Лекция 9

Ледебурит – механическая смесь аустенита и цементита первичного. Образуется из жидкости при первичной кристаллизации при температуре 1147 оС. Содержит 4,3% углерода. Является эвтектикой. Может присутствовать в структуре при температурах выше 727оС. Является двухфазной структурой. Обозначается буквой Л.

Ледебурит превращенный – механическая смесь перлита и цементита. Образуется из ледебурита первичного в результате превращения аустенита в перлит (в составе ледебурита) при температуре 727^оС. Содержит также 4,3% углерода, является также эвтектикой и двухфазной структурой. Может присутствовать в структуре при температурах ниже 727^оС. Обозначается буквой Лпр.

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – УГЛЕРОД

(ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ)

Диаграмма состояния железо - цементит приведена на рис.7.2. Линия ABCD - линия ликвидус, линия АН JECF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1536ºС), точка D - температуре плавления цементита (1250°С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа (1392°С и 911°С).

Рис.7.2. Диаграмма состояния железо-углерод.

В системе Fe-Fe₃C при различных температурах происходят эвтектическое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при 1147ºС происходит эвтектическое превращение: (А + Ц_I). Образующаяся эвтектика называется ледебуритом. Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита первичного, содержащая 4,3 % углерода.

По линии PSK при 727°С происходит эвтектоидное превращение:

(Ф + Ц), в результате которого из аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкости, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом. Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8 % С. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленом шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит.

В результате первичной кристаллизации во всех сплавах с содержанием углерода менее 2,14% (в сталях) образуется однофазная структура – аустенит. В сплавах с содержанием углерода более 2,14% (в чугунах) при первичной кристаллизации образуются аустенит (по линии АВС), цементит первичный (по линии СD) и ледебурит первичный, эвтектика (по линии ECF).

Вторичная кристаллизация (превращения в твердом состоянии) происходит по линиям GSE и PSK. Образование феррита из аустенита по линии GS происходит вследствие полиморфного превращения γ в α. Образование цементита вторичного из аустенита по линии SE происходит вследствие изменения растворимости углерода в аустените. При понижении температуры по линии ES растворимость углерода уменьшается и происходит выделение цементита.

По линии PQ уменьшается растворимость углерода в феррите с понижением температуры. От максимального значения в точке P (0,02%) до точки Q (0,006%) при комнатной температуре. Избыточный углерод в очень малых количествах выделяется из феррита в виде цементита третичного. Такую структуру имеет технически чистое железо.

В точке S при содержании углерода 0,8% и температуре 727°С весь аустенит превращается в механическую смесь феррита и цементита вторичного (перлит). Такое превращение происходит по всей линии PSK, поэтому ее называют линией перлитного превращения.

Анализируя линии и точки диаграммы состояния железо – углерод можно определить структурные составляющие сталей и чугунов при любом содержании в них углерода и при определенной температуре.

Таким образом, диаграмма состояния железо – углерод имеет большое практическое значение. Ее применяют для назначения режимов термической обработки сталей определенного состава, для назначения режимов горячей механической обработки, для прогнозирования свойств стали по ее структуре в соответствии с диаграммой состояния.

ЛЕКЦИЯ 8

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С и малое количество других элементов (примеси), называются углеродистыми сталями.

Углеродистые стали выплавляются в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Считается, что наиболее высокими свойствами обладают стали более чистые по содержанию вредных примесей серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Такие стали используются для изготовления наиболее ответственных деталей.

Влияние углерода и примесей на свойства стали

Углерод оказывает значительное влияние на свойства стали. Даже при малом изменении содержания углерода в стали, изменяются механические свойства. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышениюпрочности, твердости и понижению пластичности. Кроме того, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода приведена на рис.8.1.

Рис. 8.1. Влияние углерода на свойства стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали возрастает количество цементита. При содержании в стали углерода до 0,8% структура состоит из феррита и перлита, однако при увеличении содержания углерода в этих сталях соотношение феррита и перлита изменяется: ферритная составляющая уменьшается, количество перлита - возрастает. Так как в состав перлита входит цементит, то его количество также возрастает, что приводит к увеличению прочности и понижению пластичности. При содержании углерода более 0,8% в структуре сталей кроме перлита появляется структурно свободный вторичный цементит.

Как известно, феррит имеет низкую прочность, но сравнительно высокую пластичность. Цементит обладает высокой твердостью, но является хрупким.

Таким образом, изменение структуры стали при увеличении содержания углерода приводит к увеличению твердости, прочности и снижению вязкости и пластичности. Заметный рост прочности происходит при содержании углерода до 1,0%. При большем содержании углерода твердость продолжает расти, но прочность даже снижается за счет охрупчивания вследствие образования сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен. Для устранения хрупкости сталей с высоким содержанием углерода используют специальную термическую обработку.

Также углерод оказывает влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием.

С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость. Считается оптимальным для возможности сварки содержание углерода до 0,22 - 0,25%. Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к ухудшению деформации (механической обработки) в горячем и холодном состоянии.

Обрабатываемость резанием считается наиболее хорошей у стали с содержанием углерода 0,3 - 0,4%. Стали с меньшим содержанием углерода являются слишком вязкими. Кроме того, они дают плохую поверхность обработки и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют повышенную твердость, что затрудняет их обрабатываемость.

В химическом составе стали всегда присутствуют постоянные примеси, к которым относятся: кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Обычно содержание примесей в процессе выплавки стали ограничивают. Особенно это относится к содержанию вредных примесей, таких как сера и фосфор. Так, количество этих элементов по верхнему пределу для неответственных сталей ограничивается не более 0,05%; для ответственных и специальных сталей - в тысячных долях %.

