Полиморфизм – это возможность существования металлов в различных кристаллических модификациях.
В интервале 1539 оС – 1392 оС железо имеет ОЦК решетку.
В интервале 1392 оС – 911 оС железо имеет ГЦК решетку.
При температуре менее 911 оС железо имеет ОЦК решетку.
При температуре 768 оС железо из ферромагнитного переходит в паромагнитном состояние, т.е. становится немагнитным. Это т.н. точка Кюри.
Железо сравнительно мягкий металл: в=250 МПа, НВ 80.
Цементит – химическое соединение, отвечающее формуле Fe3C. Образуется при строго определенном количестве атомов Fe и C, причем доля C составляет 6,67%. Цементит является наиболее твердой фазой железоуглеродистых сплавов (НВ 800). При нагреве в определенных условиях цементит может распадаться с образованием железа и углерода в свободном состоянии в виде графита. Способность цементита к разложению положена в основу получения чугунов.
На диаграмме состояния железа-цементит линия ABCD – линия липидус, а AHIECF – солидус.
На диаграмме состояния есть две области, прилегающие к ординате, на которых откладывают температуру компонента железа, область феррита и область аустенита. Вообще на диаграмме можно выделить 4 фазы: жидкость, феррит, аустенит и цементит.
Ферит – твердый раствор углерода в -железе. Феррит имеет ОКЦ решетку. Чисто ферритные области: AHN (1539 оС – 1392 оС) (высоко температурный феррит) и AGPQ (911 оС и до комнатной).
Аустенит – твердый раствор углерода в -железе. Имеет ГЦК решетку. Область чистого аустенита MIESG.
На диаграмме видно три горизонтальных линии, при температуре которых протекают нонвариантные рекации (С=0).
По линии HIB при Т=1499 оС протекает перетектическая реакция, в результате которой жидкость состава точки B взаимодействует с кристаллами феррита в точке Н с образованием кристаллов аустенита в точке I.
По линии ECF при Т=1147 оС протекает эвтектическая реакция, в результате которой жидкость в точке C распадается на аустенит в точке E и цементит. Механическая смесь аустенита и цементита в интервале T=1147 оС – 727 оС получила название ледебурит.
По линии PSK при Т=727 оС протекает эвтектоидная реакция, в результате которой аустенит в точке S распадается на феррит в точке P и цементит. Механическая смесь феррита и цементита получила называние перлит.
Эвтектика отличается от эвтектоида тем, что первая протекает с участием жидкой фазы. Вторая является результатом распада твердого раствора. В связи с тем, что при температуре меньше 727 оС аустенита быть не может, ледебурит видоизменяется и в интервале T=727 оС – 20 оС ледебурит – механическая смесь из перлита и цементита.
На диаграмме видны линии ограниченной растворимости (PQ и SE).
При Т=20 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,01% (в точке Q). При Т=727 оС количество углерода, способного раствориться в ОЦК решетке феррита составляет 0,02% (в точке P). Следовательно, при охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ОЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита третичного. Аналогичное наблюдается и при растворении углерода в ГЦК решетке, если при Т=727 оС (точка S) углерод составляет 0,8%, то при Т=1147 оС (точка Е) – 2,14%. При охлаждении избыток атомов углерода должен выделиться из ГЦК решетки, но не в чистом виде, а в виде цементита вторичного. По химическому составу цементит первичный, вторичный и третичный не отличаются. Это для того, чтобы отличить цементит, выделившийся из жидкости, из аустенита и из феррита.
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталь. Стали подразделяются на доэвтектоидные, с содержанием углерода до 0,8% (феррит + перлит), эвтектоидные – 0,8% (перлит), заэвтектоидные –от 0,8% до 2,14% (перлит + цементит II). Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14% называют чугунами: доэвтектоидные –от 2,14% до 4,3% (перлит + ледебурит + цементит), эвтектический –4,3% (ледебурит), заэвтектический – от 4,3% до 6,67% (ледебурит + цементит I).
Углеродистые стали
Сплавы железа с углеродом с содержанием углерода до 2,14% называют сталями. Помимо углерода в углеродистые стали при выплавке попадают посторонние примеси: обусловленные тезнологическими процессами (Mn, Si), невозможностью их удаления при плавке (P, S), случайными обстоятельствами (Ni, Cu). Если перечисленные элементы входят в больших количествах, чем предусмотренные ГОСТом на углеродистые стали, эти стали считают легирующими.
Влияние постоянных примесей на структуру с свойства стали.
К постоянным относятся Mn, Si, S, P и газы O, N, H. Верхний предел присутсвия S, P ограничивается 0,05%, Mn, Si – 0,08%.
Марганец вводят в сталь для раскисления, т.е. для устранения вредного влияния закиси железа FeO+MnMnO+Fe. При введении марганца происходит восстановление железа из закиси, тем самым несколько увеличиваются характеристики пластичности стали.
Кремний вводится для раскисления 2FeO+Si2Fe+SiO2.
