Диаграмма состояния железо-углерод
Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe3C
Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов:
Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит. 1. Железо– переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539o С . 2. Углеродотносится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой или в форме алмаза со сложной кубической решеткой. В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах). 3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.
Фазы железоуглеродистых сплавов
В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит. 1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. 2. Феррит (Ф) (C) – твердый раствор внедрения углерода в a-железо.3. 3.Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в g-железо.
Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов
Линия АВСD– ликвидус системы. На участке АВ начинается кристаллизация феррита (), на участке ВС начинается кристаллизация аустенита, на участке СD – кристаллизация цементита первичного. Линия AHJECF – линия солидус. – конец кристаллизации. На линии HJB идет перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (), в результате чего образуется аустенит LB +Фн→AJ . На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного. По линии GSпревращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита.По линии МО при постоянной температуре 768o С имеют место магнитные превращения. По линии PSK при постоянной температуре 727o С идет эвтектоидное превращение,заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного. По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита.
Углеродистые стали
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали
C увеличением в стали углерода возрастает твердость, временное сопротивление, предел текучести, но уменьшается относительное удлинение, относительное сужение, удельная вязкость. При содержании в стали углерода более 1% ее твердость возрастает, а временное сопротивление уменьшается. Это объясняется выделением по границам бывшего зерна аустенита вторичного цементита, образующего сплошную сетку. При испытаниях на растяжение в этой сетке возникают высокие напряжения и цементит, будучи хрупким разрушается. Увеличение содержания углерода сверх 0,4% и уменьшение ниже 0,3% приводит к ухудшению обрабатываемости резанием. Увеличение содержания углерода снижает технологическую пластичность стали при горячей и в особенности при холодной обработке давлением, ухудшает свариваемость.
Углеродистая сталь –многокомпонентный сплав, содержащий кроме железа и углерода ряд постоянных или неизбежных примесей : Mn , Si, S, P, O, N, H и др. которые оказывают влияние на ее свойства.
ВЛИЯНИЕ МАРГАНЦА И КРЕМНИЯ
Содержание кремния в виде примеси составляет обычно до 0,4%, марганца – до 0,5-0,8% . Марганец и кремний переходят в сталь в процессе ее раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь. Раскисление улучшает свойства сталей. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний сильно повышает предел текучести стали. Марганец повышает прочность стали, не снижая ее пластичности. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.
ВЛИЯНИЕ СЕРЫ
Сера является вредной примесью. Образуя с железом химическое соединение FeS и реагируя с железом оно образует легкоплавкую эвтектику. Эвтектика образуется даже при очень малых количествах серы. Кристаллизуясь из жидкости, эвтектика располагается по границам зерен, при нагреве стали до температур прокатки или ковки эвтектика расплавляется , нарушая связь между зернами. В местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость.марганец уменьшает красноломкость Сернистые соединения сильно снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность. Содержание серы не должно превышать 0,035 – 0,06 %
ВЛИЯНИЕ ФОСФОРА
Фосфор – вредная примесь. Содержание его не должно превышать 0,025 – 0,045 %. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку, увеличивает временное сопротивление и снижает пластичность и вязкость. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации.