Характеристики стали и чугуна, как основных железоуглеродистых сплавов

Из всего разнообразия металлов, применяемых в производстве кованых изделий, наибольшее распространение получили железоуглеродистые сплавы. К ним, в первую очередь, относятся сталь и чугун. Эти материалы служат для изготовления таких конструкций, как кованые заборы, ограждения, ворота. Также стальные и чугунные элементы являются частью конструкций фонарных столбов, кованых урн и других изделий.

Сталь – это железоуглеродистый сплав, содержание углерода в котором колеблется в пределах до 2%. Чугун же, являясь более хрупким металлом, имеет в своем составе углерод в количестве более 2%. При этом, как можно понять, чем выше процент содержания углерода в сплаве, тем ниже его показатели прочности. Кроме углерода в состав сплавов входят и другие компоненты (марганец, фосфор, сера, кремний), но преимущественную часть все-таки занимает железо.

Железо – это металл, который характеризуется важной особенностью, которая определяет его широкую сферу применения. Это аллотропичность, способность к превращениям в твердом состоянии. Такой показатель можно проследить при изменении температур. При температуре до 910 °С структура железа имеет кристаллическую решетку центрированого куба (так называемое «альфа-железо»). При повышении температуры решетка преобразуется в куб с центрироваными гранями, и такое железо имеет название «гамма-железо». При показателях температуры превышающих 1400 °С кристаллическая решетка принимает свою первоначальную конфигурацию и носит название «дельта-железо». При обычной температуре альфа-железо сохраняет магнитные свойства, которые теряются при достижении 768 °С. Немагнитное железо, существующее в период нагрева от 768 °С до 910 °С, называется «бета-железо». Таким образом, основными формами являются альфа- и гамма-железо, которые отличаются способностью к растворению углерода. Гамма-железо имеет свойство растворять большее количество углерода, что является важным показателем при термообработке стали.

Основными составляющими любого железоуглеродистого сплава являются феррит и цементит. Это собственно и есть железо, содержание которого в сплаве колеблется от 93 до 99%, но с незначительным добавлением углерода. Содержание углерода в феррите совсем мало, а цементит имеет в своем составе 6% углерода. Существует также и такое понятие как перлит. Это смесь феррита с цементитом, которая образуется при температуре 723 °С.

Структура железа, которая появляется при достижении температуры 910 °С, т.е. когда мы говорим о дельта-железе, называется аустенитом. Это та структура, в которой может быть растворено наибольшее количество углерода.

Если мы говорим о белом чугуне, то целесообразно вспомнить и такую составляющую как ледебурит. Это смесь цементита и аустенита, которая содержит 4,3% углерода.

Таким образом, можно говорить о характеристиках стали и чугуна в зависимости от их структурных составляющих. Например, если сталь содержит цементит, она является в разы более хрупкой, чем та, которая имеет в своей структуре феррит. Сплавы, имеющие аустенит отличаются еще менее высокой прочностью.

Кроме этого на физические свойства железоуглеродистых сплавов влияет наличие в них постоянных примесей. Как уже говорилось выше, сталь и чугун неизбежно имеют в своем составе серу, фосфор, марганец и кремний. Обычная сталь содержит до 0,05% серы, до 0,05% фосфора, до 0,8% марганца и до 0,4% кремния. Примеси фосфора и кремния в структуре стали не образуют отдельных зерен, а растворяются в феррите. Сера же в железе не растворяется, но при этом в структуре стали образует сульфиды железа и марганца. Эти химические соединения, а также оксиды металла называют неметаллическими включениями.

Разобравшись, какие же примеси существуют в составе железоуглеродистых сплавов, рассмотрим их непосредственное влияние на свойства металла.

Углерод, как самый важный компонент, оказывает наиболее серьезное влияние. Чем больше процент содержания углерода, тем выше хрупкость, но ниже показатели удлинения и сужения. Предел прочности и упругости стали определяется содержанием углерода до 0,9%. Дальнейшее увеличение углерода в составе провоцирует появление цементита в его структуре, а значит и повышение хрупкости.

