Концентрация углерода в доэвтектоидных сталях

Обновлено: 15.05.2024

К сплавам железа с углеродом относятся техническое железо, стали и чугуны. Техническое железо может содержать от 0,006 до 0,02 % углерода. К сталямотносятся сплавы с содержанием угле-рода от 0,02 до 2,14 %. Сплавы с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % называются чугунами.

Различают диаграммы состояния «железо-графит» (Fe–C) и «железо-цементит» (Fe–Fe3C).

При нагреве до 911 ºС железо имеет ОЦК решётку и такое железо называется α–железо (Feα). Железо с ГЦК решёткой устойчиво до 1392 ºС и оно называется γ – железо или Feγ.

Жидкая фаза(Ж) представляет собой неограниченный раствор углерода в железе в расплавленном состоянии.

Феррит(Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α–и δ–же-лезе.

Аустенит(A)–твердый раствор внедрения углерода в γ–железе. Он имеет (как и Feγ) ГЦК решетку, межатомные поры в которой больше, чем в ОЦК решетке.

Цементит(Ц) является химическим соединением железа с углеродом Fe3C, содержит 6,67 % C. Для цементита характерна высокая твердость (800 HBW) и очень низкая пластичность (хрупок).

Из этого следует, что цементит в сплавах железа с углеродом повы-шает их твердость, но уменьшает вязкость и пластичность.

Система «железо-цементит» считается не стабильной, так как карбид железа Fe3C при нагреве распадается с образованием свобод-ного углерода – графита. Диаграмма состояния «железо-цементит» представлена на рис. 4.1. По такой диаграмме кристаллизуются стали и белые чугуны.


Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы «железо-цементит» (Fe-Fe3C)

Особенностью данной диаграммы является то, что по оси абсцисс откладывается содержание углерода от 0 до 6, 67 % и цементита Fe3C от 0 до 100 %. Характерные точки диаграммы состояния приведены в табл. 4.1.

Характерные точки диаграммы «железо-цементит»

Обозна- чение Координаты точки Примечания
t, °С C, % Fe3C, %
А Температура кристаллизации (плавле-ния) чистого железа
D 6,67 Температура кристаллизации (распада) цементита
N Температура полиморфного превращения железа Feδ Feγ
E 2,14 32,1 Предельная растворимость углерода в аустените (граница между сталями и чугунами) при 1147 °С
C 4,3 64,5 Эвтектическая точка сплава, где идётпревращение Ж↔Л (А + Ц)
G Температура полиморфного превраще-ния железа: Feα Feγ
P 0,02 0,3 Предельная растворимость углерода в феррите при 727 °С
S 0,8 12,0 Предельная растворимость углерода в аустените при 727 °С; эвтектоидная точка сплава: А↔П (Ф + Ц)
Q 0,006 0,09 Предельная растворимость (концентра-ция) углерода в феррите при 20 °С

В сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % углерода, по линии CD начинают выделяться кристаллы цементита. Так как цементит выделяется из жидкого сплава, его называют первичным (ЦI). При температуре 1147 °С, соответствующей линии ECF, происходит эвтектическое превращение, при котором жидкий раствор состава, соответствующего точке С (4,3 % углерода) кристаллизуется с одновременным образованием двух фаз: аустенита состава точки Е (2,14 % углерода) и цементита, содержащего 6,67 % углерода:ЖС ↔АЕ + ЦF. Полученная смесь двух фаз называется ледебуритом Л(А+Ц). Сплав, соответствующий 4,3 % углерода называют эвтектческим. Чугун, содержащий менее 4,3 % углерода, называют доэвтектическим, более 4,3 % углерода – заэвтектическим.

Линия PSK называется эвтектоидной. При температурах ниже линии РQ начинается выделение углерода из феррита, обусловленное снижением раство-римости углерода в феррите при понижении температуры. Выделив-шийся углерод взаимодействует с основой (железом) сплава и обра-зуется цементит третичный (ЦIII).

Структурная классификация железоуглеродистых сплавов

Содерж.С,% Название сплава Структура Применение сплавов
< 0,006 Чистое железо Ф Ограниченное применение
0,006… 0,02 Техническое железо Ф+ЦIII Сердечники трансфор- маторов
0,02…0,8 Доэвтектоидная сталь Ф+П Детали машин и конст-рукций
0,8 Эвтектоидная сталь П Режущий и мерительный инструмент
0,8…2,14 Заэвтектоидная сталь П+ЦII Режущий и мерительный инструмент
2,14… 4,3 Доэвтектический белый чугун П+ЦII+Л Детали машин с высокой износоустойчивостью, получаемые литьем
4,3 Эвтектический белый чугун ледебурит Л (П+Ц)
4,3…6,67 Заэвтектический белый чугун Л+ ЦI
Примечание:сокращения: Ф = Feα– феррит; П = (Ф+Ц)– перлит; ЦI, ЦII, ЦIII–цементит (первичный, вторичный, третичный); Л = (П+Ц)– ледебурит.

