Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2013 » Июль » 25 » Система железо-углерод.
13:06
Система железо-углерод.

Уже много веков железо и его сплавы играют ключевую роль в научно-техническом прогрессе, являясь основным конструкционным и инструментальным материалом. Но, все начиналось около трех тысяч лет назад с первых кузнечных поковок из низкоуглеродистой стали весьма сомнительного качества. Эту нашу беседу мы посвятим углеродистым сталям, в прошлый раз мы неплохо рассмотрели получение углеродистых сталей, теперь очередь за строением и свойствами.

До температуры в 768оС железо имеет объемно-центрированную кубическую кристаллическую решетку с длинной грани 2,87 ангстрема или 0,287 нм. Эта аллотропная модификация железа называется α-железом, и обладает магнитными свойствами. При температуре от 768 до 910оС существует следующая аллотропная модификация железа β-железо, с длинной грани 0,290 нм, за счет размыва дендритной структуры железа, при этой и более высоких температурах железо становится немагнитным.

При температуре от 910 до 1390оС существует гранецентрированная кубическая решетка γ-железа, с длинной грани 0,365 нм. В каждой восьмигранной кристаллической ячейке находится уже не один, а 6 атомов железа. При температурах от 1390 до 1535оС существует δ-железо с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой с длинной грани 0,293 нм. При более высоких температурах существует только жидкий расплав железа. Иногда, для упрощений выделяют только α-железо и γ-железо, отличая их по магнитным свойствам. Для нас очень важно, что γ-железо способно хорошо растворять углерод, за счет большего свободного объема в кристаллической решетке.

Если учесть выше приведенные сведения при построении графической зависимости, рассматривающей фазовые превращения в системе железо-углерод при различных температурах, то получим знаменитую диаграмму, несколько упрощенный вид которой представлен на рисунке 1.

 

Рисунок 1.

В левой части находится прямоугольная диаграмма состояния системы железо-углерод, по горизонтали отложено содержание углерода в процентах, от 0 до 6,67%, что соответствует максимальной растворимости углерода в расплавленном железе. По вертикали отложена температура от 600 (при более низких температурах ни каких существенных изменений в системе не происходит) до 1600оС (при более высоких температурах существует только расплав).

В правой части, синим цветом показана температурная кривая остывания системы железо-углерод. По горизонтали отложено время (так как зависимость, усредненная для всех содержаний углерода, то значений не указанно), по вертикали температура (в тех же пределах, что и для левой диаграммы). "Ступеньки” на линии графика означают временные промежутки остывания расплава при начале процесса кристаллизации новой фазы. Это происходит из-за выделения тепла при построении более плотной кристаллической решетки из расплава под действием структурно-ориентирующих сил на поверхности первых зародившихся кристаллов. По закону сохранения энергии, избыток энергии выделяется в виде тепла, в зависимости от скорости отвода тепла от системы (скорость охлаждения расплава), эти ступеньки могут быть различны по протяженности и даже пологости.

Перейдем к составу системы, для начала оговоримся, что растворимость углерода в железе при комнатной температуре составляет не более 0,006%. Такая структура железа называется феррит (от латинского "феррум” – железо). Феррит (ф) имеет низкую твердость (НВ 80-100), так как углерод заполняет небольшой объем его кристаллической решетки и практически не мешает послойным перемещениям кристаллов. Феррит имеет хорошие пластические и магнитные свойства, прекрасно обрабатывается ковкой, штамповкой, волочением, глубокой вытяжкой и др.

Максимальное количество углерода содержит цементит (ц), он представляет собой нестехиометрический карбид железа. Иначе говоря, наиболее химически и термически устойчивый раствор карбида железа в феррите, данная структура весьма устойчива. Цементит получил свое название от процесса цементации – насыщения поверхности стальных изделий углеродом в струе горящего газа или раскаленных углях при небольшом доступе воздуха. Цементация применялась еще в средние века и составляла тайну мастеров, передававшуюся от отца к сыну. В промышленном масштабе цементацию начали применять во второй половине 19-го века, в начале для упрочнения режущего инструмента и усиления брони кораблей, затем более широко.

Цементит имеет наибольшую твердость среди всех соединений железа (НВ 750-800), но, он также имеет и наибольшую хрупкость (относительное удлинение при растяжении (δ) =0%), то есть, цементит хрупкий как стекло.

