Углеродистые стали в равновесном состоянии
Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2.14 % углерода, называются сталями.
Классификацию углеродистых сталей производят:
а) по структуре в равновесном (отожженном) состоянии;
б) по назначению;
в) по способу производства (качеству).
Стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и гарантируемых ГОСТом характеристик подразделяются на три группыА, Б и В.
В сталях группы А ГОСТ гарантирует механические свойства. Стали этой группы маркируются буквами Ст и номером 1, 2, 3,.. ..., 7. Если после марочного обозначения стоит индекс "кп", значит сталь кипящая; если стоит индекс "пс" - сталь полуспокойная; если таких букв нет - сталь спокойная.
Группа Б. ГОСТ гарантирует определенный химический состав. Выпускаются стали следующих марок: мартеновские - МСт.0, МСт.1, МСт.2,..., МСт.7; конвертерные - КСт.0, КСт.1, ..., КСт.7; бессемеровские БСт.0, БСт.1, БСт.2, ..., БСт.6.
Стали группы В поставляются с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом. Маркируются буквой В и цифрой - BСт.1, BСт.2, BСт.З и т.д.
Цифры во всех группах указывают на то, что предел прочности и предел текучести с увеличением цифры растут, а относительное удлинение (пластичность) падает.
Качественные стали по назначению могут быть:
- строительные,0,3-0,37% С;
- конструкционныесодержат до 0,85% углерода;
Инструментальные- от 0,7% С и выше.
Конструкционные углеродистые стали изготавливают следующих марок: 05кп, 10кп, 10, 15кп, 15, ... ..., 30, 35, 40, 45, ..., 85.
В этих сталях цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Инструментальные углеродистые стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента.
Высококачественные стали обладают высокой чистотой в отношении неметаллических включений, содержат пониженное количество серы, фосфора (S до 0,02%, P до 0,03%) и остальных примесей, имеют более суженные пределы по содержанию углерода, кремния и марганца по сравнение с качественными сталями, обладают строго регламентированными механическими свойствами, имеют определенный размер наследственного зерна и т.д.
Маркируются эти стали так же, как и качественные, но в конце марки ставится буква А, показывающая, что сталь является высококачественной.
Основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния железо-углерод (рис.1). Из диаграммы следует, что структура сплавов, находящихся в равновесном состоянии, определяется содержанием в них углерода.
Феррит
Феррит на диаграмме состояния занимает область GPQ.
Структура сплава с содержанием углерода до 0,025% состоит из феррита и третичного цементита, располагающегося по границам зерен феррита (рис.2в). Выделение цементита происходит в связи с тем, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите падает.
Максимальная растворимость углерода в Fea:
- при температуре 725°С равна 0,025%;
- при 0°С - примерно 0,006%.
Феррит (почти чистое железо) обладает магнитными свойствами и является самой пластичной и мягкой составляющей железо-углеродистых сплавов.
Механические свойства железа характеризуются следующими величинами (I — техническое, II — прямого восстановления, III — сверхчистое):
I II III
Предел прочности при растяжении, МПа 250 200 50
Предел текучести при растяжении, МПа 120 100 25
Удлинение, % 50 60 70
Сужение, % 85 90 100
Твердость НВ 80 70 60
Электролитическое железо (отожженное) обладает следующими механическими свойствами:
sпр - предел прочности - 18-25 кГ/мм2;
sТ - предел текучести - 10-14 кГ/мм2;
d - относительное удлинение - 40-50%;
y - поперечное сужение - 70-80%;
НВ - твердость по Бринелю - 45 -55 кГ/мм2;
aн - ударная вязкость - 18-25 кГм/см2
Перлит
С увеличением содержания углерода более 0,025% в структуре сплава появляется перлит.
Перлит – это этектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита.
Образуется перлит при распаде ауcтенита определенного состава - 0,83% С, при температуре 727°С.
Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и равно 0,083% С.
При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной части перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под микроскопом виден как чередующиеся темные и светлые полоски.
В зависимости от формы цементита различают:
а) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин (рис. 3); последние образуют равномерную механическую смесь, которая, если рассматривать структуру, похожа на перламутр (отсюда и название перлит);
б) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен (рис. 4), расположенных в феррите. Структуру зернистого перлита получают путем специальной термической обработки на зернистый перлит.
Рис. 3. Пластинчатый перлит
Рис. 4. Зернистый перлит
Зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость пластинчатого перлита НВ 200-250, зернистого НВ 160-220.