Фосфор – вредная примесь, попадает в сталь вместе с рудой. Присутствие фосфора повышает порог хладноломкости стали, т.е. повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Его удаляют в процессе выплавки стали путем изменения состава шлаков и флюсов.
Сера – как и фосфор, попадает с рудой. Взаимодействуя с железом образует сульфид (FeS), входящий в состав эвтектики плавящейся при Т=988 оС. наличие легкоплавкой эвтектики приводит к охрупчиванию стали при температурах красного коления (800 оС). Это явление называют красноломкость. Введение в сталь марганца устраняет красноломкость в виду того, что марганец обладает большим сродством к сере, чем железо: FeS+MnMnS+Fe. В результате образуется сульфид марганца, который входит состав эвтектики, плавящейся при Т=1620 оС.
Газы. Основные газы, которые попадают в сталь – O, N, H. O и N образуют оксиды и нитриты, которые охрупчивают сталь. Особенно вредно присутствие в стали H, который приводит к внутренним надрывам в металле с образованием, т.н. флокены. Устранение газов возможно при выплавке стали в электропечах или вакууме.
Способы производства стали.
Различают бессемеровский, кислородно-конверторный, мартеновский и способ выплавки в дуговых и индукционных печах.
Бессемеровский способ в настоящее время практически не применяется в связи с низким качеством полученной стали. Сущность способа состоит продувке жидкого чугуна воздухом. Кислород воздуха окисляет углерод, доводя его содержание до количества, необходимого в стали. Низкое качество стали обусловлено тем, что в процессе продувки воздухом сталь насыщается азотом. Кроме того, вредные примеси (сера, фосфор) не удаляются.
В отличие от бессемеровского способа, при кислородно-конверторном способе продувку жидкого чугуна осуществляется чистым кислородом. При этом, равно как и в мартеновском способе, в зависимости от состава шлаков и флюсов, футеровка печи бывает основной (магнезит, хромомагнезит) или кислой (динас). Футеровку выбирают так, чтобы не проходила реакция между шлаком и футеровкой. При основном процессе из стали в большей степени удаляется фосфор, в меньшей -- сера. Однако при этом сталь содержит большее количество газов. Более дорогой кислый процесс проводят в том случае, когда нужно получить чистую по газам сталь.
Наиболее качественная сталь получается при выплавке в дуговых и индукционных печах.
В зависимости от степени раскисления различают стали спокойные, кипящие и полуспокойные. Спокойные стали получают при раскислении марганцем, алюминием, кремнием и обозначают СП. Кипящую сталь получают при раскислении только марганцем. Обозначают такие стали КП. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и кремнием и обозначаются ПС.
Углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества).
Потребителю с металлургических заводов стали поставляются в виде проката (ленты, прутки, швеллеры, трубы ). Раньше по ГОСТу стали обыкновенного качества поставляли по трем группам:
-А - с гарантированными механическими свойствами;
-Б - с гарантированным химическим составом;
-В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.
Стали маркировались : группа А - Ст.0,Ст.1,..,Ст.6; группа Б - с указанием способа выплавки - БСт.1,МСт.1 , где
Б - бессемеровский , а М - мартеновский способы выплавки; группа В: - ВСт.1.
В соответствии с ГОСТом , вступившим в действие с 90 г., с учетом того, что стали выплавляют преимущественно электро-способами, стали обыкновенного качества маркируют просто Ст.1,..,Ст.6, где за цифрой может стоять способ раскисления: Ст.1КП. Ст.1ПС, Ст.1СП.
Основы теории термической обработки
Под термической обработкой понимают изменение структуры, а следовательно, и свойств стали при нагреве до заданной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью.
При термической обработке сталей необходимо учитывать фазовые и структурные превращения, происходящие при различных скоростях нагрева и охлаждения. Диаграмма Железо-Углерод дает представление о фазовых и структурных превращениях при бесконечно малых скоростях нагрева и охлаждения. Иными словами на диаграмме представлены фазы и структурные составляющие в равновесном состоянии. Увеличение скорости охлаждения может тормозить протекание диффузионных процессов, а иногда и полностью их подавлять, поэтому реальные условия нагрева и охлаждения и обеспечивают ту или иную структуру сплавов.
Основные виды термической обработки
К основным видам относятся отжиг, закалка и отпуск. Но прежде чем говорить об этих видах, необходимо ввести понятие критической точки. Критические точки обозначаются буквой А : А1 или А3. А1 лежит на линии PSK, а А3 - на линиях GS и SE. Для того, чтобы
отличать критические точки при нагреве от критических точек при охлаждении в первом случае перед цифрой ставят букву c – Аc1, а во втором - букву r – Аr1. Для того, чтобы отличать критические точки А3 для доэвтектоидных сталей (GS) от А3 заэвтектоидных (SE), в первом случае пишут Аc3 и Аr3, а во втором - Аcm и Аrm.