Из таблицы следует, что в зависимости от содержания углерода при комнатной температуре стали имеют следующие структурные составляющие: феррит, перлит, цементит.

Структура чистого железа – феррит (рис. 4.2, а), техническо-го железа –ферритные зёрна, по границам которых видны частицы третичного цементита ЦIII (рис. 4.2, б).


Рис. 4.2. Микроструктура технического железа (0,01 % С): а – ферритные зёрна, х100; б– по границам ферритных зёрен видны частицы ЦIII, х300; в– схема микроструктуры

Доэвтектоидные сталиимеют феррито–перлитную структуру (рис. 4.3): светлые зерна представляют собой феррит, а темные – перлит.


Рис. 4.3. Микроструктура доэвтектоидной стали с содержанием углерода, х250: а – 0,1 %; б–0, 3 %; в– схема микроструктуры

Эвтектоидная сталь имеет полосчатую структуру перлита (рис. 4.4), которая хорошо просматривается при увеличениях более х450.


а б 		Рис. 4.4. Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 % С): а – фотография, х500; б – схема микроструктуры

Структура заэвтектоидной стали– перлит с сеткой вторичного цементита по границам зерен (рис. 4.5). Чем больше содержание углерода от 0,8 %, тем толще становится сетка цементита.


Рис. 4.5. Микроструктура заэвтектоидной стали (1,2 % С):

а – фотография, х300; б- схема микроструктуры

Определение содержания углерода и марки сталей

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

где Fn – площадь, занятая в структуре перлитом, %;
0,8 – процентное содержание углерода в перлите.

Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то содержание углерода будет

При определении содержания углерода в заэвтектоидной стали необходимо учитывать его содержание не только в перлите, но и в цементите. Содержание углерода в заэвтектоидной стали вычис-ляется по формуле:

где (100–Fп) – площадь, занятая цементитом, %.

Увеличение содержания углерода в структуре доэвтектоидных сталей приводит к повышению количества твёрдого и хрупкого цементита, а количество мягкого, пластичного феррита уменьша-ется. Поэтому с увеличением количества твёрдых частиц цементита повышается прочность σв, твёрдость НВ (рис. 4.6), и одновременно снижается пластичность (δ, ψ) и ударная вязкость (КСV) сталей.


 Рис. 4.6. Зависи-мость механических свойств стали от со-держания углерода горячекатаных прут-ков, без термообра-ботки: НВ – твёрдость; σв–предел прочно-сти; δ–относительное удлинение; ψ–относительное сужение; КСV – ударная вяз-кость

Кроме углерода в сталях всегда присутствуют постоянные примеси. К ним относятся: 1) марганец и кремний. Они вводятся при разливке стали для её раскисления (удаления кислорода); 2) вредные примеси – сера и фосфор, которые поступают в сталь из руды и топлива при её выплавке.

Наличие серы приводит к образованию легкоплавкой эвтектики Fe+FeS. Она при горячей обработки давле-нием, при температурах ~ 988 ºС, расплавляясь образует жидкую фазу и вызывает хрупкость в стали. Это явление называется крас-ноломкостью.

Образование фосфидов (соединений фосфора с металлами) или образование твёрдого раствора фосфора в железе способствует рез-кому снижению пластичности при пониженных температурах и появлению хладноломкости.

Стали конструкционные обыкновенного качества.Они по степени раскисления и характеру затвердевания классифицируются на стали спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп).Обозна-чают их буквами Ст и цифрами от 0 до 6: Ст0; Ст1…Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависи-мости от её химического состава, буквы около цифры «кп», «пс», «сп» показывают степень раскисления (например, Ст1кп, Ст5сп). Сталь Ст0 по степени раскисления не различают. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1…Ст6, кипящими - Ст1…Ст4.

Качественные конструкционные стали маркируютсяпо ГОСТ 1050-2006 записью «Сталь» и числами 08, 10, 15,…, 60.

Высококачественными выплавляют инструментальные и ле-гированные стали, в конце маркировки они имеют букву А.

Особо высококачественными выплавляются электрошлако-вым переплавом стали специального назначения, в конце маркиров-ки ставится через тире буква Ш: сталь 15Х7Н2Т-Ш, 45ХНЗМФ-Ш.

Инструментальные углеродистые стали содержат 0,65…1,2 %углерода и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали содержат меньшее количество вредных примесей и они делятся на качественные и высококачественные. Марки качест-венной стали по ГОСТ 1435-99 следующие: У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12

Углеродистой стали в равновесном состоянии

- установление зависимости между структурой и свойствами стали.

