8875

Рис. 1.33. Диаграмма состояния Fe – Fe3C

В железоуглеродистых сплавах превращения в твердом состоянии характеризуют линии GSE, PSK, PQ.

Линия GS показывает начало превращения аустенита в феррит (при охлаждении). Следовательно, в области GSP имеется структура аустенит +

феррит. Критические точки, лежащие на линии GS обозначают А3; при нагреве их обозначают Ас3, а при охлаждении – Аr3. Линия SE показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в аустените уменьшается.

Так, при 1147°С в аустените может раствориться углерода 2,14 %, а при 727°С –

0,8 %. С понижением температуры в сталях с содержанием углерода от 0,8 до

2,14 % из аустенита выделяется избыточный углерод в виде цементита,

называемого вторичным.

Следовательно, ниже линии SE (до температуры 727°С) сталь имеет структуру: аустенит + цементит вторичный.

61

Критические точки, лежащие на линии SE, обозначаются Аст. В чугунах с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % при 1147°С, кроме ледебурита, есть аустенит, из которого при понижении температуры тоже выделяется вторичный цементит. Следовательно, ниже линии ЕС (до температуры 727°С) белый чугун имеет структуру: ледебурит + аустенит + цементит вторичный.

Линия PSK (727°С) – это линия эвтектоидного превращения. На этой линии во всех железоуглеродистых сплавах аустенит распадается, образуя структуру, представляющую собой механическую смесь феррита и цементита и называемую перлитом. Критические точки, лежащие на линии PSK,

обозначаются А1, при нагреве их обозначают Аc1, а при охлаждении – Аr1.

Рис. 1.34. Микроструктура стали: а – доэвтектоидная сталь, феррит

(светлые участки) и перлит (темные участки), Х 500;

б – эвтектоидная сталь, перлит, Х 1000; в – заэвтектоидная сталь, перлит и цементит (в виде сетки), Х 200

Ниже 727°С железоуглеродистые сплавы имеют следующие структуры.

Стали, содержащие углерода менее 0,8 %, имеют структуру феррит + перлит и называются доэвтектоидными сталями (рис. 1.34,а).

Сталь с содержанием углерода 0,8 % имеет структуру перлита и называется эвтектоидной сталью (рис. 1.34,б).

62

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14% имеют структуру перлит +

цементит (вторичный) и называются заэвтектоидными сталями (рис. 1.33,в).

Белые чугуны с содержанием углерода от 2,14 до 4,3 % имеют структуру перлит + вторичный цементит + ледебурит и называются доэвтектическими чугунами (рис. 1.35,а).

Белый чугун с содержанием углерода 4,3 % имеет структуру ледебурита и называется эвтектическим чугуном (рис. 1.35,б).

Белые чугуны с содержанием углерода от 4,3 до 6,67 % имеют структуру цементит первичный + ледебурит и называются заэвтектическими чугунами

(рис. 1.35,в).

Рис. 1.35. Микроструктура белого чугуна: а – доэвтектический чугун,

перлит (темные участки) и ледебурит (цементит вторичный в структуре не виден), Х 500; б – эвтектический чугун, ледебурит (темные участки – перлит,

светлые – цементит) Х 1000; в – заэвтектический чугун, цементит (светлые пластины) и ледебурит, Х 500

Линия PQ (рис. 1.33) показывает, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите уменьшается от 0,02 % при 727°С до 0,006 %

при комнатной температуре. При охлаждении ниже температуры 727°С из феррита выделяется избыточный углерод в виде цементита, называемого третичным. В большинстве сплавов железа с углеродом третичный цементит структурно не выявляется.

63

Рис. 1.36. Микроструктура низкоуглеродистой стали (по границам зерен феррита третичный цементит)

Однако в низкоуглеродистых сталях в условиях медленного охлаждения третичный цементит выделяется по границам зерен феррита (рис. 1.36),

уменьшая пластические свойства стали, особенно её способность к холодной штамповке.

Превращения, происходящие при нагреве и охлаждении сталей и чугунов

Сталь доэвтектоидная с содержанием 0,3 % углерода (рис. 1.37). При нагреве до Ac1 (727°С) превращений нет, и сталь имеет структуру перлит +

феррит. При Ас1 (727°С) происходит превращение перлита в аустенит и образуется структура аустенит + феррит. От Ас1 до Ас3 феррит превращается в аустенит. При Ас3 сталь имеет структуру аустенита.

От Ас3 до tc1 (температуры солидуса) сталь находится в твердом состоянии и имеет структуру аустенита. При температуре солидуса начинается плавление аустенита.

64

Рис. 1.37. Диаграмма состояния Fe – Fe3C (в упрощенном виде)

От температуры солидуса tc1 до температуры ликвидуса tл1 имеется аустенит + жидкий сплав. Выше tл1, сталь находится в жидком состоянии.

При охлаждении до температуры tл1 сталь находится в жидком состоянии.

При tл1 начинается кристаллизация аустенита. От tл1 до tс1 происходит кристаллизация аустенита, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл1 до Аr3 сталь имеет структуру аустенита. От Аr3 до Аr1 часть аустенита превращается в феррит, и сталь имеет структуру: аустенит + феррит. При Аr1

(727°С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь до полного охлаждения имеет структуру: перлит + феррит (рис. 1.34,а).

