Диаграмма состояния «Железо – цементит» (метастабильное состояния), и влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

На диаграмме (рис. 1) состояния железо-углерод (цементит) приведены фазовый состав и структура сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). Система Fe- Fe ₃С метастабильная.

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe- Fe ₃С

Линии диаграммы состояния Fe- Fe ₃C, определяющие процесс кристаллизации, имеют следующие обозначения и физический смысл. АВ (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации а (5) -феррита (Ф₅) из жидкого сплава (Ж); ВС (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного аустенита (А) из жидкого сплава (Ж); CD (линия ликвидус) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита (Fe ₃С) из жидкого сплава (Ж); АН (линия солидус) является температурной границей области жидкого сплава и кристаллов а (6) -феррита - ниже этой линии существует только а (б) -феррит; HJB - линия перитектического нонвариантного (С=0) равновесия (1490); по достижению температуры, соответствующей линии HJB, протекают перетектическии реакции (жидкость состава В взаимодействует с кристаллами a(d)- феррита состава Н с образованием аустенита состава J):

Ж_B+Ф_H→А_J

Линии ECF(линии солидус) соответствуют кристаллизации эвтектики – ледебурита:

Ж_C→А_E+Fe₃C

Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных примесей: Si, Mn, S,P, O, N и др., которые оказывают влияния на свойства.

Структура стали после медленного охлождения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода. С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растут электросопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.

Содержание кремния в углеродистой стали, в качестве примеси обычно не превышает 0,35-0,4 %, а марганца 0,5-0,8 %. Кремний, остающийся после раскисления в твердом растворе (в феррите), сильно повышает предел текучести. Это снижает способность стали к вытяжке и особенно холодной высадке.

Сера и фосфор является вредной примесью, и содержание их в стали допускается не более 0,025-0,045 %. Вредное влияние фосфора усуглубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость.

Азот и кислород присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений, окислов, нитридов и др. Неметаллические включения (окислы, нитриды, частицы шлака) являясь концентратором напряжений, могут сильно понизить, если они присутствуют в значительных количествах или располагаются в виде скоплений, предел выносливости и вязкость разрушения.

2. Классификация чугунов в зависимости от формы графита и условий его образования. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и механические свойства чугунов

Сплав железа с углеродом > 2,14% называют чугуном. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита или графита или одновременно в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серый, высокопрочный, с шаровидным графитом и ковкий.

Серый чугун (технический) представляет собой по существу сплав Fe-Si-C, содержащий в качестве неизбежных примесей Mn, S и Р. В структуре серых чугунов большая часть или весь углерод находиться в виде графита. Наиболее широкое применение получили доэвтектоидные чугуны, содержащие 2,4-3,8% С: чем выше содержание в чугуне углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства.

Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкой чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов (сфероидизирующие модификаторы). Чаще для этой цели применяют магний в количестве 0,03-0,07%. Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием.

Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность металлической основы структуры чугуна. Металлическая основа ковкого чугуна: феррит и реже перлит. Наибольшей пластичностью обладает ферритный ковкий чугун, который применяют в машиностроении.

К специальным чугунам относятся жаростойкие, которые обладают окалиностойкостью, трещиноустройчивостью; жаропрочные, обладающие высокой длительной прочностью и ползучестью при высоких температурах, и коррозинностойкие чугуны.