Под равновесным понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Это имеет место только при очень малых скоростях охлаждения (нагрева). Равновесное состояние соответст­вует минимальному значению свободной энергии и не подвергается са­мопроизвольному изменению во времени. Поэтому оно называется ста­бильным.

Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой «железо-цементит», представленной на рисунке 8.1.

Рисунок 8.1 – Диаграмма «железо-цементит»

В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеющем объемноцентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» существуют две области феррита – высокотемпературная область АNН и низкотемпературная область GPQ. Максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10 % – точка Н, в низкотемпературной области 0,02 % – точка Р. Содержание углерода при комнатной температуре – 0,01 %. Феррит мягок и пластичен (sВ = 200 – 300 МПа, d = 20–50 %, 80 – 100 НВ).

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. На диаграмме «железо-цементит» аустенит занимает область NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % – точка Е. По механическим свойствам аустенит близок к ферриту. Горячую обработку давлением проводят в области существования аустенита (однофазный твердый раствор характеризуется высокой пластичностью).

Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа, химическая формула которого Fe3С. Содержание углерода в цементите равна 6,67 %. Цементит обладает высокой твердостью (» 800 HV) и хрупкостью. Он имеет сложную ромбическую решетку. Она состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены под некоторыми углами друг к другу.

Кристаллизация сплавов, содержание углерода в которых меньше 0,5 % (точка В), начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. При содержании углерода больше 0,5 % стали кристаллизуются с выделением аустенита.

Сплавы, содержащие углерод от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В), претерпевают при температуре 1499 o C (линия НJB) перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке В (0,5 % С), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита концентрации точки Н (0,1 % С), образует новую фазу – кристаллы аустенита концентрации точки J (0,16 % С):

При дальнейшем снижении температуры в сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,16 % феррит, оставшийся после перитектического превращения, перекристаллизовывается в аустенит. В сталях с содержанием углерода больше 0,16 % оставшаяся жидкость затвердевает с образованием аустенита. Ниже линий NJ и JE сплавы имеют однородную аустенитную струк­туру.

Все сплавы с содержанием углерода более 0,02 % (точка Р) при температуре 727 o С (линия PSK) претерпевают эвтектоидное превращение. При эвтектоидном превращении аустенит, имеющий при этой температуре концентрацию углерода, соответствующую точке S (0,8 % С), распадается с образованием эвтектоидной смеси – перлита (феррита состава точки Р (0,02 % С) и цементита):

Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся в ре­зультате эвтектоидного распада аустенита называется перлитом.

В сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % (точка S) эвтек­тоидному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, которое протекает в интервале температур, ограниченных линиями GS и РS. При этом в оставшемся аустените концентрация углерода изменяется по линии GS. В сплавах с содержанием углерода более 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита цементита. Выделение цементита протекает в интервале температур, ограниченных линиями ES и SK. В этом случае концентрация углерода в оставшемся аустените изменяется по линии ES.

Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: техническое железо, стали, чугуны.

Техническое железо – это сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (точка Р). Как следует из диаграммы «железо-цементит», тех­ническое железо имеет структуру феррита или феррита и цементита третичного, который в виде отдельных мелких включений располагается по границам зерен феррита (рисунок 8.2, а). Третичный цементит выделяется из феррита в результате снижения растворимости углерода при уменьшении температуры от эвтектоидной (727 о С) до комнатной. Предельная растворимость углерода в феррите ограничивается линией GPQ. По свойствам техническое железо подобно ферриту.

Стали – это сплавы с содержанием углерода от 0,02 % (точка Р) до 2,14 % (точка Е). В структуре стали по мере увеличения содержания углерода возрастает доля цементита и соответственно уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали и снижению ее пластичности, изменению физических и технологических свойств. В зависимости от содержания углерода стали по своей структуре делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % углерода (точка Р) до 0,8 % углерода (точка S). Она имеет структуру феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 8.2, б, в). Количественное соотношение между перлитом и ферритом зависит от содержания углерода. С увеличением содержания углерода прямо пропорционально увеличивается содержание перлита. При концентрации углерода в стали 0,8 % количество перлита равно 100 %. Зная площадь, занимаемую перлитом, с достаточной для практики точностью можно определить содержание углерода в углеродистой стали:

где А – площадь, занимаемая перлитом.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода (точка S) и состоит из перлита (рисунок 8.2, г).






Рисунок 8.2 – Микроструктура технического железа (а), доэвтектоидных сталей с содержанием углерода 0,20 % (б) и 0,45 % (в), эвтектоидной (г) и заэвтектоидной (д) сталей

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % углерода (точка S) до 2,14 % углерода (точка Е). Заэвтектоидная сталь состоит из перлита и цементита (рисунок 8.2, д).

