- •Министерство образования и науки украины
- •1. Железоуглеродистые сплавы
- •1.1. Компоненты железоуглеродистых сплавов
- •1.2. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe-Fе3c)
- •1.3. Структурные составляющие в системе Fe – Fe3с
- •1.4. Характеристика отдельных точек и линии диаграммы Fe-Fe3с
- •Первичная кристаллизация белых чугунов происходит при 1147°с. Перекристаллизация – при 727 0с.
- •1.5. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистой стали
- •2. Теория термической обработки
- •2.1. Классификация видов термической обработки
- •2.1. Превращения в стали при нагреве
- •2.2 Влияние величины зерна на свойства стали
- •2.3. Превращения в стали при охлаждении
- •2.4. Превращения в закаленной стали при нагреве
- •2.5. Влияние термической обработки на свойства стали
- •3. Технология термической обработки
- •3.1. Отжиг
- •3.2. Закалка.
- •3.2.1. Особенности закалки
- •3.2.2. Способы закалки.
- •3.2.3. Дефекты закалки.
- •3.3. Oтпуск стали.
- •3.4. Старение сплавов
- •4. Химико-термическая обработка (хто).
- •5. Классификация и принцип маркировки сталей. Углеродистые стали
- •5.1. Классификация сталей
- •5.2. Маркировка сталей
- •У8 - содержит 0,8 % с
- •Б – ниобий ц – цирконий п – фосфор а - азот (если буква находится в середине марки)
- •5.3. Легирующие элементы в стали
- •6. Конструкционные стали
- •6.1. Конструкционная прочность
- •6.2. Методы повышения конструкционной прочности.
- •6.3. Виды конструкционных сталей
- •7. Инструментальные стали и сплавы
- •7.1. Основные свойства инструментальных сталей и факторы, влияющие на них.
- •1. Эксплуатационные свойства.
- •2. Технологические свойства.
- •7.2. Стали для режущего инструмента.
- •7.3. Быстрорежущие стали.
- •8. Коррозия металлов. Стали и сплавы с особыми свойствами
- •8.1. Основные виды коррозии
- •8.2. Защита от коррозии (покрытия)
- •8.3. Контроль покрытий
- •8.4. Коррозионностойкие стали.
- •8.6. Жаропрочные стали
- •8.7. Сплавы с особыми упругими и тепловыми свойствами
- •8.8. Магнитные стали и сплавы
- •8.9. Сплавы с высоким электрическим сопротивлением
- •8.10. Графитизированная сталь
- •9. Микроскопический анализ сталей и чугунов
- •9.1. Общие сведения.
- •9.2. Крепление образцов. Шлифовка. Полировка.
- •9.3. Травление.
- •9.4. Микроанализ сталей
- •9.5. Микроанализ чугунов
- •9.6. Реактивы для выявления структуры сталей и чугунов
- •10. Макроскопический анализ металлов и сплавов
- •10.1. Сущность макроскопического анализа
- •10.2. Металлургические дефекты
- •10.3. Дефекты технологического происхождения
- •10.4. Эксплуатационные дефекты в условиях воздействия постоянных нагрузок
- •10.5. Эксплуатационные дефекты в условиях воздействия
- •11. Износостойкость сталей
Первичная кристаллизация белых чугунов происходит при 1147°с. Перекристаллизация – при 727 0с.
