2. Диаграмма состояния системы «железо – углерод». Марки углеродистых сталей применяемых в строительных конструкциях.

Рис. 2 Диограмма состояния «железо – углерод»

Начало изучения диаграммы состояния системы железо – углерод связано с открытием критических точек в стали Д. К. Черновым в 1868 г.

На рис. приведена полная диаграмма состояния системы

(стабильная система железо-углерод Fe—С и метастабильная система железо - цементит Fe—FeC).

Метастабильная система Fe—Fe3C. Практическое превращение δ+ж↔γ протекает при 1494±2°С.

Предельная концентрация углерода в δ-фазе (точка Н) отвечает 0,1 % (по массе), или 0,46% (ат.).

Для точки A приняты значения 0,16% (по массе), или 0,74% (ат.), для точки В — значения 0,51% (по массе), или 2,33% (ат.). По данным термического анализа , линия ликвидус δ-фазы АВ — почти прямая, точке В соответствует 2,47% (ат.), предельная растворимость углерода в δ-Feсоставляет 0,5 % (эт.). Температура перитектической горизонтали равна 1496±2°С, точке 1 отвечает 0,18 % (но массе), или 0,83 % (эт.).

Кривая ликвидус аустенита ВС, установленная по данным Руэра, Хондо, Эдкока, Умино и др.

Предельная растворимость углерода в γ-Fe при 1147°С составляет 2,14% (по массе), или 9,2% (ат.) ; при 1150°С 2,02% (по массе), или 8,7 % (ат.).

Кривая ликвидус цементита CD экспериментально не фиксируется. Первичный цементит выделяется только при закалке расплавов, содержащих до 5,5 % (по массе) С, а при нагреве белых заэвтектических чугунов цементит разлагается до плавления (Fe3C->Fe+Crp) . По расчетным данным, виртуальная Температура плавления цементита оценивается равной 1200—1450 °С .

Возможно, цементит испытывает инконгруэнтное разложение при 1250—1300°С.

В высокоуглеродистых сплавах, содержащих более 6,7 % (по массе) С после закалки из жидкого состояния в медную изложницу и ледяную воду наблюдали только Fe3C; других карбидов не обнаружено . Таким образом, метастабильная система при нормальном давлении ограничена цементитом. При повышении давления стабилизируются высшие карбиды Fe7C3, Fe2C и Салм, однако при давлении 0,1 МПа выделение карбидов FeхC (Fe2C) наблюдали лишь при низкотемпературном отпуске закаленной стали.

Температура эвтектической горизонтали ECF принята равной 1147°С, эвтектике (точке С) соответствует 4,30%

(по массе), или 17,28 % (ат.) С .

Превращение у↔а (A3, кривая GS), исследованное многими авторами, также подтверждено последующими работами.

Эвтектоидная точка, находится при 723 °С и 0,76 % (по массе), или 3,44% (ат.). растворимость цементита в α-Fe(кривая PQ) очень мала и составляет 0,02% (по массе), или 0,095 % (ат.) растворимость цементита в a-Feпри 723 °С равна 0,025 % (по массе).

Кристаллическая структура. Феррит имеет о. ц. к. структуру a-Fe. Период решетки a-Feравен 0,2862 им при 20 °С и линейно возрастает до 0,2899 нм при 910 °С . При 769 °С (точка Кюри) ферромагнитное a-Feпереходит в «немагнитное α-Fe» (точнее, в упорядоченное антиферромагнитное β-Fe) . Вследствие малой растворимости углерода в a-Fe[0,02 % (по массе)] период решетки Тk-феррита практически такие же, как и чистого a-Fe. Атомы углерода в феррите занимают преимущественно октапоры. Выше 1392 °С γ-Fe превращается в парамагнитную δ-фазу, существующую при 1392—1536 °С. Период решетки о. ц. к. δ-Fe равен 0,2925 нм при 1392 °С и линейно растет до 0,2935 нм при 1536 °С . Температурная зависимость периода решетки для α-(β-) и γ-Fe различны. Период решетки δ-феррита с повышением температуры увеличивается сильнее, чем α (β)-фазы и, повидимому, растет с увеличением содержания углерода.

Аустенит имеет г. ц. к. структуру γ-Fe. Период решетки γ-Fe линейно возрастает от 0,3637 нм при 911 °С до 0,368 нм при 1390 °С . углерод растворяется в γ-Fe в виде С4+ и занимает октапоры, образуя твердые растворы внедрения. С увеличением содержания углерода в аустените период решетки γ-фазы увеличивается.

Цементит Fe3C имеет ромбическую структуру .Периоды решетки: а=0,45244±0,0005 нм, b = 0,50885±0,0005 нм, с=0,67431± ±0,0005 нм; Температура перехода цементита из ферромагнитного в парамагнитное состояние (Тс) равна 215°С .

Карбид Fe7C3 получен только при высоких давлениях. Он имеет гексагональную структуру типа Сr7С3.

Периоды решетки а=0,6882 нм, с=0,4540 нм. Установлено существование метастабильного карбида Fe2C

(ε-карбид), выделяющегося при отпуске стали. При 150—200°С из закаленной стали выделяется ε-карбид с гексагональной решеткой, имеющей периоды а=0,627 нм, с=0,214 нм. Высшие карбиды весьма неустойчивы и при построении диаграммы состояния при нормальных условиях не учитываются.

Стали, применяемые в строительстве.

Строительные стали, применяемые для изготовления стальных конструкций, разделяются на малоуглеродистые и легированные. Они должны обладать высокой прочностью, вязкостью и хорошей свариваемостью.