Таким образом, структура, а следовательно, и свойства стали определяются количеством углерода в ней. Доэвтектоидные стали, содержащие до 0,8 % углерода, являются конструкционными, предназначенными для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали). В значительной мере свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и область их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество.

Стали обыкновенного качества, наиболее дешевые, являются конструкционными сталями общего назначения и содержат до 0,07 % фосфора, 0,06 % серы, 0,06–0,49 % углерода. По гарантируемым свойствам они подразделяются на три группы – А, Б, В. В сталях группы А – гарантируются механические свойства, группы Б – химический состав; в сталях группы В гарантируются механические свойства и химический состав.

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2, . 6, например, Ст1. В сталях группы Б перед буквами Ст ставится буква Б, например, БСт2. В сталях группы В перед буквами Ст ставится буква В, например, ВСт3. С увеличением условного номера повышается содержание углерода в стали, что приводит к увеличению прочностных свойств, к снижению пластичности и свариваемости.

Стали группы А применяются для изготовления рядового проката (швеллеров, уголков, листов, прутков, труб и др.) используемого для клепанных и болтовых конструкций, а также для малонагруженных деталей машин (валов, осей, зубчатых колес, болтов и т. д.) не подвергаемых нагреву в процессе обработки. Стали группы Б применяются для изготовления изделий, подвергаемых нагреву (горячей обработке давлением, сварке, термической обработке). Стали группы В применяются для изготовления сварных конструкций, подвергаемых расчетам на прочность.

В конце марки стали ставятся буквы «кп», «пс», «сп». Буквы «кп» показывают, что сталь кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная.

Качественная конструкционная сталь по сравнению со сталью об­щего назначения содержит вдвое меньше серы и фосфора и отличается более высокими механическими свойствами. Она маркируется цифрами, например, 08, 10, … 80, показывающими содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали, содержащие углерода до 0,25 %, обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью и применяются для изготовления изделий листовой холодной штамповкой (05 кп…10), а также для деталей, упрочняемых цементацией, и для различных сварных соединений (Сталь 15, Сталь 20). Кроме того, из последних сталей изготавливают болты, шпильки, гайки, валики неответственного назначения и т. п.

Среднеуглеродистые стали марок 30-50 предназначаются для ответственных деталей высокой прочности с вязкой сердцевиной (зубчатые колеса, шатуны, коленчатые валы, распределительные валы, винты, оси, втулки, рычаги и др.). Как правило, детали из этих сталей подвергаются улучшению (вид термической обработки).

Высокоуглеродистые стали 55-85 применяются для пружин, рессор, а также деталей высокой прочности: прокатных валков (сталь 60), крановых колес (сталь 75), дисков муфт сцепления (сталь 85) и др. Детали из этих сталей подвергаются закалке и отпуску (виды термической обработки).

Для изготовления различных инструментов применяется углеродистая инструментальная сталь, содержащая углерода от 0,7 до 1,3 %. Она имеет пониженное содержание вредных примесей: фосфора – до 0,035 % и серы – до 0,03 % (качественная сталь) или фосфора – до 0,03 % и серы – до 0,02 % (высококачественная). Эта сталь производится следующих марок: У7 - У13 (качественная) или У7А - У13А (высококачественная). Здесь «У» означает «углеродистая инструментальная сталь», число после «У» - содержание углерода в десятых доля процента (например, У12 содержит углерода 1,2 %). Буква «А» в конце марки означает – высококачественная сталь.

Стали марок У7 и У8 вязче других, так как не имеют в структуре цементита, и они идут на изготовление ударных инструментов – молотков, зубил, топоров, кернеров, стамесок, долот, штампов и т. д.

Стали У10 и У11 имеют несколько меньшую вязкость и немного большую твердость (т.к. в их структуре содержится небольшой количество цементита) и используются для изготовления резцов, сверл, метчиков, лерок.

Стали У12 и У13 обладают низкой вязкостью и высокой твердостью и используются для изготовления инструмента, не испытывающего ударных нагрузок (напильников, бритв, рашпилей и т. п.).

Контрольные вопросы

1. Описать превращения, протекающие в сталях при нагреве или охлаждении, указать их температуры.

2. Дать определение фазам, присутствующим в сталях и указать содержание углерода в них.

3. Дать классификацию углеродистых сталей по качеству, содержанию углерода и назначению.

4. Изучить маркировку сталей и указать области применения перечисленных сталей:

Диаграмма состояний железо-углерод

Наличие двух высокоуглеродистых фаз (графита и цементита) приводит к появлению двух диаграмм состояний: метастабильной – железо-цементит и стабильной – железо-графит. Свободная энергия цементита всегда больше, чем свободная энергия графита.

