Структура сталей.

Починати розгляд перетворень у сталях у твердому стані зручніше із сталі, яка зазнає одного перетворення в точці S при температурі 727 °С. При охолодженні до точки S ця сталь складається з зерен аустеніту. В точці S відбувається поліморфне перетворення Fе_γ → Fе_α. Оскільки розчинність вуглецю в α-залізі дуже обмежена, то при перетворенні він виділяється у зв'язаному стані - у вигляді цементиту. В результаті в сталі замість аустеніту утворюється дрібнодисперсна ферито-цементитна суміш пластинчастої будови, яку називають перлітом (П) (рис.14 б). При подальшому охолодженні до кімнатної температури структура перліту не змінюється. На відміну від евтектики, утворюваної при твердінні рідини, суміш, що утворюється при розпаданні твердо­го розчину, називають евтектоїдом. Евтектоїд у залізовуглецевих сплавах утворюється при сталій температурі 727 °С (А_r1) незалежно від масових співвідношень компонентів. Тому лінію РSК називають лінією евтектоїдного перетворення, сталь із структурою евтектоїда (перлітом) - евтектоїдною, або перлітною, а точку S - евтектоїдною точкою.Відповідно до цього сталі, що лежать ліворуч від точки S називають доевтектоїдними, а праворуч - заевтектоїдними.

а б в г

Рисунок 14. – Схеми мікроструктур сталей: а – ферит, б – евтектоїдна, в – доевтектоїдна, г – заевтектоїдна.

У доевтектоїдних сталях при температурах, що відповідають лінії GS (геометричному місцю точок (A_r3), починається перекристалізація і утворюється ферит. Тому при подальшому охолодженні концентрація вуглецю в аустеніті підвищується і в точці А_r1 (лінія РSК) досягає евтектоїдної, тобто 0,8 %. У цих умовах аустеніт розпадається з утворенням перліту. Ферит при цьому не зазнає перетворень (рис. 14, а). Очевидно, що з підвищенням вмісту вуглецю кількість перліту в доевтектоїдних сталях збільшуватиметься, а фериту - зменшуватиметься. При масовій частці 0,8 % С в структурі сталі буде один перліт (рис. 14, б).

Перетворення аустеніту в заевтектоїдних сталях починається на лінії SЕ граничної розчинності вуглецю (місці критичних точок А_cm). При цій температурі з аустеніту починає виділятись надлишковий вуглець у вигляді збагаченої ним фази - цементиту. При подальшому охолодженні кількість цементиту, що виділилася, збільшується, тому концентрація вуглецю в аустеніті зменшується і в точці А_r1 (лінія РSК) досягає евтектоїдної. Залишок аустеніту перетворюється при цій температурі на перліт.

Отже, структура повільно охолоджених заевтектоїдних сталей складається також із двох структурних складових (рис. 14, г) цементиту у вигляді світлої сітки і перліту. З підвищенням вмісту вуглецю кількість цементиту (товщина сітки) в заевтектоїдних сталях збільшується.

11. 4. Структура чавунів.

Кристалізація чавунів закінчується при температурі 1147°С утворенням евтектики. Тому лінію ЕСF називають лінією евтектичного перетворення.

Структура чавуну з 4,3 % вуглецю відразу після затвердіння (точка С) складається з однорідної аустенітно - цементитної евтектичної суміші - ледебуриту. При подальшому охолодженні з аустеніту (як в заевтектоїдній сталі) виділяється цементит. Через це аустеніт збіднюється вуглецем і, досягнувши при температурі 727 °С евтектоїдної концентрації, розпадається з утворенням перліту. Тому ледебурит при нормальній температурі складається з перліту і цементиту (рис. 15, а). Чавун із такою структурою називають евтектичним, а точку С - евтектичною точкою. Відповідно до цього чавуни, що містяться ліворуч від точки С, називають доевтектичними, а праворуч - заевтектичними.