Углеродистые стали представляют собой сплавы железа и углерода. Постоянными примесями в них являются марганец, кремний, сера и фосфор.

Для получения более качественных и легированных сталей вводят специальные легирующие добавки (присадки) - хром, никель, марганец, ванадий и др.

Легированные стали более прочны и обладают высокими механическими свойствами.

В строительстве в основном применяют мягкую малоуглеродистую сталь марки Ст. 3 с содержанием углерода до 0,22%. Эта сталь прочна, хорошо сваривается и не закаливается, достаточно пластична и однородна.

Механические свойства стали зависят в основном от количества углерода и легирующих добавок, содержащихся в стали, так как чистое железо (феррит) обладает низкими механическими свойствами.

Прочность стали возрастает с увеличением процента содержания углерода. Однако увеличение процента содержания углерода снижает пластичность стали, увеличивает хрупкость и ухудшает свариваемость. Содержание углерода в строительных сталях не превышает 0,22%.

Существенно увеличивает прочность стали без заметного снижения пластичности марганец, который является полезной примесью и всегда присутствует в сталях в количестве от 0,4 до 0,05%.

Кремний также повышает прочность стали, но ухудшает свариваемость и стойкость против коррозии, поэтому содержание кремния в стали ограничивается 0,3%.

Наконец, очень полезной, но более дорогой добавкой является медь, которая повышает прочность стали в меньшей мере, чем марганец и кремний, но значительно улучшает стойкость стали против атмосферной коррозии.

Наряду с указанными полезными добавками сталь содержит и вредные примеси: фосфор, серу, азот и кислород.

Фосфор делает сталь хладноломкой (хрупкой при пониженных температурах), а сера - красноломкой (трещиноватой при температурах 800-1000°). Во время ковки такая сталь дает трещины, а при значительном содержании серы даже разрушается.

Повышенное содержание фосфора недопустимо для сталей, подверженных действию динамических нагрузок, и в конструкциях, работающих в условиях низких температур. Поэтому процент содержания фосфора и серы в строительных сталях ограничивается 0,05%.

Весьма вредными примесями являются кислород и азот, которые попадают в сталь из воздуха при ее выплавке. Азот делает сталь хрупкой и хладноломкой. Кислород действует, как сера, но в более сильной степени.

Конвертерную кипящую сталь вследствие большого содержания кислорода, азота и других вредных примесей применяют только для неответственных клепаных конструкций.

В некоторых случаях для изготовления неответственных конструкций применяют также сталь марки Ст. 0.

Сталь обыкновенного качества маркируют буквами Ст. и номером от 0 до 7. Чем выше марка стали, тем больше содержание углерода в ней, тем она более прочна и менее пластична.

По условиям поставки, в соответствии с ГОСТ 380-50, стали делятся на две группы:

группа А - сталь, поставляемая по механическим свойствам;

группа Б - сталь, поставляемая по химическому составу.

Сталь, поставляемая по химическому составу, помимо номера, имеет букву Б или М. Буква указывает на способ производства: Б - бессемеровский, М - мартеновский. Например, БСт. 5 означает бессемеровскую сталь номер 5.

Углеродистая сталь обыкновенного качества, применяемая для изготовления строительных конструкций, должна вырабатываться мартеновским способом.

Для ответственных сварных конструкций, воспринимающих динамическую нагрузку, применяют спокойную мартеновскую сталь, поставляемую по группе А, с дополнительными гарантиями по группе Б в части предельного содержания углерода, фосфора и серы.

Для тяжелых конструкций мартеновских цехов, в мостостроении и других областях наряду со сталью Ст. 3 и другими марками применяют легированные стали повышенного качества, имеющие более высокие механические характеристики, получаемые за счет введения дополнительных присадок - марганца, кремния, хрома, никеля и меди. Они также относятся к сталям малоуглеродистым с содержанием углерода до 0,18%. По ГОСТ 5058-57 эти стали называются сталями НЛ (низколегированные). В строительстве преимущественно применяют низколегированные стали марок НЛ1 и НЛ2.

В настоящее время получают распространение новые марки низколегированных сталей - 14Г2 и 15ХСНД.

Сталь 15ХСНД будет применяться в строительных конструкциях вместо стали НЛ2, которой она соответствует по своим механическим качествам.

Низколегированная марганцовистая сталь 14Г2 также обладает высокими механическими свойствами, низким пределом хладноломкости (ниже - 40°), выносливостью при переменных нагрузках, хорошо обрабатывается и сваривается (на тех же режимах, что и сталь НЛ2). Эти свойства должны обеспечить ей в ближайшем будущем широкое применение в строительных конструкциях.

Марку низколегированной стали, так же как и углеродистой, обозначают буквами и цифрами. Буквы показывают, какие низколегированные элементы введены в сталь и обозначают: Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, М - молибден, Д - медь. Цифры, стоящие перед буквами, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, а цифры, следующие за буквами, - на среднее содержание соответствующего легирующего элемента. В тех случаях, когда среднее содержание легирующих элементов менее 2%, после буквы, обозначающей этот элемент, цифра не ставится.

Наряду с большой прочностью низколегированные стали обладают высокой ударной вязкостью при пониженных температурах и хорошей коррозийной стойкостью. Хотя стоимость низколегированной стали примерно на 25% выше стоимости стали Ст. 3, применение ее позволяет снизить вес конструкций на 35- 40%, что является экономически целесообразным. Углеродистые и низколегированные стали выплавляют в мартеновских печах.