29(20). Железо и сплавы на его основе. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
Технически чистое железо, имеющее структуру феррита, не представляет особого интереса как конструкционный материал, т. к. обладает низкой прочностью и высокой пластичностью (σв=250 МПа, δ=50 %); гораздо большее практическое значение имеют сплавы на основе железа и углерода.
На диаграмме состояния железо – цементит можно выделить две области, которые соответствуют самым распространенным промышленным сплавам – стали и чугуну.
Сталью
называются сплавы на основе железа и
углерода, содержащие теоретически до
2,14 % С, а реально до 1,4 % С. Стали
по структуре подразделяют на доэвтектоидные
(содержащие до 0,81 % С), эвтектоидные
– перлитные (0,81 % С) и заэвтектоидные
(свыше 0,81 % С).
Чугуном называют сплавы на основе железа и углерода, содержащие от 2,14 и теоретически до 6,67 % С, а реально до 4 % С. Чугуны, в свою очередь, по структуре подразделяют на доэвтектические (2,14…4,3 % С), эвтектические – ледебуритные (4,3 % С) и заэвтектические (свыше 4,3 % С).
Углерод является важнейшей составной частью сталей и чугунов; чем больше углерода, тем выше прочность и твердость, и ниже пластичность и вязкость – рис. 29.
Рис. 29. Влияние содержания углерода на механические свойства стали
Сталь и чугун являются многокомпонентными сплавами, содержащими ряд постоянных и технологических примесей: марганец, кремний, никель, сера, фосфор, азот, кислород, водород и др.
Сера и фосфор поступают из руды – это очень вредные примеси, и их содержание строго регламентируется в зависимости от качества стали. Сера приводит к красноломкости стали – растрескиванию при ковочных температурах. Фосфор вызывает хладноломкость – резкое снижение прочности (повышение хрупкости) при низких температурах36.
Азот, кислород и водород охрупчивают сталь и поэтому с ними также борются.
Марганец и кремний – полезные примеси; они поступают в сталь а результате ее раскисления (удаления кислорода на финише плавки); никель и др. металлы приходят, как правило, из переплавляемого металлолома. Содержание Si обычно находится на уровне 0,4 %, а Mn – 0,8 %; они повышают предел текучести, а марганец, соединяясь с серой, уменьшает красноломкость.
Никель, как правило, является полезной примесью, поступающей из металлолома; повышает прочность, пластичность и вязкость железо-углеродистых сплавов.
30(21). Легирующие элементы в стали. Влияние легирующих элементов на диаграмму состояния
Легирующие элементы (от лат. «ligo» – связываю) специально вводят в сталь для достижения требуемых свойств37. Легирующие элементы могут образовывать следующие фазы:
твердые растворы (например, Mn и Ni в Fe);
легированный цементит или специальные карбиды ((Fe, Cr)3C, W3C и др.);
интерметаллические соединения (Fe3Ti, Fe7W6 и др.).
Все легирующие элементы так или иначе влияют на диаграмму железо-цементит. Например, Mn и Ni расширяют область существования аустенита, делая его устойчивым вплоть до комнатной температуры, и сужают область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов, сталь при комнатной температуре имеет аустенитную структуру (и становится парамагнитной). Никель является единственный элементом, который одновременно повышает прочность, пластичность и вязкость сталей.
Cr, Mo, W, V, Al, Si и др. сужают область существования аустенита и расширяют область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов сталь не претерпевает ↔-превращения, поэтому такие стали называют ферритными (их бесполезно закаливать).
Если -область сильно сужена и ↔-превращения протекают частично, то сталь называют полуферритной.
Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr и Ti образуют с углеродом высокопрочные твердые карбиды (чем правее металл в этом ряду, тем прочнее карбид). Путем введения этих элементов сталь можно сделать более износостойкой и жаропрочной. Наиболее важное значение имеют карбиды вольфрама, молибдена и титана, которые устойчивы при температурах до 600…1000 оС. На основе этих карбидов изготавливают быстрорежущие стали и твердые сплавы, используемые при изготовлении резцов, фрез, сверл и т. д.