Доевтектичні чавуни починають тверднути на лінії АС випаданням кристалів аустеніту. Тому в міру зниження температури рідка частина сплаву збагачується вуглецем і при 1147 °С, досягнувши евтектичної концентрації, тобто 4,3 %, твердне з утворенням евтектики (ледебуриту). При подальшому охолодженні первинний аустеніт і аустеніт ледебуриту при температурі 727 °С перетворюються на перліт. Тому доевтектичні чавуни при нормальній температурі складаються з перліту і ледебуриту (рис.15, б). У заевтектичних чавунах твердіння починається виділенням кристалів цементиту, який при охолодженні не зазнає ніяких перетворень. Тому після затвердіння ці чавуни складаються з кристалів цементиту і ледебуриту (рис. 15, в).

а б в

Рис. 15 – Схеми мікроструктур білих чавунів

У розглянутих чавунах увесь вуглець перебуває в зв'язаному стані у вигляді карбіду заліза Fе₃С. Такі чавуни на зламі мають білий відтінок, тому їх називають білими. Через високу твердість і збільшену крихкість, зумовлену великою кількістю цементиту в них, білі чавуни важко обробляти тому в практиці їх застосування обмежене, їх використовують в металургії сталі.

За деяких умов, які визначаються швидкістю охолодження, хімічним складом або термічною обробкою, карбід заліза в чавуні може розпадатися з утворенням графіту. Чавуни, у яких частина вуглецю перебуває у вільному стані у вигляді графіту називають половинчастими. Структури цих чавунів діаграма стану не відбиває.

Лекція 10

12. Сталі.

Сталлюназивають сплав заліза з вуглецем, постійними домішками та іншими компонентами. Вміст вуглецю в сталях не перебільшує 2, 14%.

12.1. Вплив вуглецю та домішок на властивості сталі та чавуну.

Вуглець визначає кількість цементиту, що саме в основному впливає на зміну вмісту основних структурних складових фериту і цементиту. При збільшенні вуглецю до 1,2% зростають міцність, твердість, поріг холодноламкості, границя текучості, електроопір та коерцитивна сила. При цьому знижується щільність, теплопровідність, в’язкість, пластичність. Подальше зростання вмісту вуглецю значно збільшує крихкість сплаву. Ці зміни властивостей призводять до погіршення ряду технологічних властивостей, а саме деформує мості, зварюваності та прогартованості тощо.

Постійні домішки є обов’язковими компонентами сталі та сплавів, які входять до хімічного складу під час виплавляння. До постійних домішок в сталях та чавунах відносять марганець, кремній, сірку, фосфор, а також кисень, водень і азот. Ці домішки можуть перебувати в вигляді твердих чи газових фаз.

Марганець вводять для розкислення (видалення надлишків кисню) та усунення шкідливого впливу сірки. Як домішки вміст Мn не перебільшує 0,8%. Він розчиняється в фериті (Fe_α) і помітно підвищує міцність не знижуючи пластичності, однак збільшує крихкість при високих температурах.

Кремній теж додають у сплав при виплавці для розкислення. Його вміст не перебільшує 0,4%. Кремній збільшує границю текучості, що зашкоджує холодному пластичному деформуванню.

Сірка є шкідливою домішкою, вона практично не розчинюється в сплаві, залишаючись у виді крихких сульфідів FeS, MnS по границям зерен. Це суттєво знижує механічні і фізико-хімічні властивості, а саме пластичність, ударну в’язкість, опір стиранню, корозійну стійкість. Збільшення сірки спричиняє красноламкість, зварюваність тощо. Тому вміст сірки суворо обмежується і не перебільшує 0,06%.

Фосфор теж є шкідливою домішкою. Розчинюючись в сплаві він сильно викривляє кристалічні ґратки і кристалічну ліквацію, визиває зростання зерен і металі. Це суттєво збільшує крихкість, холодноламкість і знижує пластичність і в’язкість. Кількість фосфору не перебільшує 0,07%.

Кисень та азот розчиняються в незначній кількості і забруднюють сплав неметалевими включеннями (оксидами, нітридами, газовою фазою). Вони визивають анізотропію механічних властивостей, збільшуючи крихкість, ламкість, знижуючи пластичність, в’язкість, корозійну стійкість. В деяких сталях збільшена кількість азоту визиває деформаційне старіння, зміцнюючи їх.

Водень робить сплав значно крихкішим і утворює флокени (дуже тонкі тріщини), які ініціюють процес руйнування. Такий сплав використовувати не можна.