Сталь эвтектоидная с содержанием 0,8 % углерода (рис. 1.37). При нагреве до Ас1 (727°С) превращений нет, и сталь имеет перлитную структуру.

При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ac1 до начала плавления сталь имеет аустенитную структуру. При температуре солидуса (для этой стали tc2) начинается плавление аустенита. От tc2 до tл2 (температура ликвидуса) происходит плавление, и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл2 сталь находится полностью в жидком состоянии.

65

При охлаждении до tл2 сталь находится в жидком состоянии. При tл2

начинается кристаллизация аустенита. От tл2 до tс2 происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. От tл2 до Ar1 (727°С)

сталь состоит из аустенита. При Ar1 происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Ar1 сталь имеет структуру перлита (рис. 1.34,б).

Сталь заэвтектоидная с содержанием 1,2% углерода (рис. 1.37).

При нагреве до Ас1 (727°С) превращений нет, и сталь имеет структуру:

перлит + цементит вторичный. При Ас1 происходит превращение перлита в аустенит. От Ас1 до Аст (критическая точка, лежащая на линии SE) происходит растворение вторичного цементита в аустените. При Аст сталь имеет аустенитную структуру. От Аст до температуры солидуса tс3, лежащей на линии АЕ, сталь находится в аустенитном состоянии. При tс3 начинается плавление аустенита. В интервале от tс3 до tл3 сталь состоит из аустенита и жидкого сплава. Выше tл3 сталь полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл3 сталь находится в жидком состоянии. При tл3

(температура ликвидуса) начинается кристаллизация аустенита. От tл3 до tс3

происходит кристаллизация аустенита и сталь состоит из жидкого сплава и аустенита. При tс3 (температура солидуса) сталь полностью затвердевает, и

структура ее представляет аустенит. От tс3 до линии SE (температура Аст)

структура стали не изменяется. При Аст начинается выделение вторичного цементита.

От Аст до Аr1 (727°С) происходит выделение вторичного цементита и структура стали состоит из аустенита и вторичного цементита. При Аr1 (727°С)

аустенит превращается в перлит. Ниже Аr1 сталь имеет структуру: перлит +

цементит вторичный (рис. 1.34,в).

Превращения в чугунах. Доэвтектический чугун с содержанием 3,0 %

углерода (рис. 1.37). При нагреве до Ас1 превращений нет и чугун имеет структуру: ледебурит + перлит + вторичный цементит. При этом эвтектика состоит из цементита и перлита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Это превращение претерпевает как свободный перлит, так и перлит,

66

входящий в эвтектику. Выше Ас1 чугун состоит из аустенита, вторичного цементита и ледебурита. При этом эвтектика состоит из цементита и аустенита.

От Ac1 до tэ, (1147°С) происходит растворение вторичного цементита в аустените и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %.

При tэ плавится ледебурит. Выше tэ чугун состоит из аустенита и жидкого сплава. От tэ, до tл4 плавится аустенит. Выше tл4 чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tл4 чугун находится в жидком состоянии. При tл4

начинается кристаллизация аустенита. От tл4 до tэ (1147°С) происходит кристаллизация аустенита и при tэ чугун состоит из аустенита с содержанием

2,14 % углерода и жидкого сплава эвтектического состава (4,3 % углерода).

При tэ, происходит эвтектическая кристаллизация и образуется ледебурит,

состоящий из цементита и аустенита с содержанием углерода 2,14 %. От tэ

(1147°С) до Аr1 (727°С) из аустенита, как свободного, так и входящего в ледебурит, выделяется вторичный цементит и содержание углерода понижается до 0,8 %. Следовательно, в этом интервале температур чугун состоит из ледебурита, аустенита и вторичного цементита. При Аr1 (727°С) происходит превращение аустенита в перлит. Ниже Аr1 чугун состоит из ледебурита,

перлита и вторичного цементита (рис. 1.35,а).

Эвтектический чугун с содержанием 4,3 % углерода (рис. 1.37). При нагреве до Ас1 превращений нет и чугун имеет структуру ледебурит, состоящий из цементита, перлита и вторичного цементита. При Ac1 происходит превращение перлита в аустенит. Выше Ас1 чугун имеет структуру: ледебурит,

состоящий из цементита, аустенита и вторичного цементита. От Ас1 до tэ

происходит растворение вторичного цементита и аустенит насыщается углеродом до 2,14 %. При tэ чугун полностью расплавляется. Выше tэ чугун находится полностью в жидком состоянии.

При охлаждении до tэ (1147°С) чугун находится в жидком состоянии.

При tэ (1147°С) чугун полностью затвердевает и образуется структура – ледебурит, состоящий из аустенита, содержащего 2,14 % углерода и цементита.

67

От tэ до Аr1 из аустенита выделяется вторичный цементит и содержание углерода в аустените понижается до 0,8 %. При Аr1 аустенит превращается в перлит. Ниже Аr1 чугун имеет структуру – ледебурит, состоящий из цементита,

перлита и вторичного цементита (рис. 1.35,б).