Наличие марганца и кремния в составе сплавов обычной стали практически не оказывает никакого воздействия. Но вот сера и фосфор определенным образом могут навредить. Повышенный процент содержания серы реализуется в появлении так называемой красноломкости стали. Это значит,  что при достижении 900-1200 °С в металле начинают образовываться трещины. Большое содержание фосфора вызывает обратный процесс, называемый хладноломкостью. Сталь становится хрупкой, особенно на морозе. Но иногда сера и фосфор оказывают и положительное влияние на свойства стали. Например, в некоторой степени облегчают обрабатываемость на станках.

В зависимости от содержания углерода и других примесей различают углеродистые и легированые стали. Легироваными называются те, в которых содержатся искусственно добавленные металлы (хром, никель и др.). Углеродистые же стали в своем составе, кроме постоянных примесей, о которых говорилось выше, ничего не содержат.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Все железоуглеродистые сплавы, в соответствии с диаграммой железо-углерод, подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)

Характеристика сталей

Стали — сплавы железа (Fe) с углеродом (С), с содержанием последнего не более 2,14%. Стали характеризуются достаточно высокой плотностью (7,7 — 7,9 г/см³) и другими физическими величинами:*

• Удельная теплоёмкость при 20°C: 462 Дж/(кг·°C)
• Температура плавления: 1450—1520°C
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг)
• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20°C: 11,5·10-6 1/°С
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100°С: 30 Вт/(м·К)

*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.

На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.

Классификация сталей

Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:

Классификация по химическому составу

• углеродистые стали — классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
  • низкоуглеродистые (< 0,25 %C)
  • среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
  • высокоуглеродистые (> 0,65 %C)

• легированные стали — классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
  • низколегированные (< 2,5%)
  • среднелегированные (2,5-10 %)
  • высоколегированные (> 10 %)

Если содержание Fe меньше 45 %, то это сплав, на основе элемента самого высокого содержания. Если содержание Fe больше 45 %, то это сталь.

Классификация по назначению

• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода <0,8%.  Конструкционные подразделяются на цементуемые, с содержанием углерода <0,3% и улучшаемые, с содержанием углерода >0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть здесь
• инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
• с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по структуре

Классификация по Обергофферу — по структуре в равновесном состоянии

Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:

• доэвтектоидные
• эвтектоидные
• заэвтектоидные
• ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)

Позже были внесены дополнения:

• ферритные
• аустенитные

Равновесное состояние — состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига

Классификация по Гийе — по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)

• перлитные
• мартенситные
• ферритные
• аустенитные
• карбидные

Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т. д.

Классификация сталей по качеству

Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:

• обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
• качественные стали (S, P ≤0,035)
• высококачественные (S, P ≤0,025)
• особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)

Классификация по способу выплавки

• в мартеновских печах
• в кислородных конверторах
• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

Классификация по степени раскисления

• кипящие (кп)
• полуспокойные (пс)
• спокойные (сп)

Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические… химический состав) некоторых марок сталей смотрите здесь.

Классификация и маркировка чугунов

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Классификация чугунов

В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида

Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.

• графитизированный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава. Такие чугуны подразделяют на:
  • серые — пластинчатая или червеобразная форма графита (ЧПГ)
  • высокопрочные — с шаровидным графитом (ЧШГ)
  • ковкие — хлопьевидный графит (ЧХГ)
  • чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) — имеет промежуточные свойства между СЧ и ВЧ. По форме графита напоминает СЧ, но имеет более толстые и более короткие пластины с округленными концами

Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.

Маркировка чугунов

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами «СЧ» (ГОСТ 1412-85), высокопрочный — «ВЧ» (ГОСТ 7293-85), ковкий — «КЧ» (ГОСТ 1215-85).

Пример маркировки

СЧ10 — серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 — высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 — ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ — антифрикционный чугун: С — серый, В — высокопрочный, К — ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Чугуны специального назначения

К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769—82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849—76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.

К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) — ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом — 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ — антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.

В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.

К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).

деревянная лестница цвет орех от столярной мастерской lestnica-vip. ru

7.4: Железо и сталь — Химия LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Химия 310
• Penn State University via Wikibook

Еще одно очень важное место, где важна разница между твердостью ОЦК и плотно упакованного металла, — это производство стали. При температуре от комнатной до 912 ^o C железо имеет структуру ОЦК и является прочным твердым металлом («твердым, как гвозди»). Выше 912 ^o C чистое железо переходит в ГЦК (аустенитную) структуру, которая гораздо более пластична. Таким образом, горячее железо можно согнуть и придать ему различные формы, когда оно очень горячее, но все еще твердое (оно плавится при температуре 1535°С). 0032 или С). Быстрая закалка горячего железа, например, когда кузнец погружает раскаленный кусок прямо в холодную воду, охлаждает его до комнатной температуры, но не дает времени для фазового перехода ГЦК -> ОЦК; следовательно, такие детали все еще относительно податливы и им можно придать форму.

Углерод добавляется (около 1% по весу) к железу для получения «углеродистой стали», которая является очень твердым материалом. Углерод достаточно растворим в ГЦК фазе железа, но не в ОЦК фазе. Следовательно, когда пластичная фаза ГЦК охлаждается и превращается в ОЦК («отпуск» стали, что означает ее достаточно медленное охлаждение, чтобы могло произойти преобразование ГЦК в ОЦК), железо больше не может растворять избыток углерода. Углерод образует слои или зерна дополнительной фазы Fe 9.0046 3 C («цементит» — очень твердый материал), которые располагаются слоями или точечно по всей матрице зерен ОЦК железа. Эффект всех этих маленьких зерен Fe ₃ C заключается в том, чтобы остановить движение дислокаций, делая материал более твердым, но (с более высоким содержанием углерода) все более хрупким. Вот почему ножи и мечи закаливаются из фазы FCC, подвергаются холодной обработке в подходящие формы, а затем снова нагреваются и закаляются (перед заточкой) при изготовлении. Изделия из чугуна (сковороды, радиаторы и т. д.) имеют более высокое содержание углерода и поэтому очень прочны, но имеют тенденцию к разрушению, а не к изгибу из-за большей доли хрупкого Fe 9. 0046 3 С-фаза в сплаве.

Эта страница под названием 7.4: Железо и сталь распространяется под лицензией CC BY-SA 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Chemistry 310 (Wikibook) с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами. платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Химия 310 Студенты

   Лицензия

   CC BY-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. source@https://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Inorganic_Chemistry

Углеродистая сталь и диаграмма состояния железо-углерод – IspatGuru

Углеродистая сталь и диаграмма состояния железо-углерод

• satyendra
• 6 марта 2016 г.
• 1 комментарий
• аустенит, углеродистая сталь, цементит, охлаждение, феррит, нагрев, железоуглеродистая диаграмма, микроструктура, перлит, сталь ,

Углеродистая сталь и фазовая диаграмма железо-углерод

Стали представляют собой сплавы, содержащие элементы железа (Fe) и углерода (C). C растворяется в Fe при производстве сталей. Чистое Fe плавится при температуре 1540°C, и при этой температуре C легко растворяется в жидком железе, образуя жидкий раствор. Когда этот жидкий раствор затвердевает, он образует твердый раствор, в котором атомы C растворяются в твердом железе. Отдельные атомы С лежат в полостях между атомами Fe кристаллических зерен аустенита (при высоких температурах) или феррита (при низких температурах). Аустенит имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, тогда как феррит имеет объемноцентрированную кубическую (ОЦК) структуру (рис. 1). Если количество С, растворенного в жидком чугуне, поддерживается ниже 2,1 %, продукт представляет собой сталь, а если выше этого значения, то продукт представляет собой чугун. Хотя жидкое железо может растворять углерод при содержании значительно выше 2,1 % углерода, твердое железо не может. Это приводит к другой твердой структуре чугуна (железо с общим содержанием углерода более 2,1 %).

