и перлита, при 0,8% — только из перлита и при содержании углерода более 0,8% — из перлита и свободного цементита.

Феррит (твердый раствор углерода в а-железе) — очень пластичен и вязок, но непрочен. Перлит, механическая смесь тонкодисперсных пластинок феррита и цементита, придает прочность. Цементит очень тверд, хрупок и статически прочен. При повышении в стали содержания углерода (в пределах до 0,8%) увеличивается содержание перлита и повышается прочность стали. Однако вместе с этим снижаются ее пластичность и ударная вязкость. При содержании 0,8% С (100% перлита) прочность стали достигает максимума. При дальнейшем увеличении содержания углерода избыточный свободный цементит образует оторочку вокруг перлитных зерен, что приводит к хрупкому разрушению и неко-торому снижению прочности стали.

Марганец вводят в любую сталь для раскисления (т. е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому его обнаружение металлографическими методами невозможно. Он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

Кремний, подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния. Весь кремний растворяется в феррите. Он сильно повышает прочность и твердость стали.

Сера — вредная примесь. В процессе выплавки стали содержание серы снижают, но полностью ее удалить не удается. В мартеновской стали обыкновенного качества содержание серы допускается до 0,055%.

Присутствие серы в большом количестве приводит к образованию трещин при ковке, штамповке и прокатке в горячем состоянии, ото явление называется красноломкостью. В углеродистой стали сера взаимодействует с железом, в результате чего получается сернистое железо FeS. Сернистое железо образует с железом относительно легкоплавкую эвтектику, которая располагается по границам зерен. При температурах ковки, штамповки, прокатки в горячем состоянии эвтектика FeS—Fe находится в жидком состоянии. В процессе горячей пластической деформации по границам зерен, где располагается жидкая эвтектика, образуются горячие трещины.

Если в сталь ввести достаточное количество марганца, то вредное влияние серы будет устранено, так как она будет связана в тугоплавкий сульфид марганца MnS. Включения MnS располагаются в середине зерен, а не по их границам. При горячей обработке давлением включения MnS легко деформируются без обра-зования трещин.

Фосфор, подобно сере, является вредной примесью. Растворяясь в феррите, фосфор резко снижает его пластичность, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, или иначе — вызывает хладноломкость стали. Это явление наблюдается при содержании фосфора свыше 0,1 %. Однако допустить содержание даже 0,05% Р для стали ответственного назначения уже рискованно, так как фосфор очень склонен к ликвации. Области слитка с повышенным содержанием фосфора становятся хладноломкими. В мартеновской стали обыкновенного качества допускается не более 0,045% Р.

Сера и фосфор, вызывая ломкость стали и одновременно понижая механические свойства, улучшают обрабатываемость резанием: повышается чистота обрабатываемой поверхности, увеличивается время между переточками резцов, фрез и т. д. Поэтому для ряда неответственных деталей, подвергаемых механической обработке, применяют так называемые автоматные стали с повы-шенным содержанием серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%).

Кислород — вредная примесь. Закись железа, подобно сере, вызывает красноломкость стали. Очень твердые окислы алюминия, кремния и марганца резко ухудшают обрабатываемость стали резанием, быстро затупляя режущий инструмент.

В процессе выплавки углеродистой стали из металлического лома в нее могут попасть никель, хром, медь и другие элементы. Эти примеси ухудшают технологические свойства углеродистой стали (в частности, свариваемость), поэтому их содержание стараются свести к минимуму.

Маркировка углеродистых сталей. Углеродистые стали выпускают обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Легированные стали — качественные, высококачественные и особовысококачественные. Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. С увеличением номера повышаются содержание углерода и прочностные свойства, но снижается пластичность. Так, в зависимости от марки (номера) содержание углерода в сталях увеличивается от 0,06 до 0,43%, возрастают предел прочности ав от 300 до 600 МПа и предел текучести а0,2 от 150 до 300 МПа, а относительное удлинение 8 снижается от 32 до 14%. Стали обыкновенного качества используют в основном как строительные. Их не подвергают термической обработке. Качественные углеродистые стали являются машиностроительными, их применяют для изготовления деталей машин (конструкционные стали) или инструментов (инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств они подвергаются термической обработке и поэтому поставляются с гарантированным химическим составом, который указывается в обозначении марки. Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45 Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %. Конструкционные стали обозначаются цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь 20 содержит 0,18…0,22%, сталь 25 — 0,23…0,27%, сталь 40 — 0,37…0,42% и т.п. Цифры, обозначающие марку стали, получаются округлением концентрации углерода до ближайшего числа, кратного пяти. Инструментальные углеродистые стали содержат от 0,7 до 1,3% С. Они обозначаются буквой У и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Так, содержание углерода в стали У7 — 0,7%, в стали У12 — 1,2%. Для инструментов применяются следующие стали: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13. Высококачественные стали (инструментальные углеродистые и легированные и конструкционные легированные) обозначают буквой А в конце марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А.