Сплавы железа с углеродом

Сплавы железа с углеродом являются основой так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, кото­рые служат важнейшими конструкционными материа­лами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят прежде всего от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодей­ствия.

Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; тугоплавкий. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации, a и g.

При температурах ниже 910°С железо имеет объем­но-центрированную кубическую решетку. Эту модифи­кацию называют a-железо; a-железо магнитно до тем­пературы 768°С (точка Кюри).

При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при 910°С превращается в гранецентрированную кубическую решетку, a-железо превраща­ется в g железо; g-железо существует при температуре 910-1392°С.

Углерод является неметаллическим элементом. Тем­пература плавления углерода 3500°С. Углерод в приро­де может существовать в двух полиморфных модифика­циях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде уг­лерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом со­стояниях, может образовывать химическое соедине­ние — цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода и других элементов в a-железе. Имеет объемно-центриро­ванную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатыва­ется давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А) — твердый раствор углерода и других элементов в g-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14 % при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей су­ществования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

Цементит (Ц) — химическое соединение железа с уг­леродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержит­ся 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решет­ку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоугле­родистых сплавов. Цементит неустойчив и в определен­ных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции: Fe₃C > 3Fe + С.

Чем больше цементита в железоуглеродистом cплаве, тем выше его твердость.

Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влия­ет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при пере­кристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а пер­лит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочно­стью, твердостью и повышает механические свойства сплава.

Ледебурит — механическая смесь аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в резуль­тате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

Диаграмма состояния железо — цементит представ­лена в упрощенном виде на рис. 14. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых спла­вов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода).

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аус­тенит), химических соеденений

(в упрощенном виде): А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит,

Ф.— феррит, Ц — цементит

Жидкий сплав (Ж. С.) существует выше линии ликви­дус ACD. Цементит Fe₃C (Ц) — вертикальная линия DFKL. Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (А) — AESG.

На диаграмме точка А (1539°С) соответствует темпе­ратуре плавления железа, а точка D (1600°С) — темпе­ратуре плавления цементита. Точка С (911 °С) — темпе­ратура полиморфного превращения железа a g.

Точка С соответствует предельному содержанию уг­лерода в аустените (2,14 % при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аус­тените уменьшается по линии ES. В точке S она состав­ляет 0,8 % при 727°С.

Точка Р — предельное содержание углерода в ферри­те 0,02 % при 727°С. При охлаждении до комнатной тем­пературы растворимость углерода в феррите уменьша­ется по линии PQ до 0,005 %.

При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется с образованием эвтек­тики (механической смеси двух фаз аустенита и цемен­тита). При этом образуется структура ледебурита. Точка С на диаграмме — точка эвтектики, линия ECF— линия кристаллизации эвтектики.

При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % углерода, распадается на две фазы — цементит и фер­рит, т. е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S — точка эвтектоида, линия PSK — ли­ния эвтектоидного превращения.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.

Сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, кристаллизуют­ся в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затверде­вания сплавы имеют однофазную структуру — аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содер­жащих от 2,14 до 4,3 % С, из жидкой фазы при темпе­ратурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3 % С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердевания доэвтектические спла­вы состоят из аустенита и ледебурита.

В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С, с понижением температуры до линии ликви­дус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебури­та. После затвердевания заэвтектические чугуны состо­ят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.

Эвтектический сплав (4,3 % C) кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтек­тики — ледебурита (А + Fe₃C).

После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с из­менением растворимости углерода в аустените и в фер­рите с понижением температуры.

Сплавы, содержащие до 0,02 % С (точка Р), испыты­вают при охлаждении и при нагреве полиморфное пре­вращение a g между линиями GOS и GP. Ниже ли­нии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в фер­рите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).

Сплавы, содержащие 0,02—0,8 % С, называют доэвтектоидными. Эти стали после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начи­нают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.

В эвтектоидном сплаве (0,8 % С) при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

При охлаждении заэвтектоидных сплавов (от 0,8 до 2,14 % С) до температур, соответствующих линии SE, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.

В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структу­ра доэвтектических сплавов после окончательного ох­лаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Эвтектический сплав (4,3 % С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + це­ментит).

Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

При температурах ниже 727° С железоуглеродистые спла­вы имеют различную структуру, но фазовый состав их оди­наков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.

24,25

Все сплавы, содержащие до 2,14%С, после окончания кристаллизации имеют структуру аустенита. В сплавах, содержащих до 0,1 % С (до точки Н), при охлаждении вначале происходит кристаллизация Fе_δ (С) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1—0,5 % С (до точки В), образование аустенита происходит по линии HJВ при 1499 °С по перитектической реакции Ж_B + Ф_H ↔ А_J. Поэтому часто пользуются более упрощенной диаграммой Fе—Fе₃С, где линия солидуса АHJЕ представлена в виде простой линии АЕ (рис. 91).

На рис. 91 изображена левая часть диаграммы Fе—Fе₃С.

Сплав I содержит меньше 0,02% С, т. е. расположен левее точки Р. Он представляет собой технически чистое железо.

Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве I не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается.