Кристаллические структуры цементита и аустенита близки, тогда как кристаллические структуры аустенита и графита существенно различны. По составу аустенит и цементит ближе друг к другу и составу жидкой фазы, чем аустенит и графит (аустенит содержит до 2,14 %С, цементит – 6,67 %С, графит – 100 %C. Поэтому образование цементита из жидкости или из аустенита происходит легче, работа образования зародыша, как и необходимые диффузионные изменения, меньше в случае кристаллизации цементита, чем при кристаллизации графита, несмотря на меньший выигрыш свободной энергии.

Диаграмма состояний железо-цементит приведена на рис.3.1.

Линии диаграммы: АВСВD (линия ликвидус – соответствует температурам начала кристаллизации) и AHJECF (линия солидус – соответствует температурам конца кристаллизации) характеризуют начало и конец первичной кристаллизации, происходящей при затвердевании жидкой фазы. Линии ES и PQ показывают предельную растворимость углерода соответственно в аустените и феррите. При понижении температуры растворимость уменьшается и избыток углерода выделяется в виде цементита.


Рис, 3.1. Диаграмма состояний железо-цементит (Fe – Fe3C)

Цементит, выделяющийся из жидкого сплава, принято называть первичным, из аустенита – вторичным, из феррита – третичным.

Три горизонтальные линии HJВ, ЕСF и PSK указывают на протекание трех превращений при постоянной температуре. При 1499 о С (горизонталь HJВ) происходит перитектическая реакция LB + ФН®АJ, в результате которой образуется аустенит.

При 1147 о С (горизонталь ЕСF)протекает эвтектическая реакция LС ®АС + Ц (жидкость, состав которой соответствует точке С превращается в эвтектическую смесь аустенита, состав которого соответствует точке Е, и цементита. Эта эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебурит.

При 727 о С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция A → ФР +Ц(в отличие от эвтектики, образующейся из жидкости, эвтектоидная смесь получается в результате распада твердого раствора). Продукт превращения – эвтектоидная смесь феррита и цементита, называемая перлитом. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. После специальной термической обработки перлит может иметь зернистое строение.

Однофазные области диаграммы Fe - Fe3C: жидкий расплав (L) – выше линии АВСD, феррит (Ф) – области ANH и GPQ, аустенит (А) – область JESGN и цементит (Ц) – при содержании 6,67 % С.

Двухфазные области диаграммы: AHB – в равновесии находится жидкий расплав и кристаллы δ -феррита, NHJ –в равновесии кристаллы δ -феррита и аустенита, JECB – в равновесии жидкий расплав и кристаллы аустенита, CDF – в равновесии жидкий расплав и кристаллы цементита, SECFK – в равновесии кристаллы аустенита и цементита, GSP –вравновесии кристаллы аустенита и α -феррита, QPSKL – в равновесии кристаллы α - феррита и цементита.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% С, называют техническим железом.

Сплавы железа с углеродом при содержании углерода от 0,02 до 2,14% носят название сталей (от 0,02 до 0,8% – доэвтектоидные стали, от 0,8 до 2,14 % – заэвтектоидные стали).

Сплавы железа с углеродом , содержащие от 2,14 до 6,67 % С называются чугунами (от 2,14 до 4,3 % С – доэвтектические, от 4,3 до 6,67 % С – заэвтектические чугуны).

В двухфазных областях в любой точке можно определить коли­чество фаз и их концентрацию, используя правило отрезков. Например, определим химический состав и количество фаз для сплава системы железо-цементит в точке а, находящейся в области GSP (рис.3.2).


Рис.3.2. Использование правила отрезков для анализа диаграммы

В этой области структурные составляющие – феррит и аустенит. Проведем горизонтальную линию через точку а до пересечения с линиями GP (точка b) и GS (точка с). Проекция точки b (b / ) указывает химический состав феррита, а проекция точки с (с / ) – состав аустенита. Весовое содержание аустенита а феррита

Рассмотрим кристаллизацию некоторых сплавов, содержащих различное количество углерода. При анализе кристаллизации доэвтектоидной стали проведем для примера расчет числа степеней свободы по формуле с = k – f +1, где с – число степеней свободы, k – количество компонентов, f – число фаз.

Кристаллизация доэвтектоидной стали, содержащей более 0,51 % С (рис. 3.3), начинается в точке 1, где в жидкой фазе зарождаются первые зерна аустенита, и заканчивается в точке 2. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус BС, а аустенита по линии солидус JE. Между точками 1 и 2 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – жидкость и аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. Между точками 2 и 3 идет охлаждение аустенита. Между точками 2 и 3 число степеней свободы с = 2 – 1 + 1 = 2 (два компонента – железо и углерод, одна фаза – аустенит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. В интервале от точки 3 до точки 4 происходит превращение: аустенит ® низкоуглеродистый феррит. При этом аустенит обогащается углеродом в соответствии с линией GS и в точке 4 концентрация углерода в нем достигает эвтектоидной – 0,8% С. Между точками 3 и 4 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – аустенит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение A → ФР +Ц – аустенита в мелкодисперсную смесь феррита и цементита, называемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избыточного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней свободы с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры. Конечная структура Ф + П +ЦIII (феррито-перлитная).

