Э_Г_Бабенко конструкционные материалы

вания феррита. Следовательно, по обе стороны пластинки цементита растут пластинки феррита (рис. 44, а).

а		б
Ф	Ц	Новое зерно
		перлита

Граница зерна аустенита

Граница зерна аустенита

Рис. 44. Схема образования перлита: а – образование первого зерна; б – образование следующе-

го зерна

Рост пластинки феррита ввиду малой растворимости в ней углерода приводит к вытеснению излишков последнего в соседние участки аустенита, где образуется новая пластинка цементита. Семейство пластинок феррита и цементита составляет зерно перлита. Граница зерна перлита сама становится поверхностью, от которой начинается формирование второго зерна (рис. 44, б). Значит, в пределах одного аустенитного зерна могут об-

разовываться несколько перлитных зерен.
В результате превращения аустенита в
перлит образовавшийся феррит содержит
углерода 0,02 % (соответствующее точке
Р, рис. 43). При дальнейшем охлаждении
эвтектоидной стали такое количество уг-
лерода в феррите содержаться не может
из-за ограниченной растворимости (линия
QP). Поэтому излишки углерода, выделя-
ясь из феррита, способствуют образова-
нию цементита третичного. Этот цементит
в структуре стали виден не будет, так как	Рис. 45. Структура перлита, × 1000
он присоединяется к цементиту, входя-

щему в состав перлита. Таким образом, после полного охлаждения структура эвтектоидной стали (С = 0,8 %) будет состоять только из перлита: П(Ф + ЦII). Структура перлита приведена на рис. 45, из которого видно пластинчатое строение смеси феррита и цементита.

Толщина пластинок феррита и цементита не одинакова. Пластинки феррита толще пластинок цементита в среднем в 7,5 раз. Очень важной характеристикой перлита служит межпластинчатое расстояние, которое равно суммарной толщине соседних пластин феррита и цементита или расстоянию между ближайшими пластинками одной фазы. При медленном

61

А0,8

Рис. 46. Структура доэвтектоидной стали (0,4 % С). Светлые зерна – феррит; темные – перлит, × 250

охлаждении образуется крупнопластинчатый перлит с межпластинчатым расстоянием 0,5…1,0 мкм. При увеличении скорости охлаждения образуется более тонкопластинчатый перлит.

Суменьшением толщины пластин феррита и цементита увеличиваются твердость и прочность стали. Изменяя скорость охлаждения, можно получать перлит разной дисперсности, регулируя свойства стали в широком диапазоне.

Сп л а в III – доэвтектоидная сталь.

Кристаллизация сплава происходит в интервале температур, соответствующих точкам 10 и 11 (см. рис. 43). Образовавшийся аустенит с переменным составом по углероду до критической точки 12 никаких фазовых превращений не претерпевает. В интервале температур, соответствующих точкам 12–13, происходит превращение аустенита в феррит, вызываемое сменой решеток Feγ ↔ Feα, причем первыми такое превращение претерпевают решетки с более низким содержанием углерода. Так как феррит содержит очень мало углерода, его излишки диффундируют в остающийся аустенит. Увеличение концентрации углерода в аустените можно проследить по линии GS, используя правило отрезков.

По достижении сплавом температуры 727 °С (точка 13) оставшийся аустенит насыщается углеродом до 0,8 % (точка S), т. е. создаются условия для образования перлита. В результате аустенит распадается с образованием эвтектоида:

→ П (Ф0,02 + ЦII).

После эвтектоидного превращения структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. При дальнейшем охлаждении ввиду ограниченной растворимости углерода в феррите (линия QP) из него выделяется цементит третичный. После окончательного охлаждения структура сплава состоит из феррита, перлита

и цементита третичного: Ф + ЦIII + П (Ф +

+ Ц II+ ЦIII). В связи с тем, что количество третичного цементита незначительно, в

структуре стали он не виден, так как присоединяется к цементиту, входящему в перлит. Структура доэвтектоидной стали

приведена на рис. 46. Как видно из диаграммы, аналогичные превращения происходят и в любой другой доэвтектоидной стали при ее охлаждении. С увеличением содержания углерода в сплаве уменьшается количество ферритной фазы, а количество перлита увеличивается, что повышает такие механические свойства, как твердость, прочность и др.

62

С п л а в V – заэвтектоидная сталь.

Образовавшийся в результате кристаллизации (между точками 16 и 17) аустенит до температуры, соответствующей точке 18, никаких фазовых превращений не претерпевает. При достижении критической точки 18 наступает предельная растворимость углерода (линия SE). При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в аустените понижается, так как уменьшаются параметры всех решеток Feγ. Поэтому в интервале температур 18–19 из аустенита выделяется углерод, который образует вторичный цементит, располагающийся по границам зерен. К температуре 727 °С (точка 19) аустенит обедняется углеродом до концентрации 0,8 % (соответствующей точке S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения: А0,8 → П (Ф0,02 + ЦII). По окончании этого превращения структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и расположенного по границам

зерен цементита вторичного. При даль-
нейшем охлаждении из-за ограниченной
растворимости углерода в феррите (вхо-
дящего в состав перлита) из него выделя-
ется цементит третичный, который струк-
турно не выявляется, сливаясь с цементи-
том вторичным в составе перлита. После
окончательного охлаждения структура за-
эвтектоидной стали состоит из перлита и
цементита вторичного, расположенного в
виде сетки по границам зерен перлита.
Структура заэвтектоидной стали приведе-	Рис. 47. Структура заэвтектоидной
на на рис. 47.	стали (С = 1,2 %), × 200

Такую структуру будет иметь любая заэвтектоидная сталь. С увеличением содержания углерода количество вторичного цементита в стали увеличивается. Максимальное количество вторичного цементита в заэвтектоидной стали с содержанием углерода 2,14 % составляет примерно 20 %.