В точке 3 начинается перестройка решетки аустенита (г. ц. к.) в решетку феррита (о. ц. к.) с изменением содержания углерода в обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GOS, а состав феррита - по линии GМР *. В точке 4 это превращение заканчивается и до точки 5 происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже точки 5 сплав находится в области двухфазного состояния Ф + Ц. Линия РG — линия переменной растворимости углерода в решетке феррита. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fе₃С, т. е. цементит. Чтобы отметить осо­бенности выделения цементита в сталях, содержащих углерода менее 0,02 %, его обозначают Ц _III, т. е. цементит третичный. При обычном охлаждении Ц _III выделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. Если охлаждение проводить медленно, то Ц _III будет выделяться по границам зерен феррита.

Кривая охлаждения сплава II (рис. 91) типична для всех сплавов, содержащих от 0,02 до 0,8% С, разница - только в температурах критических точек. Образование кристаллов аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса АС, а состав аустенита - по линии солидуса АЕ. В точке 3 начинается превращение аустенита в феррит, которое протекает до точки 4. Состав аустенита изменяется по линии GOS, состав феррита - по линии GМР. В точке 4 при 727^оС происходит эвтектоидное превращение.

Чем больше в стали углерода, т. е. чем ближе располагается сплав к точке 5, тем большее время необходимо для этого превращения (отрезок 4-4' на кривой охлаждения будет больше) и в структуре сплава будет больше перлита. После охлаждения структура таких сплавов состоит из Ф+ П.

Сплав III содержит 0,8 % С, т. е. по составу отвечает точке эвтектоидного превращения 5. При его охлаждении до 727 °С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727 °С весь аустенит превратится в перлит,

Сплав IV (рис. 91) содержит углерода больше 0,8 %, но меньше 2,14 %, т. е. он располагается между точками S и Е. До точки 3 кристаллизация этого сплава протекает так же, как и сплавов I и II. При температурах от точки 3 до точки 4 изменяется содержание углерода в аустените по линии ES. Точка Е соответствует максимальной растворимости углерода в аустените, т. е. 2,14 %, а точка 5 - минимальной; 0,8 % С. Избыточный углерод по мере понижения температуры выделяется из решетки аустенита и образует с железом так называемый вторичный цементит, который обозначают Ц_II.

При 727°С (точка 4) происходит эвтектоидное превращение. Таким образом, после окончательного охлаждения сплав будет иметь структуру П + Ц _II. По сравнению с Ц _III выделение Ц _II происходит при более высоких температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому Ц _II образуется по границам зерен в виде сетки.

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % является наличие в их структуре ледебурита (рис. 93).

Кривая охлаждения сплава V типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % углерода (т. е. расположенных от точки Е до точки С). Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса от точки а до точки Е, а состав жидкой фазы — от точки 1 до точки С. При 1147 °С (точка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение

Ж_C ↔ эвтектика (А_E + Ц_F)

При температурах между линиями ЕСF и РSК сплав имеет структуру А + Л (А + Ц) + Ц_II. И в этих сплавах образуется Ц_II, так как при охлаждении состав аустенита также будет изменяться по линии GS.

При 727 °С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение А_S ↔ эвтектоид(Ф_Р + Ц_K) и ниже этой температуры сплав будет иметь структуру П + Л (П + Ц) + Ц_II. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

При охлаждении сплава VI (4,3 % С) при температуре 1147^оС (точка С) вся жидкость превращается в ледебурит, который с понижением температуры испытывает превращения, аналогичные сплаву V.

В сплавах, содержащих углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав VII), в точке 1 начинается образование кристаллов цементита. Чтобы отметить характер выделения, такой цементит называют первичным и обозначают Ц_I. Поскольку при кристаллизации Ц_I выделяется из жидкой фазы, его кристаллы обычно бывают крупными (грубые выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превращение. Структура сплава между линиями ЕСF и РSК Ц_I + Л (А + Ц), При 727^оС происходит эвтектоидное превращение аустенита. Окончательная структура сплава (ниже 727°С) Ц_I + Л (П + Ц). Химические и физические свойства Ц_I, Ц_II и Ц_III одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

Стали.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Это приводит к уменьшению пластичности, к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (для изготовления отливок используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей.

В углеродистых сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,5 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке в холодном состоянии.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,05 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

Хладноломкость Ст3кп – 0^оС, а у Ст3сп – «-40^оС», поэтому применение кипящей стали для северных районов не допустимо.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера нерастворима в железе, она образует с ним химическое соединение – сульфид железа FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fе + FеS) с температурой плавления 988^oС. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 °С эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами, сталь становится хрупкой. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости (повышение хрупкости при высоких температурах).

Для уменьшения вредного влияния серы добавляют марганец (соединение MnS имеет t_пл=1620^оС, пластично и не вызывает красноломкости).

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность (δ и ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета. Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле. Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 , лучше в вакууме мм рт.ст. Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Случайные примеси - случайно попадают в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель). Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

4. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для изменения ее строения и получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более.

При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1—0,5 % стали считают легированными этими элементами.

Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств — прочности, пластичности и т. д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.