Помимо C, все типы сталей содержат элемент марганец (Mn) и небольшое количество примесных атомов фосфора (P) и серы (S). Следовательно, стали можно рассматривать как сплавы трех и более элементов. Этими элементами являются Fe, C, добавки других элементов/элементов и примеси. Обычно состав стали подразделяют на две категории, а именно (i) простые стали C и (ii) легированные стали. В простых углеродистых сталях другие элементы состоят только из Mn, P и S, тогда как в легированных сталях добавляются один или несколько дополнительных легирующих элементов.

Твердые растворы аналогичны жидким растворам; то есть после того, как твердое вещество растворилось, его присутствие больше не очевидно для наблюдателя, как это было до его растворения (рис. 1). Атомы C помещаются в отверстия, которые существуют между атомами Fe гранецентрированного кубического (ГЦК) аустенита, присутствующего при этой температуре. Этот твердый раствор C в Fe представляет собой углеродистую сталь. На рис. 1 показаны центры атомов Fe в ГЦК-решетке. Если позволить каждой из маленьких сплошных точек расшириться, пока они не соприкоснутся друг с другом, в результате получится модель железа с ГЦК, как показано на рис. 1 (справа). Расширенные атомы Fe соприкасаются друг с другом по диагоналям граней куба. Маленькие незакрашенные кружки обозначают центр пустот между атомами железа. Если эти кружочки расширить до соприкосновения с атомами железа, то их максимальный диаметр будет равен 41,4 % от диаметра атома Fe. Это означает, что атомы размером менее примерно 42 % от диаметра атома Fe могут поместиться в отверстия между атомами Fe. Атомы С малы, но диаметр атомов С оценивается в 56 % от диаметра атомов Fe в аустените. Следовательно, когда C растворяется в железе, он немного раздвигает атомы Fe. Чем больше C растворяется, тем дальше раздвигаются атомы Fe. Таким образом, существует предел тому, сколько C может быть растворено в железе.

Рис. 1 Структура железа и растворение углерода в гранецентрированном кубическом железе

В чистом железе разница между ферритом и аустенитом заключается в разнице их атомных структур. Атомы Fe имеют объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру в феррите и ГЦК-кристаллическую структуру в аустените. Как в зернах феррита, так и в зернах аустенита эта атомная структура внутри зерна не изменяется. И феррит, и аустенит являются отдельными фазами. Когда C добавляется к аустениту для образования твердого раствора, твердый раствор имеет ту же самую ГЦК кристаллическую структуру, что и чистое железо. C от графита (рис. 1) как раз помещается между атомами железа. Кристаллическая структура остается ГЦК, единственное изменение заключается в том, что атомы Fe раздвинуты очень немного дальше друг от друга. И чистый аустенит, и аустенит с растворенным в нем С являются одной и той же фазой. Таким образом, аустенит (с растворенным в нем углеродом) и феррит (с растворенным в нем углеродом) — это две разные фазы, каждая из которых представляет собой сталь.

Низкоуглеродистые стали – гипоэвтектоидные стали

На фазовой диаграмме Fe-C представлена ​​карта температурно-составного состава двух фаз (аустенита и феррита). Он также указывает, где можно ожидать смеси этих двух фаз. Фазовая диаграмма Fe-C представлена ​​на рис. 2. В чистом железе аустенит превращается в феррит при охлаждении до 912°C.

Эту температуру перехода традиционно называют температурой A3, и диаграмма показывает, что добавление C к Fe снижает Температура А3. Принимая во внимание, что максимальное снижение происходит в так называемой эвтектоидной точке, которая также известна как перлитная точка. Эвтектоидная точка представляет собой температуру и состав на фазовой диаграмме, при которых происходит эвтектоидная реакция, то есть реакция, при которой одно твердое вещество превращается в два твердых вещества. Эвтектоидная точка в системе Fe-C имеет состав около 0,76 % C, а стали с составом меньше этого значения называются доэвтектоидными сталями. Эвтектоидную температуру традиционно называют температурой А1. 9Рис. 2. Диаграмма состояния железа и углерода координаты в узкой области в левом нижнем углу фазовой диаграммы Fe-C. Максимальное количество С, которое растворяется в ферритном железе, составляет всего 0,022 %. Это происходит при эвтектоидной температуре 727°С. Это означает, что феррит по существу является чистым железом, потому что он всегда 99,978 % или чище по углероду. Однако видно, что аустенит может растворять гораздо больше углерода, чем феррит. При эвтектоидной температуре аустенит растворяет около 0,76 % С, что примерно в 38 раз больше С, чем феррит может удерживать при этой температуре. Аустенит содержит больше углерода, чем феррит, поскольку дырки между атомами железа в ГЦК-структуре больше, чем в ОЦК-структуре.

Центральная область в левой части фазовой диаграммы Fe-C отображает точки температура-состав, в которых сталь состоит из смеси феррита и аустенита. Предположим, что микроскоп с горячим столиком используется для изучения полированной стали с содержанием углерода 0,4 % после ее нагрева до 760°С. Поскольку эта точка температурного состава находится в центральной области, сталь должна представлять собой смесь феррита и аустенит, два примера которого показаны в левой части фазовой диаграммы Fe-C.

Часть фазовой диаграммы в доэвтектоидной области показана на рис. 3. Она дает информацию о составе двух фаз. Аустенитные зерна имеют состав, указанный как N , а состав феррита, указанный как M на рис. 3.

В качестве еще одного примера полезности фазовой диаграммы можно рассмотреть простой эксперимент. Сталь состава 0,4 % С сначала нагревают до 850°С и выдерживают примерно 10 минут. После такой кратковременной выдержки все зерна в этой стали будут состоять из зерен чистого аустенита (структура ГЦК) с содержанием углерода 0,4 %. и видя область всего из трех зерен, как показано на рис.3. Теперь температура горячей стадии снижена до 760°С, и образец медленно охлаждается до этой температуры. При охлаждении происходит изменение микроструктуры. Согласно фазовой диаграмме, сталь после охлаждения становится двухфазной, смесью аустенита и феррита. Эксперименты показывают, что феррит, образующийся в чистом аустените при его охлаждении, практически всегда образуется на границах аустенитных зерен. Это показано в микроструктуре на рис. 3 (справа), где феррит сформировался в виде ряда альфа-зерен вдоль границ предшествующих аустенитных зерен.

Рис. 3 Часть фазовой диаграммы в гипоэвтектоидной области

Сравнение этой микроструктуры на рис. 3 с микроструктурой в нижней части рис. 3 (слева) показывает сходства и различия. Они похожи тем, что оба содержат смесь ферритных и аустенитных зерен с одинаковой объемной долей каждого из них, но отличаются тем, что распределение ферритных зерен совершенно различно. Микроструктура в нижней части рис. 3 (слева) обычно формируется при нагреве стали от комнатной температуры до 760°С. Этот пример объясняет один из интересных аспектов сталей, заключающийся в том, что микроструктуру можно контролировать с помощью термической обработки, и она Известно, что механические свойства сталей контролируются микроструктурой. Микроструктура стали обычно относится к определенной форме, размеру, распределению и типам фаз зерен в стали.

Высокоуглеродистые стали – заэвтектоидные стали

По мере увеличения % C, растворенного в аустените, атомы железа раздвигаются дальше друг от друга. Это растягивает химические связи, которые удерживают атомы железа вместе, создавая форму энергии, называемую энергией деформации. Существует предел тому, какую энергию деформации может выдержать аустенит. Количество С, растворенного в аустените при достижении этого предела, называется пределом растворимости. Предел растворимости в аустените при 820°С составляет 1% С. Если сплав, содержащий 1,6% С, нагреть до 820°С, только 1% из этих 1,6% С растворится в аустените. Оставшиеся 0,6 % C включаются в новую фазу, называемую цементитом. Эта новая фаза, цементит, имеет одно существенное отличие от аустенита или феррита. Это химическое соединение, которое существует только в одном составе. Формула химического элемента для цементита – Fe3C. На каждый атом C в соединении приходится три атома Fe, что дает атомный состав 25 атомных % C. Соответствующий весовой процент C в цементите составляет 6,7 %.