Сера снижает пластичность и вязкость сталей, а также приводит к явлению красноломкости в процессе горячей механической обработки. Фосфор, попадая в сталь, способен растворяться в феррите, при этом уменьшает его пластичность и способствует охрупчиванию стали.

Кислород, азот, водород находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо могут образовывать химические соединения. Кислород и азот загрязняют сталь хрупкими, неметаллическими включениями, уменьшают вязкость и пластичность стали. Водород, находясь в твердом растворе, также сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода приводит к образованию трещин – флокенов
(«водородное охрупчивание»).

Марганец и кремний считаются полезными примесями. Их вводят в сталь специально в процессе выплавки для раскисления стали и связывания кислорода. Кроме того, марганец и кремний способны упрочнять составляющую феррита. Обычно в углеродистой стали присутствует до 0,8% марганца и до 0,4 - 0,5% кремния.

Классификация углеродистых сталей

Классификация углеродистых сталей проводится по различным признакам: по структуре и содержанию углерода (в соответствии с диаграммой железо-углерод); способу раскисления; по назначению; по качеству.

По структуре различают:

1. Доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8% С со

структурой Ф и П;

2. Эвтектоидная сталь, содержащая 0,8% С, со структурой

П;

3. Заэвтетоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14% С, со

структурой П и Ц _II.

По способу раскисления различают:

1. Кипящие стали (полностью не раскисленные);

2. Полуспокойные стали (частично раскисленные);

3. Спокойные стали (раскисленные).

По назначению различают:

1. Конструкционные стали;

2. Инструментальные стали.

Углеродистые инструментальные стали, содержащие 0,7 - 1,3%С со структурой перлита и цементитной сетки, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Эти стали используются после термической обработки. Их обозначают буквой «У» и цифрой, где «У» означает углеродистую сталь, а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

Например: У7; У8; У10; У12.

Углеродистые конструкционные стали дополнительно принято различать по качеству:

- стали обыкновенного качества;

- качественные стали.

Конструкционные стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% серы и фосфора, в сталях качественных содержание этих элементов ограничено до 0,04% серы и 0,03% фосфора. Также в них ограничено содержание неметаллических включений и газов.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают сталь, цифры - условный номер стали в зависимости от содержания углерода и примесей. В конце обозначения стоят буквы «кп» - кипящая сталь; «пс» - полуспокойная сталь; «сп» - спокойная сталь.

Например: Ст1кп; Ст3пс; Ст3сп; Ст5сп; Ст6пс.

Конструкционные стали качественные поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Качественные углеродистые стали обозначаются двузначными числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Например: 10; 15; 35; 40; 50; 65.

По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на:

1. Низкоуглеродистые - до 0,25% С (обычно используются для неответственных деталей, для сварных конструкций).

2. Среднеуглеродистые - 0,3 - 0,5% С (конструкционные стали, работающие под воздействием внешних нагрузок, используются после т/о).

3. Высокоуглеродистые - до 0,65% С (пружинные стали, используются после т/о).

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

Распределение легирующих элементов в сталях.

1. Легированный феррит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_α. Формула: Fe_α (С, л.э.).

2. Легированный аустенит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_γ; Формула: Fe_γ (С, л.э.).

3. Легированный цементит – химическое соединение железа, легирующего элемента и углерода. Формула (Fe, л.э.)₃ С.

4. Специальные карбиды – соединения легирующих элементов с углеродом. Формула: МеС; Ме_nC_m; (Ме-Ме)С.

Карбиды могут образовывать не все легирующие элементы.

Не образуют карбиды: Co, Ni, Cu, Al, Zn.

Образуют карбиды: Cr, V, Ti, Mn, Mo, Nb, Zr, W.

5. Соединения с неметаллами – оксиды Ме-О; нитриды Ме-N.

6. Интерметаллидные соединения -соединения легирующих элементов друг с другом (Ме_nMe_m).

Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Основные легирующие элементы повышают твердость и прочностьферрита. Наиболее сильно повышают прочность феррита кремний, марганец и никель.

Большинство легирующих элементов снижают ударную вязкость, кроме никеля. При этом никель понижает порог хладноломкости, уменьшая склонность к хрупкому разрушению.

Хром повышает механические свойства конструкционных сталей, а также повышает специальные свойства сталей, например, устойчивость против агрессивных сред. Хром вводят в легированные стали в количестве от 2 до 25%.

Никель и хром являются важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

Марганец и кремний повышают предел текучести стали.

Молибден и вольфрам являются сильными карбидообразующими элементами, поэтому они образуют карбиды и легированный цементит. Они способствуют измельчению зерна, повышают прочность ижаропрочность.

Для измельчения зерна также вводят ванадий и титан, но содержание этих элементов ограничивается (до 0,3 – 0,5%), так как эти элементы образуют карбиды по границам зерен, которые могут способствовать хрупкому разрушению.

Влияние легирующих элементов на превращения в сталях.

1. Влияние на критические температуры железа А₃ и А₄. При этом увеличивается вероятность образования в структуре сталей либо составляющей феррита, либо составляющей аустенита. В легированных сталях в отличии от углеродистых сталей аустенит может образоваться при комнатной температуре.

-- элементы расширяющие α-область.

Они понижают температуру А₄ и повышают температуру А₃.

К ним относятся Cr, Si, Al, V, W, Mo и другие. При этом в сталях образуется структура легированного феррита.

-- элементы расширяющие γ-область.

Они повышают температуру А₄ и понижают температуру А₃.

К ним относятся Ni, Mn, Co, N. При этом в сталях образуется структура аустенита. Такие стали, как правило, обладают специальными свойствами, такими как жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Дата добавления: 2014-01-04