Таблица 1.1
Координаты точек диаграммы железо-углерод
Точка |
Температура, 0С |
Концентрация углерода |
A |
1539 |
0 |
B |
1499 |
0,5 |
C |
1130 |
4,3 |
N |
1392 |
0 |
H |
1499 |
0,1 |
J |
1499 |
0,16 |
G |
911 |
0 |
E |
1130 |
2,14 |
S |
727 |
0,8 |
P |
727 |
0,02 |
Q |
20 |
0,006 |
D |
1600 |
0 |
Первичная кристаллизация сталей с содержанием углерода до 0,16% начинается с выделения из жидкости дендритных кристаллов δ-феррита. При температуре перитектического превращения оставшаяся жидкость и δ-феррит образуют новую фазу – аустенит. Он охлаждается до температуры линии GSE , когда начинается вторичная кристаллизация с выделением кристаллов α-феррита (у чистого железа полиморфное превращение γ→α происходит при одной температуре, а в сплавах за промежуток температур). Далее оставшийся аустенит при Т=727 0С претерпевает эвтектоидное превращение с перекристаллизацией в перлит с попеременным выделением пластин или зерен цементита и феррита.
При кристаллизации доэвтектического чугуна из жидкости выделяются дендритные кристаллы аустенита, а заэвтектического – цементита. При температуре эвтектики начинается образование ледебурита – попеременная кристаллизация пластин аустенита и цементита. Далее аустенит, который находится в ледебурите (как и в сталях), при Т=727 0С претерпевает эвтектоидное превращение с перекристаллизацией в перлит с попеременным выделением пластин или зерен цементита и феррита.
Рис. 1.2. Влияние содержания углерода на механические свойства стали
По своей структуре стали представляют смесь мягкого технического железа и твердого цементита, и этого уже достаточно, чтобы понять возможность довольно широкого набора механических свойств в сплавах с различным содержанием углерода (рис. 1.2). Из рис. 1.2 видно, что просто на основе изменения содержания углерода и соответственно изменения доли содержания цементита в структуре можно иметь материал с твердостью от НВ=80 до НВ≈350. Зато прочность повышается при содержании углерода до ≈1,1%, а затем падает, т.к. большое содержание углерода по границам зерен приводит к охрупчиваю стали.
1.5. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистой стали
Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в разных концентрациях присутствующие в технических сортах стали.
Обычно содержание этих элементов ограничивается следующими верхними пределами: 0,8% Mn; 0,5% Si; 0,005% Р; 0,05% S.
При их большем содержании сталь относят к сорту легированных, в которые эти элементы вводят специально.
Марганец Mn. Его вводят в сталь для раскисления для устранения вредных окисей железа: FeO + Mn → MnO + Fe.
Марганец также устраняет вредные сернистые соединения железа (сульфид железа) в стали: FeS + Mn → MnS + Fe.
Марганец растворяется в феррите и аустените и заметно повышает прочность в горячекатаных изделиях.
Кремний Si. Влияние начальных присадок кремния аналогично влиянию марганца. Кремний раскисляет сталь по реакции: 2FeO + Si → 2Fe + SiO2 .
Кремний структурно не обнаруживается, т.к. полностью растворим в феррите, кроме той части, которая в виде окиси не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.
Фосфор P. Руды железа, топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.
При бессемеровском процессе выплавки остается до 0,07–0,12% Р, т.е. концентрация фосфора в чугунах. При выплавке в мартеновских печах сталь содержит 0,02–0,04% Р, а в электропечах менее 0,02% Р. Меньшая концентрация фосфора в стали достигается применением исходной высокочистой шихты.
Растворимость фосфора в α–железе достигает 1,2% (диаграмма с ограниченной растворимостью). Растворяясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода в хрупкое состояние – порог хладноломкости. При содержании фосфора 0,005% порог хладноломкости составляет (-800С), а при 0,21% Р – (+1000С).
Отмечено, что в отдельных случаях фосфор желателен в стали, т.к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом, присутствии меди повышает сопротивление коррозии.
Сера S. Она попадает в металл из руд, а также из печных газов – продуктов горения топлива (SO2).
При выплавке бессемеровским способом содержание серы в стали составляет до 0,06%, в основном мартеновском процессе и при выплавке стали в электропечах сера удаляется из стали.
Содержание серы в высококачественных сталях не должно превышать 0,02–0,03%, для стали обычного качества допускается повышенное содержание – 0,03-0,4%.