Количественное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше со­держание углерода, тем больше перлита).

Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис.3.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита – по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претерпевает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3-4 происходит выделение вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цементит выделяется по границе аустенитных зерен. Составаустенита изменяется согласно линии ES и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8% С. На линии SK (на кривой – площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже точки 4 из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита перлита, не оказывает заметное влияние на свойства. Поэтому при рассмотрении структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упоминают. Конечная структура П +ЦII +ЦIII – перлито-цементитная.
Рис.3.3. Сплав 1 (доэвтектоидная сталь) Рис.3.4. Сплав 2 (заэвтектоидная сталь)


Рис.3.6. Сплав 3 (доэвтектический чугун) Рис.3.7 Сплав 4 (заэвтектический чугун)

Доэвтектические чугуны (рис.3.5) начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого определяется линией JE , а жидкого расплава – линией ликвидус BС. В точке 2 содержание углерода в расплаве достигает 4,3% и при постоянной температуре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную смесь аустенита, содержащего 2,14%С, и цементита), называемой ледебуритом LC →АE+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При дальнейшем охлаждении (участок 2 - 3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соответствующий эвтектоидному. В точке 3 начи­нается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3 / ). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в состав ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Лвид (П+Ц) в отличие от ледебурита состава Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3 / до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизмененный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из-за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цементита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Лвид+ЦII, поэтому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис.3.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу – цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3% С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES . При достижении температуры 727 °С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит A → ФР +Ци образуется видоизмененный ледебурит. При дальнейшем охлаждении от точки 3 / до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид +ЦI +ЦII носит название ледебуритно-цементитного чугуна.

Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14% С, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей - ледебурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14% С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или це-ментитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизме-ненного ледебурита, цементита и, у доэвтектического чугуна, перлита.

Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, поэтому они легко деформируются при нормальных и повышенных температурах.

Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе более низкой температурой плавления и имеют меньшую усадку.

Доэвтектоидные стали

Покупателям металлургической продукции обязательно надо знать, что собой представляет доэвтектоидная сталь. Внимания заслуживают ее структура после полного отжига, микроструктура и марки, процедура закалки стали. Нужно также выяснить ее ключевые характеристики, в том числе и то, каково содержание углерода.



Что это и как изготавливают?

Термин «доэвтектоидная сталь» означает конкретное расположение стального сплава на специальной технологической диаграмме железоуглеродистых соединений. Это расположение будет левее, нежели у обычных эвтектоидных сплавов. Основная часть соединений образована ферритом и перлитом. При микроскопическом изучении отличить такие зерна не составляет труда. Светлые зерна представляют собой феррит, который почти не подвержен травлению.

Что немаловажно, такие зерна не только светлы, они еще и полигональны. Перлит же образован комбинацией феррита с цементитом. Соответственно, это вещество травится лучше, и при микроскопии всегда выглядит темнее чистого феррита. Содержание углерода прямо влияет на пропорцию темных и светлых зон.

Определить это просто: чем большее содержится количество углерода в процентном исчислении, тем меньше будет обнаруживаться феррит и тем больше в составе представлен перлит.


Такое простое обстоятельство позволяет обходиться в большинстве случаев без изощренного химического анализа. Если его и проводят, то он неизменно подтверждает оценки, данные при грамотной микроскопии. Но проблема в том, что такой подход приемлем только для отожженных или находящихся в нормализованном состоянии сплавов. После легирования металла сделать это нельзя, и тогда уже придется заниматься полноценным химическим анализом.

Структура доэвтектоидных сталей зависит от химического распада аустенита при понижении температуры. Потому температурная динамика этого процесса приобретает особое значение. Дисперсность сплава определяется уровнем переохлаждения (в металлургическом, конечно, смысле). Все доэвтектоидные стали характеризуются содержанием углерода не выше 0,8%. Технология производства мало отличается от выработки других черных сплавов.

Влияя на кривую охлаждения и подстраивая интенсивность прогрева, технологи научились добиваться точно предсказуемых результатов. Удается гарантированно управлять дисперсностью, задавая строго необходимые показатели конечного продукта. Даже с учетом последующего отжига содержание углерода очень важно удержать в нормативных пределах. Нельзя обойтись при производстве и без так называемой нормализации. Она подразумевает улучшение фракционного состава аустенита. Частицы феррита и перлита должны стать меньше, иначе о нормальных свойствах готового продукта речи не идет. Однако сам по себе процесс сложен, и за ним должны следить опытные специалисты.