Промежуточное место между ферритом и цементитом занимает перлит (п). Перлит (твердость НВ 200-250, δ=40-50%, содержание углерода около 0,83%) представляет собой ферритную матрицу в которую вкраплены частицы цементита, либо пластинчатой, либо овальной формы (зернистый перлит). Зернистый перлит получается при долгом томлении стали в печи, желательно с периодическими проковками с целью измельчения и "полировки” зерна. Примерно так и выглядела технология ковки холодного оружия из сталей посредственного качества в античности и средних веках. Зернистый перлит имеет более высокую пластичность и ударную вязкость при той же твердости, но, сложности процесса его получения не принесли ему широкого распространений, хотя, к процессам измельчения и сфероидизации структуры низко и среднеуглеродистых сталей мы вернемся в другой раз, уже в разделе легирующих добавок.

При температурах выше 725оС появляется другая структура аустенит (а), главное отличие этой структуры от остальных состоит в высокой растворимости углерода, до 2%. Этот предел стал отличительной чертой сталей от чугунов. При содержании углерода от 2 до 4,3% мы имеем дело с так называемыми доэвтектическими (или "серыми”) чугунами, при содержании углерода от 4,3 до 6,67% - заэвтектические чугуны (или "белые”). Белые чугуны имеют высокие твердость и хрупкость, поэтому не находят применения в промышленности, их перерабатывают в кислородных конвертерах в сталь. Серые чугуны используют для изготовления массивных деталей литьем. Серый чугун имеет более низкую удельную себестоимость, чем любая сталь, но он более хрупок и его расход на аналогичную деталь больше. Для повышения ковкости и ударной вязкости, серый чугун также подвергают томлению (не менее 10-20 часов), что приводит к сфероидизации углерода и повышению пластических свойств. Томленый, или "ковкий” чугун имеет относительное удлинение на разрыв 3-6%, что меньше, чем у сталей, но больше, чем у обычного чугуна. Классические примеры использования ковкого чугуна: зубчатые колеса, кронштейны крепления деталей в подъемных машинах, корпуса минометных мин большого калибра и др.

Кроме того, существует еще одна структура – ледебурит (л), названная в честь ученого А. Ледебура. Ледебурит представляет собой эвтектический сплав цементита и аустенита, свойственный системам с высоким содержанием углерода. Ледебурит и является той линией, разделяющей доэвтектические чугуны от заэвтектических чугунов. На рисунке 1, ледебуриту соответствует пунктирная линия, опущенная из точки С.

Также, на рисунке 1, линия АЕСF – линия солидус (от латинского слова "солидус” – твердый), ниже которой только твердая фаза, и линия ACD – ликвидус (от слова "ликвидус” – жидкий), выше которой только жидкий расплав. Линия AESG ограничивает область аустенитного состояния, в этой области производится большинство операций термообработки углеродистых сталей.

Треугольная область в левом нижнем углу диаграммы, соответствующая ферритному состоянию, описывает стали, которые практически не подвергаются закалке, так как в них нет лишнего углерода для его перевода из одного состояния в другое. Закалкой таких сталей можно добиться лишь накопления внутренних напряжений кристаллической решетки, что незначительно повысит твердость, но сильно снизит усталостную прочность материала.

Температура 725оС соответствует и на графике и на диаграмме переходу α-железа в γ-железо, сопровождающиеся выделением небольшого количества энергии из-за уплотнения кристаллической решетки (длинна грани от 0,290 до 0,287 нм). Подавляющее большинство из применяемых в промышленности углеродистых сталей находятся левее пунктирной линии, опущенной из точки S. Стали и чугуны, лежащие между пунктирными линиями из точек S и Е, почти не используются, так как имеют высокую хрупкость при не особенно выдающейся твердости, и значительную себестоимость производства. При повышении содержания углерода в сталях, влияние вредных примесей (главным образом: сера, мышьяк, азот, фосфор, селен и др.) усиливается пропорционально повышению твердости изделий. Причем, как собственной твердости сырой (не подвергнутой термической обработке) стали, так и приобретенной в процессе закалки. Поэтому, к конструкционным сталям с низким содержанием углерода предъявляются менее жесткие требования по чистоте, чем к инструментальным углеродистым сталям. Но, об этом в следующий раз.

Категория: Металлургия | Просмотров: 1997 | Добавил: Chemadm | Теги: диаграмма железо-углерод, свойства сталей, сталь | Рейтинг: 4.8/35
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]