12.2. Вплив легуючих елементів на властивості сталей і сплавів.

Легуючі елементи – це спеціальні, штучно введені добавки, які змінюють властивості сплаву в потрібному напрямку. Легування сталей використовують для покращення їх механічних та технологічних властивостей.

Вплив легуючих елементів на властивості сталі наведено в таблиці 2.

Таблиця 2. –

Вплив легуючих елементів на основні властивості сталі

Легуванням можна підвищити границю текучості, ударну в’язкість, міцність, пластичність, корозійну стійкість, прогартованість.

12.3. Загальна класифікація сталей

Кожному інженеру абсолютно необхідно знати класифікацію і маркування матеріалів, призначених для виготовлення деталей машин і конструкцій. До числа таких матеріалів відносяться метали та їх сплави, металеві і металокерамічні порошки, пластмаси, гума, стекло, кераміка, деревна і неметалеві речовини. Найширше розповсюдження як конструкційні матеріали в даний час отримали сталі та чавуни.

Стали, класифікують на групи за такими ознаками:

- по хімічному складу;

- по якості (по способу виробництва, по ступеню розкислення та вмісту шкідливих домішок);

- за призначенням.

По хімічномускладу. В залежності від кількості вуглецю сталі поділяють на:

- безвуглецеві, вміщують менше 0,01% С;

- низько вуглецеві, тобто містять вуглецю менше 0,25%;

- середньо вуглецеві, вміст вуглецю складає 0,25 - 0,60%

- високо вуглецеві, в яких концентрація вуглецю перебільшує 0,60%

Залежно від хімічного складу розрізняють сталі вуглецеві (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) і леговані (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

У свою чергу леговані сталі можуть бути:

- низьколеговані - вміст легуючих елементів до 2,5%

- середньолеговані, в їх склад входять від 2,5 до 10% легуючих елементів;

- високолеговані, які містять понад 10% легуючих елементів.

У залежності від хімічного складу сталі поділяють на структурні класи: доевтектоїдні та заевтектоїдні; феритні, мартенситні та аустенітні (для легованих сталей).

По якості. Залежно від вмісту шкідливих домішок: сірки і фосфору – сталі підрозділяють на:

- сталі звичайної якості (група А) – вміщують не більше 0,06% сірки і до 0,07% фосфору. Сталі звичайної якості є найбільш дешевими і уступають по механічним властивостям сталям інших класів, тому що мають збільшену ліквацію і кількість неметалевих включень. Їх використовують для невідповідальних деталей.

- якісні сталі (група Б) – до 0,035% сірки і фосфору кожного окремо. Якісні сталі по хімічному складу вуглецеві або леговані виплавляються киснево-конверторним або мартенівським способом з дотриманням жорстких вимог до хімічного складу, умов плавлення і розливання. Їх використовують для більшості деталей машин і конструкцій.

- високоякісні сталі (група В) – до 0,025% сірки і фосфору кожного.

- особливо високоякісні (група Г) – до 0,025% фосфору і до 0,015% сірки. Високоякісні сталі виплавляються в більшості в електричних печах, а особливо високоякісні з переплавленням, що гарантує високу чистоту, точний хімічний склад і покращення механічних властивостей, однак ці сталі дорогі. Їх використовують для відповідальних деталей та в спеціальних галузях промисловості.

По способу виробництва якісні та сталі звичайної якості в залежності від розкислення поділяють на спокійні (сп) – повністю розкислені; киплячі (кп) – не розкислені та напівспокійні (пс) – розкислені частково. Під розкисленням сталі розуміють процес видалення з розплаву розчинених газів та газових домішок, що погіршує якість сталі.

За призначенням сталі поділяють на:

- конструкційні, призначені для виготовлення будівельних і машинобудівних виробів.

- інструментальні, з яких виготовляють ріжучий, вимірювальний, штамповий і інші інструменти. Ці сталі містять більше 0,65% вуглецю.

- з особливими фізичними властивостями, наприклад, з певними магнітними характеристиками або малим коефіцієнтом лінійного розширення: електротехнічна сталь, суперінвар.

- з особливими хімічними властивостями, наприклад, неіржавіючі, жаростійкі або жароміцні сталі.

Лекція 11