При нарушении требований зерна могут начать увеличиваться. Тогда плавка фактически уходит в брак.



Структура

Как уже говорилось, доэвтектоидный сплав состоит из перлитных и ферритных участков. Но эта микроструктура сохраняется только до определенного момента. На каком-то этапе наступает фазовая перекристаллизация. В ходе этого процесса вместо перлита формируется аустенит, состоящий из мелких зерен. На следующем этапе повышения температуры чрезмерная часть феррита будет растворена в аустените. Если температура растет еще больше, аустенитному преобразованию подвергается и перлит. Иногда рост нагрева продолжается. В этом случае сначала остается чистый аустенит, а затем его качество начинает ухудшаться. Распухание зерен характерно для любых видов стали. Однако для каждого типа сплавов этот процесс течет неодинаково.

Закаленная доэвтектоидная сталь — достаточно часто встречающийся продукт. Конкретная температура закаливания подбирается с учетом химического состава металла. Существенное превышение нормального температурного показателя не допускается. В итоге такие сплавы после нормализации имеют преимущественно мартенситную структуру.

Такое строение гарантирует оптимальные твердость и прочность. После полного отжига сталь состоит из излишнего феррита и перлита.



Характеристики

Строение перлита крайне важно для оценки свойств продукта. Доэвтектоидная сталь наилучшим образом обрабатывается при структуре, основанной на феррит-пластинчатом перлите. Для сравнения: эвтектоидный и заэвтектоидный металл обработать проще, если структура образована зернистым перлитом. Если вместе с мартенситом после закалки остается небольшое количество перлита, то твердость сплава понижается, а после отпуска станут хуже его механические свойства.

По износостойкости он уступает заэвтектоидным соединениям. Проигрыш касается и такого немаловажного свойства, как твердость. Однако есть и преимущество — так называемая красностойкость или, если говорить более развернуто, устойчивость против отпуска при разогреве инструментов. В ходе изотермического преобразования аустенит будет выделять феррит. Для сравнения: в заэвтектоидных сплавах из него обособляется другой компонент (цементит). После неполного отжига можно улучшить обрабатываемость заготовок резанием, а после полного отжига особенно мелкозернистый металл может стать пластичнее.

Прошедший механическую обработку в горячем состоянии материал преимущественно состоит из мелких зерен. Профессионалы тогда говорят, что его микроструктура удовлетворительна, и потребности в отжиге почти нет. Но все же высокий отпуск для повышения практических свойств и уменьшения неоправданной твердости после форсированного охлаждения бывает необходим. Установлено, что высокотемпературный отпуск для доэвтектоидной стали лучше, чем полный отжиг. Он позволяет оптимизировать разрезаемость заготовок.

Прочность доэвтектоидного металла может довольно сильно отличаться. После закалки или отпуска при низких температурах она достигает максимума при концентрации кислорода в 0,6-0,7%. Отпуская металл при более высокой температуре, приходится мириться с меньшей твердостью и с падением прочностных показателей. Зато материал становится пластичнее и вязче, лучше переносит динамические нагрузки. Подобное обстоятельство позволяет изготавливать из подобного сырья инструмент для манипуляций с мягкими материалами, который чаще подвергается ударным нагрузкам, чем значительному давлению.



Маркировка

Свойства, как уже указано, зависят во многом от структурно-химического состава. Так, сплав на основе зернистого перлита имеет большую твердость, нежели тот, в чьем составе будет преобладать пластинчатый подтип. Но различия есть даже между отдельными марками материалов. Так, конструкционные углеродистые стали нормального качества обозначаются сочетанием символов «Ст». Вслед за ним идет цифра, соответствующая марочному номеру.

Чем выше номер, тем тверже и прочнее материал. Оборотной стороной этого момента оказывается падение пластичности. Самый гибкий вид стали отпускают на производство кровельного материала и крепежных метизов. Особо качественные виды сплава маркируют двузначным числом, показывающим концентрацию углерода в сотых долях процента.

Для инструментальных сталей характерно обозначение «У», дальше идет индекс десятых долей процента. А при особом качестве в конец записи добавляют букву «А».



Применение

Выше уже отмечалось, что доэвтектоидные ферритовые стали имеют чуть более низкую прочность, чем другие сплавы. Но это не мешает активно их использовать в различных случаях. Так, подобные материалы находят применение в машиностроительном производстве. В этом случае используют самые качественные марки стали. Их требуется тщательно обжигать и нормализовывать.