Сера нерастворима в железе (диаграмма с эвтектикой) и любое ее количество образует с железом сернистое соединение – сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 9880С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 8000С и выше, т.е. при температурах красного каления, т.е. порог красноломкости. Вследствие красноломкости сталь с повышенным содержанием серы плохо поддается горячей обработке давлением. С этой точки зрения сера является вредной примесью.
Обычно в сталях феррит эвтектики объединяется с ферритом основной массы металла, а соединение FeS располагается вокруг зерен (рис.1.3,а). Такая форма включений серы особенно вредна, т.к. при горячей обработке давление получаются надрыв и трещины. Отдельные обособленные округлые включения серы менее вредны (рис.1.3, б).
Сульфид марганца MnS. При введении в сталь марганца протекает вышеприведенная реакция образования сульфида марганца, который плавится при 16200С, т.е. при температурах, горячее более высоких, чем температура горячей обработки. При температурах горячей обработки (800-12000) сульфид марганца пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы (рис. 1.3, в).
Сульфиды пластичны и деформируются при горячей обработке в отличие от оксидов (соединение металла с кислородом), которые хрупки, под действие механических сил крошатся и располагаются в виде цепочек (рис. 1.4).
Наличие подобных включений недопустимо для ответственных деталей, они снижают усталостную и динамическую прочность стали, т.к. могут служить концентраторами напряжений. При переменной нагрузке эти включения облегчают возникновение трещин усталости.
В отличие от других вредных элементов, сера понижает порог хладноломкости, хотя ударную вязкость при вязком изломе при этом повышает. Другими словами, сера повышает сопротивление вязкому излому. а хрупкому – понижает. Как и фосфор, сера облегчает обрабатываемость резанием.
Газы. Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Содержание этих веществ определяют, расплавляя пробу металла в вакууме и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла.
Рис.1.3. Сернистые соединения: а – в виде оторочек по границам зерен, х100; б – в виде обособленных включений, х100; в – в виде сульфида марганца, х500
Повышенное содержание водорода приводит к опасным внутренним микротрещинам (флокенам). Оксиды и нитриды являются хрупкими соединениями и соответственно ухудшают свойства стали.
а б
Рис. 1.4. Неметаллические включения: а – сульфиды (пластичные); б – оксиды (хрупкие)
Растворимость газов в стали невелика и в условиях обычного (неравновесного) охлаждения происходит образование пересыщенного твердого раствора в α–железе, который является концентратором напряжений.Газы могут присутствовать в разных формах: в газообразном состоянии в виде дефектов (газовые раковины, пористость и т.д.); в виде атомов внедрения в α–железе; образовывать различные соединения, так называемые неметаллические включения (нитриды. оксиды).
Пластическая деформация и последующий невысокий нагрев такого пересыщенного раствора приводят к сильному охрупчиванию вследствие процессов старения (деформационное старение). Это проявляется в первую очередь в уменьшении запаса вязкости и увеличении порога хладноломкости.
Водород не образует соединений с железом, поэтому он может выделяться из металла и с течением времени содержание водорода в стали уменьшается. При этом увеличиваются пластические свойства.
Оптимальным средством уменьшения газов служит выплавка или разливка стали в вакууме.
В процессе деформации неметаллические включения располагаются в виде разорванные строчек или продолговатых линз вдоль направления прокатки. Эти включения служат центрами кристаллизации феррита, в результате чего образуется полосчатая феррито-перлитная структура, которая вызывает анизотропию свойств, т.е. различие свойств металла в разных направлениях (образцов, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки). В сталях обыкновенного качества ударная вязкость в продольном направлении в два раза выше, чем в поперечном. Значит коэффициент анизотропии ударной вязкости → 0,5. Путем повышения чистоты металла по сере и кислороду, используя совершенные методы выплавки коэффициент анизотропии по ударной вязкости достигается 0,7-0,9.