Помимо ограничения одним составом, цементит имеет несколько сходств с аустенитом и ферритом. Это кристалл, атомы которого расположены в регулярно повторяющихся геометрических рядах. Кристаллическая структура немного сложнее, чем ОЦК феррита или ГЦК аустенита, и она хорошо известна. Кроме того, это отдельная фаза и присутствует в виде дискретных зерен. Так, весь избыток 0,6 % С в данном примере при 820 град С присутствует в виде отдельных зерен цементита вперемешку с зернами аустенита, то есть микроструктура представляет собой двухфазную смесь аустенита и цементита.

Часть фазовой диаграммы Fe-C, расширенная до более высоких составов C, где цементит становится важным, показана на рис. 4. Область на карте температура-состав, соответствующая аустениту, показана как центральная темная область. Поскольку цементит существует только в одном составе, он показан на фазовой диаграмме в виде вертикальной линии, расположенной на его составе, 6,7 % С. Можно видеть, что ось состава в нижней части диаграммы имеет излом сразу за 1,2. %, а значение 6,7 % расположено рядом с изломом. Если бы разрыв не был вставлен, состав 6,7 % появился бы примерно на 300 мм вправо. Чтобы представить настоящую диаграмму, можно представить, что правая часть расширяется примерно на 300 мм, что расширяет отмеченную заштрихованную двухфазную область на гораздо большую площадь.

  Рис. 4 Часть фазовой диаграммы Fe-C в заэвтектоидной области

Линия на диаграмме с названием «Acm» определяет предел растворимости C в аустените. Видно, что при 820°С эта линия дает точку при 1% С, что является максимальным количеством С, которое может быть растворено в аустените при 820°С. Сплавы с содержанием С в составе справа от линии Acm находятся в заштрихованной двухфазной области и состоят из смеси зерен аустенита и цементита. Например, сталь с 0,95 % С нагревают до 760°С, точка температура-состав будет находиться в незаштрихованном кружке на рис. 4, через который проходит горизонтальная линия со стрелкой. Поскольку точка температура-состав находится в заштрихованной двухфазной области, эта сталь состоит из смеси аустенита состава O (0,85 % C) и цементита состава P (6,7 % C). Диаграмма не описывает, как будет выглядеть микроструктура. Тем не менее, эксперименты показывают, что микроструктура будет такой, как показано в нижней части рис. 4. Весь цементит представлен в виде мелких зерен сферической формы, довольно беспорядочно распределенных по аустенитным зернам, которые имеют гораздо большие размеры и типичные изогнутые границы зерен.

Чтобы дополнительно продемонстрировать использование фазовой диаграммы для понимания того, как изменяется микроструктура во время термообработки, можно рассмотреть эксперимент, в котором сталь с 0,95 % C нагревают до 850 ° C и выдерживают в течение 20 минут или около того. Как показано на фазовой диаграмме на рис. 4, эта точка температура-состав соответствует однофазной аустенитной области. Если предположить, что структуру можно наблюдать в микроскоп с подогревом столика, небольшая область, наблюдаемая при большом увеличении, может состоять всего из трех зерен, что будет иметь вид, аналогичный тому, что показан на рис. 4.9.0038

Если температуру горячей ступени понизить до 760 град С, то эта температурно-составная точка лежит в двухфазной области аустенит-цементит, а значит, при охлаждении должны образовываться зерна цементита. Как и в случае доэвтектоидной стали на рис. 3, где феррит образуется на границах аустенитных зерен во время охлаждения, здесь во время охлаждения на границах аустенитных зерен образуется цементит. Как показано на рис. 4, окончательная микроструктура имеет все прежние границы аустенитных зерен из структуры при 850°C, заполненные тонкими пластинчатыми зернами цементита. Отличие микроструктуры от показанной на рис. 4 (внизу слева), где сталь с 0,95 % С нагревали непосредственно от комнатной температуры до 760°С. Обе микроструктуры содержат одинаковую объемную долю цементита и аустенита, но распределение цементита совершенно различно. В отличие от аустенита и феррита цементит очень хрупок. Следовательно, структура стали 0f 0,95 % C на рис. 4 с ее соединенными между собой цементитными пластинами не такая прочная, как структура на рис. 4 (нижняя левая сторона) с ее мелкими изолированными зернами цементита. Опять же, это пример того, как термическая обработка может изменить микроструктуру, что, в свою очередь, изменяет механические свойства.

Эвтектоидная сталь – перлит

Стали с содержанием углерода около 0,76 % образуют уникальную микроструктуру, называемую перлитом. На рис. 5 представлена ​​фазовая диаграмма Fe-C, на которой область ниже линии A1, равная 727°C, заштрихована темным цветом. Вся эта область представляет собой двухфазную область. Стали, медленно охлаждаемые до температурных координат этой области, состоят из смеси двух фаз, феррита и цементита. Микроструктуры сталей в этой двухфазной области сильно различаются, и перлит является лишь одной из многих микроструктур, которые могут встречаться.

Чтобы понять микроструктуру перлита, сталь, имеющую С около 0,76 %, нагревают в микроскопе с горячим столиком до 800°С. Как показано на рис. 5, сталь состоит из всех аустенитных зерен всего через одну или две минуты при температуре 800°. C. После охлаждения до температуры ниже А1 и выдержки от 5 до 10 минут или около того аустенитные зерна полностью замещаются новым набором перлитных зерен, как показано на рисунке. В отличие от всех структур зерен, описанных до сих пор, зерна перлита не являются одной фазой. Скорее, они состоят из смеси двух фаз, феррита и цементита, имеющих уникальную микроструктуру. Чтобы увидеть истинные детали микроструктуры, можно рассмотреть небольшую область внутри зерна перлита при очень большом увеличении, как показано на рис. 5 (слева). Структура состоит из чередующихся пластин феррита и цементита. Ферритовые пластины намного толще цементитных и занимают 90 % объема по сравнению с 10 % для цементита. На границах зерен перлита происходит резкое изменение ориентации пластин, как это показано для реального образца на рис. 5 (справа). Эта микроструктура получена с помощью просвечивающего электронного микроскопа при увеличении в 11 000 раз.

Рис. 5 Часть диаграммы Fe-c в эвтектоидной точке и изображение перлита

На этом электронно-микроскопическом изображении пластины цементита представляют собой светлую фазу, а пластины феррита — темную фазу. Цементитные пластины имеют толщину всего 0,1 микрометра и слишком тонкие, чтобы их можно было рассмотреть в оптический микроскоп. Хотя цементит является хрупким, перлит — нет, в основном из-за мелкого размера цементитных пластин. Если теперь эту сталь охладить от температуры 700°C до комнатной температуры, микроструктура существенно не изменится, независимо от того, насколько медленно или быстро сталь охлаждается. Феррит остается почти чистым ОЦК-железом с растворенным в нем менее 0,02 % С, а цементит остается с 6,7 % С с неизменной кристаллической структурой.

Согласно фазовой диаграмме, при охлаждении аустенита ниже температуры А1 и кратковременной выдержке аустенит полностью замещается какой-либо формой феррито-цементита, а при охлаждении до комнатной температуры дальнейшие изменения в образующемся феррите отсутствуют. -происходит цементитная микроструктура. Аустенит никогда не встречается в простых углеродистых сталях при комнатной температуре. Исключением из этого правила являются закаленные стали с высоким содержанием углерода, которые содержат смеси мартенсита и остаточного аустенита. Это означает, что микроструктуры, содержащие аустенит, можно увидеть только в микроскоп с горячим предметным столиком, поскольку при охлаждении аустенит заменяется другими структурами. При высоких скоростях охлаждения (например, при закалке в воде и масле) к ним относятся мартенситная и бейнитная структуры. При скоростях охлаждения на воздухе и медленнее (например, при охлаждении в печи) аустенит превращается в некоторую форму ферритоцемента.

Номенклатура A1, Ae1, Ac1 и Ar1

Фазовая диаграмма Fe-C, показанная на рис. 2, называется равновесной фазовой диаграммой. Это означает, что температуры превращения, указанные линиями «А», были определены при чрезвычайно низких скоростях охлаждения или нагревания, при которых достигаются равновесные условия. Линии A3, Acm и A1, которые появляются на равновесных фазовых диаграммах, часто изображаются как линии Ae3, Aecm и Ae1 соответственно, где буква «e» указывает на условия равновесия. Отсутствие буквы «е» подразумевает условия равновесия.

Рассмотрим снова процесс, объясненный для понимания микроструктуры перлита. Диаграмма на рис. 5 показывает, что при охлаждении аустенитных зерен примерно до 727°С из аустенита начинает формироваться перлит. Это происходит только в том случае, если аустенит охлаждается очень медленно. Даже при небольших скоростях охлаждения, таких как 3°С в минуту, температура превращения снижается примерно на 20°С. Это означает, что фазовую диаграмму Fe-C можно использовать только в качестве приблизительного ориентира для оценки температур превращения. Мало того, что превращение аустенита в перлит при охлаждении смещается вниз по температуре, обратное превращение перлита в аустенит при нагревании смещается вверх по температуре. Величину этого сдвига при охлаждении и нагревании можно продемонстрировать на простом эксперименте.

Французский ученый Флорис Осмонд, ответственный за название мартенсита, также несет ответственность за использование букв «r» и «c» для сдвига линий «A» при охлаждении и нагреве. В конце 19 века он был первым ученым, который использовал термопары для измерения влияния скорости нагрева и охлаждения. Буква «r» происходит от французского слова «охлаждение», «refroidissement», а буква «с» происходит от французского слова «обогрев», «шофаж».

В «чистом железе», когда аустенит превращается в феррит при охлаждении, выделяется тепло, а когда феррит превращается в аустенит при нагревании, тепло поглощается. Линии A3 и A1 диаграммы чистого Fe-C смещены вниз по температуре из-за марганца (Mn) и кремния (Si), присутствующих в типичной стали, имеющей состав C-0,18 %, Mn-0,75 % и Si. — 0,2 % к значениям А1 как 725°С и А3 как 824°С. Данные нагрева показывают, что около 737°С скорость повышения температуры резко снижается. Это происходит из-за тепла, поглощаемого образцом, когда перлитная часть стали превращается в аустенит. Это означает, что линия А1 сместилась вверх на 12°С, с 725°С до 737°С. Фактическую температуру превращения при нагреве принято обозначать как Ас1. Величина сдвига вверх зависит от скорости нагрева. Если скорость нагрева увеличивается выше значения 40 град С в минуту, значение Ac1 увеличивается.

При охлаждении происходит обратный эффект. Тепло, выделяющееся в типичной стали с составом C-0,18 %, Mn-0,75 % и Si-0,2 % при превращении аустенита в феррит или перлит, замедляет скорость снижения. Этот эффект виден как для превращения аустенита в феррит ниже температуры A3, так и для превращения аустенита в перлит ниже температуры A1. Первое превращение начинается при 762 °С, что на 62 °С ниже температуры А3, равной 824 °С, а второе происходит при 652 °С, что на 73 °С ниже температуры А1, равной 725 °С. чтобы отметить фактические температуры превращения, которые происходят при охлаждении, как температуры Ar3 и Ar1. Видно, что скорость охлаждения, показанная на рис. 6, в три раза больше скорости нагрева.