Доэвтектоидная сталь может иметь также низкое содержание феррита. В этом случае ее преимущественно применяют для изготовления строительных конструкций и элементов. Дешевизна таких марок материала позволяет заметно сэкономить. Причина проста — особая механическая прочность в этом случае не всегда нужна. Зато износостойкость и упругость будут вполне необходимы, что и делает целесообразным применение эвтектоидного типа сталей.



Обработка

Методика производства таких сплавов примерно совпадает с процессом производства иных черных металлов и сплавов. Ее осуществляют путем нагрева до определенных температур и последующих проработок. Однако есть свои особенности и нюансы. Главная тонкость — поддержание распада аустенита одновременно с охлаждением. Регулируя интенсивность прогрева и остужения, можно гибко влиять на дисперсность ключевых компонентов, что крайне серьезно отражается на складывании определенных параметров вещества.

Концентрация углерода, обуславливаемая перлитом, остается без всяких изменений. На нее не повлияет даже дальнейший отжиг. Может применяться сразу несколько вариантов отжига, вернее, выбор между ними остается на усмотрение технологов. При неполной методике аустенит греют интенсивно, пока его температура не достигнет критической точки. Далее переходят к охладительной нормализации.

В таком режиме обеспечивается эффективный распад аустенита на искомые вещества. При полном отжиге температура составляет от 700 до 800 градусов. В таких условиях резко активизируется распад феррита. Специалисты стремятся при этом еще и поддержать оптимальную скорость понижения температуры. Отрегулировать ее помогают манипуляции с дверцами рабочей камеры. Влиять на открытие и закрытие этой дверцы могут как действия технического персонала, так и автоматические программы работы современных изотермических печей. Неполный отжиг ведут, прогревая металл более чем до 800 градусов. Но в таком случае критично время высокотемпературной обработки. Устранить феррит полностью не получится.



Может возникнуть вопрос того, зачем прибегать к манипуляции, которая не повышает качество материала и будущих конструкций. Однако смысл в подобной работе вполне есть. Именно неполнота термообработки дает возможность сберечь мягкость структуры. Да, полученный продукт можно использовать не везде, где применяют иные углеродистые стали. Однако механическая обработка существенно улучшается и упрощается, что порадует многих мастеров. Дешевизна тоже является бонусом. На обжиге дело не заканчивается. Его сменяют такие процедуры, как нормализация и нагрев. При них металл может прогреваться до 1000 градусов и более. Однако суть в том, что нормализуются доэвтектоидные стали уже после окончания высокотемпературной фазы. Процесс идет при охлаждении в окружении спокойного воздуха.

Конечная точка — окончательное преобразование структуры материала. В ходе нормализации металл надо остужать быстрее, чем при отжиге. Иначе важное условие (уменьшение размеров зерен) будет недостижимо. Так или иначе, и отжигаемый, и нормализуемый сплав приобретают все более мелкозернистую структуру. Коренное отличие между этими обработками состоит в том, что нормализация повышает дисперсность, а перлит фактически сменяется сорбитом, имеющим более высокие прочностные показатели.

Они могут даже быть лучшими, чем у качественной отожженной стали. Максимальное повышение дисперсности сорбита достигается при начале охладительного процесса с более высоких температур. Но в определенный момент эта закономерность нарушается, и качество готового продукта падает. Учесть все подобные нюансы могут только подготовленные технологи.

Важно обратить внимание и на процедуру неполной закалки, которая заслуживает отдельного разговора.



При ней наиболее ответственной частью работы оказывается охлаждение. Если этот прием выполняется неправильно, вся долгая предыдущая работа во многом обесценивается. Чтобы аустенит стал мартенситом, скорость падения температуры должна быть больше критической. В противном случае мартенсит распадется на комбинацию бейнита, троостита и сорбита. Если сплав содержит легирующие добавки, то критичная скорость манипуляции понижается, мартенсит оказывается более стойким к распаду.

Однако нахождение дополнительных элементов в виде соединений, напротив, приводит к возникновению центров кристаллизации. Из-за них охладительный процесс заметно осложняется. В целом эвтектоидные стали имеют самую низкую критическую скорость среди других углеродистых сплавов. Но и тут есть отличия между марками, партиями с различным химическим составом. Остужать металл при содержании углерода свыше 0,3% можно преимущественно водой.

Такой метод более привлекателен, нежели использование спокойного воздуха и другие решения. Охлаждающую способность воды могут регулировать введением дополнительных компонентов. Подбор идеального охлаждающего агента на все случаи жизни невозможен, и технологи вынуждены соблюдать баланс. Прерывистая закалка в двух средах близка к оптимальному режиму, но провести ее грамотно могут лишь квалифицированные термисты. При ступенчатом закаливании мартенситное превращение происходит в воздушной среде.

Читайте также: