18.Диаграмма состояния железо – графит. Модификация структуры графита

Диаграмма состояния желе­зо-графит нанесена на диаграмме со­стояния железо-цементит штриховыми линиями (рис. 3.19). Такой способ изо­бражения системы железо — графит дает возможность сравнивать обе диа­граммы.

В системе железо - графит эвтектика образуется при температуре 1153 "С. Она содержит 4,26 % С и состоит из аустенита и графита. Ее называют гра­фитной эвтектикой.

Эвтектоидное превращение у сплавов системы железо - графит протекает при температуре 738 °С, причем эвтектоид-ная точка соответствует содержанию 0,7 % С. Структура эвтектоида состоит из феррита и графита. Эвтектоид назы­вают графитовым. В интервале темпе­ратур 1153-738 °С из аустенита выпа­дает вторичный графит. При этом аусте­нит изменяет свой состав по линии Е'S'. Линия СD' указывает изменение состава жидкой фазы во время кристал­лизации первичного графита. Чтение диаграммы состояния желе­зо графит принципиально не отличает­ся от чтения диаграммы состояния же­лезо-цементит. Но во всех случаях из сплавов выпадает не цементит, а гра­фит. Первичный графит и графит в эв­тектике кристаллизуются путем образо­вания и последующего роста зароды­шей. При этом кристаллы графита имеют сложную форму в виде лепест­ков, выходящих из одного центра. Вто­ричный графит и графит эвтектоида, как правило, выделяются на лепестках пер­вичного и эвтектического графита. Же­лезоуглеродистые сплавы могут кри­сталлизоваться в соответствии с диа­граммой железо-графит только при весьма медленном охлаждении и нали­чии графитизирующих добавок(Si,Ni, и др)

19. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Сталь - это сплав железа с углеродом, где углерода до 2,14%. В стали всегда присутствуют и другие элементы: марганец, кремний, сера, фосфор, никель, медь, хром, мышьяк и другие.

Углерод (C) является основным элементом, придающим стали повышенную прочность и определенный уровень пластичности. Этот элемент повышает также упругость, износостойкость и выносливость при переменных нагрузках. Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в сером чугуне. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность. При содержании более 0.8% углерода твердость возрастает, а прочность уменьшается, так как сплав становится более хрупким.

Марганец (Mn) - при содержании в стали (0,5 - 0,8%) и кремний (Si) - при содержании в стали (0,35 -0,50%) - раскисляют сталь при ее выплавке. Они придают ей плотность и однородность, упрочняют, делают более упругой и повышают сопротивление истиранию. Марганец парализует вредное действие серы, образуя с ней соединение, заметно повышает прочность горячекатанной стали и повышает порог хладноломкости стали. Кремний сильно повышает предел текучести, что снижает способность стали к вытяжке и особенно к холодной высадке. При повышении содержания кремния уменьшается порог хладноломкости.

Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке в процессе раскисления. Кремний и марганец удаляют из сплава закись железа.

Кремний, растворяясь в феррите, повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность. В присутствии серы он частично связывается с серой в сернистый марганец и переходит в шлак. Это способствует удалению серы из сплава, т.е. кремний и марганец являются полезными примесями. В железоуглеродистых сплавах обычно не более 0,35-0,4% Si и 0,5-0,8 Mn.

Сера (S) и фосфор (P) - вредные примеси. Они могут скапливаться в отдельных частях слитка или заготовки (чаще в центральной) и усиливать этим вредное действие.

Сера, являясь вредной примесью, образует сернистое железо FeS, которое нерастворимо в железе, и легкоплавкую эвтектику. При кристаллизации сплава легкоплавкая эвтектика располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, в результате чего нарушается связь между зернами, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости. Повышенное содержание серы в стали вызывает красноломкость (хрупкость при высоких температурах), поэтому допускается содержание серы в сталях до 0,035%-0,06% S.

Фосфор растворяется в железе, искажает кристаллическую решетку и ухудшает пластические свойства сплава. Фосфор является вредной примесью, так как повышенное содержание фосфора вызывает хладноломкость (хрупкость при обычных и пониженных температурах), и его содержание в сталях не должно превышать 0,025-0,08%.

Хром (Cr) - в углеродистую сталь попадает из шихты при выплавки стали в печах. При патентировании проволоки (вид термообработки проволоки) хром оказывает вредное действие, задерживающее термообрабтку. Поэтому его содержание ограничивают до 0,1 • 0,15%; В легированную сталь хром вводят для повышения ее прочности и прокаливаемости. В сочетании с никелем хром используется для производства нержавеющих и жаропрочных сплавов.

Никель (Ni) - при небольших содержаниях его - не оказывает вредного действия, но несколько задерживает процесс патентирования. В легированную сталь никель вводится для повышения вязкости, коррозионной стойкости и придания некоторых других качеств стали.

Азот (N), кислород (O) и водород (H) - присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений. Они ухудшают механические свойства, снижают сроки службы изделий. Эти элементы присутствуют в сплавах или в виде хрупких неметаллических включений, например окислов FeO, SiO₂, AI₂O₃, нитридов Fe₄N, или в свободном состоянии. При этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Мелкие неметаллические включения образуются при раскислении стали, а крупные попадают в жидкую сталь из шлака, футеровки печи, материала желоба и ковша. Наибольший вред приносят крупные включения. Неметаллические соединения являются концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность)стали.

Водород поглощается сталью в атомарном состоянии. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, и его атомы накапливаются в микропорах. В результате этого в микропорах развивается большое давление. Таким образом, водород может явиться причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов).

Существует много прогрессивных методов выплавки железоуглеродистых сплавов, обеспечивающих уменьшение содержания кислорода, азота и водорода, что улучшает механические свойства сплавов.

20.Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа. Основные пути влияния легирующих элементов на структуру и свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.  Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.  По применимости для легирования можно выделить три группы элементов:

• Mn,Si,Cr,B;

• Ni,Mo;

• V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.  Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;

• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;

• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

• Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.  Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.  Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числеазот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.  Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.  Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность. Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.