Заэвтектический чугун с содержанием 5,0 % углерода (рис. 1.37).

При нагреве до Ас1 превращений нет и чугун имеет структуру – ледебурит

+ первичный цементит. При Ас1 (727°С) перлит, находящийся в эвтектике,

превращается в аустенит. Выше Ас1 чугун имеет структуру – ледебурит и первичный цементит, но эвтектика состоит из цементита и аустенита. От Аc1 до tэ (1147°С) происходит насыщение аустенита углеродом вследствие растворения вторичного цементита и при 1147°С в аустените содержится 2,14 % углерода.

При tэ плавится эвтектика. Выше tэ чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита.

От tэ до tл5 происходит плавление первичного цементита. Выше tл5 чугун полностью находится в жидком состоянии.

При охлаждении до tл5 чугун находится в жидком состоянии. При tл5

начинается кристаллизация первичного цементита. От tл5 до tэ (1147°С)

происходит кристаллизация первичного цементита и чугун состоит из жидкого сплава и первичного цементита. При tэ чугун состоит из первичного цементита и жидкого сплава эвтектического состава, т. е. содержащего 4,3 % углерода,

который, кристаллизуясь при этой температуре, образует ледебурит, состоящий из цементита и аустенита с содержанием 2,14 % углерода.

Ниже tэ превращение претерпевает только ледебурит, а первичный цементит не изменяется. Превращение в ледебурите такое, как описано выше при рассмотрении доэвтектического и эвтектического чугуна, т. е. от tэ до Аr1

внутри ледебурита выделяется вторичный цементит и чугун состоит из ледебурита и первичного цементита.

При Аr1 внутри эвтектики аустенит превращается в перлит. Ниже Ar1 чугун состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 1.35, в).

68

Общие сведения о классификации и получении сталей Среди конструкционных материалов наиболее распространенным

материалом, обладающим универсальными свойствами, является сталь. Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, количество которого оказывает существенное влияние на прочность стали. Содержание углерода колеблется от

0,03 до 2,14%. К конструкционным относятся стали, содержащие до 0,9%

углерода. По современной классификации к конструкционным сталям относятся стали, прокатываемые на круг, квадрат, шестигранник, полосу и лист,

используемые для изготовления деталей машин.

Конструкционные стали по химическому составу согласно современной классификации подразделяются на углеродистые и легированные.

Конструкционные стали могут быть:

-низкоуглеродистые С<=0,09-0,25%;

-среднеуглеродистые С<=0,25-0,45%;

-высокоуглеродистые С<=0,45-0,75%.

Легированные стали условно подразделяют:

-на низколегированные с содержанием легирующих элементов 2,5-5%;

-среднелегированные – до 10%;

-высоколегированные – более 10%.

В состав углеродистых сталей помимо углерода, определяющего механические свойства, входят также остаточные количества раскисляющих элементов марганца (до 1%) и кремния (до 0,8%), а также попутные элементы – сера и фосфор, являющиеся в большинстве случаев вредными примесями

(кроме автоматных и особых легированных сталей). Сера вызывает в сталях красноломкость, фосфор – хладноломкость, ухудшая технологические и эксплуатационные свойства металла. Поэтому одной из основных задач сталеплавильных процессов является максимально возможное удаление серы и фосфора.

Вуглеродистых и легированных сталях всегда находятся растворяющиеся

вжидком металле газы – кислород, азот и водород, которые также ухудшают

69

качество металла, особенно легированного. При выплавке стали наряду с удалением серы и фосфора принимаются технологические меры также по уменьшению растворения газов, а в отдельных случаях проводится специальная обработка жидкого металла (вакуумирование, продувка инертными газами,

обработка синтетическими шлаками). В сталях всегда присутствуют переходящие из сырья остаточные элементы (медь, хром, никель и др.),

содержание которых в углеродистых и многих легированных сталях регламентируется.

Взависимости от содержания углерода и других элементов, и предельного содержания вредных примесей и остаточных элементов углеродистые стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные конструкционные.

Всостав легированных сталей помимо углерода и других остаточных и попутных элементов целенаправленно вводится один или несколько легирующих элементов (хром, никель, молибден, марганец, кремний и др.) для придания металлу прочностных, пластических и других технологических и эксплуатационных свойств. В зависимости от количества введенных легирующих элементов легированные конструкционные стали подразделяются на низколегированные (до 2,5% от веса), среднелегированные (от 2,5 до 10%) и

высоколегированные (от 10 до 50%).

Легированные стали подразделяются на группы, наименование которых отражает входящие в ее состав основные легирующие элементы. Легирующие элементы обозначаются буквами и цифрами, характеризующими их примерный химический состав. При этом если содержание элемента в стали не превышает

1%, то в обозначении марки стали этот элемент обозначается соответствующей ему буквой, обозначающей этот элемент, ставится цифра примерного среднего его содержания.

В зависимости от процесса выплавки сталь подразделяют на мартеновскую, бессемеровскую, конвертерную и электропечную. Углеродистая сталь обыкновенного качества выплавляется в мартеновских печах,

70