Таким образом, после полного охлаждения в равновесных условиях стали будут иметь следующие структуры:

–доэвтектоидные – Ф + П (Ф + ЦII);

–эвтектоидные – П (Ф + ЦII);

–заэвтектоидные – П (Ф + ЦII) + ЦII.

Сувеличением в стали содержания углерода растет количество цемен-

титной составляющей как в составе перлита, так и в свободном состоянии. Это ведет к повышению твердости и прочности, но понижаются пластичность и вязкость.

Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увеличение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, ухудшает свариваемость.

63

3.1.5. Эвтектическое превращение

Сплавы, претерпевающие эвтектическую кристаллизацию с образованием ледебурита при температуре 1147 °С, содержат углерода более 2,14 % и относятся к белым чугунам. Белыми чугуны называются потому, что весь углерод в них находится в связанном состоянии (в виде цементита), и их излом светлый блестящий.

Рассмотрим какие превращения происходят в белых чугунах при их охлаждении от температуры в жидком состоянии до комнатной. На рис. 48 приведена правая часть диаграммы Fe–Fe3C, соответствующая таким сплавам.

T,оС	I		II		III
		1			5
	E	2		C	6	1147
	S	3	4		7	727
Fe
0,8	2,14	C,%	4,3			6,67

T,оС	I	II	III
D
	1		5
F		2	C	6
	2	C	6
K		3	4	7
		3	4	7
				Время

Рис. 48. Часть диаграммы Fe-Fe3 C (С > 2,14 %) и кривые охлаждения сплавов

С п л а в II – эвтектический белый чугун (С = 4,3 %).

Сплав кристаллизуется при температуре 1147 °С (точка С) с образованием эвтектики – ледебурита: Ж4,3 → Л [А2,14 + ЦI]. Ледебурит представляет собой механическую смесь кристаллов аустенита с содержанием углерода 2,14 % и кристаллов цементита первичного (т. е. выделяющегося из жидкой фазы).

При дальнейшем охлаждении чугуна в интервале температур 1147 °С (точка С) и 727 °С (точка 4) ограниченная растворимость углерода в аустените (линия SE) приводит к диффузии его излишков из решетки Feγ и образованию цементита вторичного. Структура ледебурита изменяется и приобретает вид: Л [А + ЦI + ЦII]. При достижении температуры 727 °С (точка 4) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S) и этим самым создаются условия для его эвтектоидного превращения. В результате аустенит, находящийся в составе ледебурита, распадается на эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного, и чугун приобретает следующую

64

структуру: Л [П (Ф0,02 + Ц II) + Ц I + Ц II]. При дальнейшем охлаждении сплава из-за ограниченной растворимости углерода в феррите из него выделя-

ется цементит третичный, который структурно не выявляется. При окончательном охлаждении структура эвтектического белого чугуна состоит из ледебурита состава: перлит + цементит первичный + цементит вторичный.

С п л а в I – доэвтектический белый чугун (2,14 % < С < 4,3 %). Кристаллизация сплава начинается при температуре, соответствующей

точке 1, с выделения из жидкой фазы кристаллов аустенита. При понижении температуры концентрация углерода в расплаве изменяется по линии ликвидус и к моменту окончания кристаллизации (1147 °С, точка 2) достигает эвтектического состава (точка С). В результате оставшаяся жидкая фаза претерпевает эвтектическое превращение с образованием ледебурита. Окончательно закристаллизовавшийся сплав будет иметь следующую структуру:

А2,14 + Л [А2,14 + ЦI].

При дальнейшем понижении температуры, ввиду ограниченной растворимости углерода в аустените (линия SE), из него выделяется цементит вторичный. Причем это происходит как в свободных кристаллах аустенита, так и в аустените в составе ледебурита:

А+ ЦII + Л [А + ЦII + ЦI].

Ктемпературе 727 °С (точка 3) аустенит обедняется углеродом до 0,8 % (точка S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения.

Врезультате такого превращения структура чугуна приобретает следующий вид:

П(Ф0,02 + ЦII) + ЦII + Л [П (Ф0,02 + ЦII) + ЦII + ЦI].

При дальнейшем охлаждении чугуна из феррита выделяется цементит третичный, который структурно не обнаруживается.

С п л а в III – заэвтектический белый чугун (4,3 % < С < 6,67 %). Кристаллизация этого сплава начинается в точке 5 с выделения кри-

сталлов цементита первичного. При последующем охлаждении жидкая фаза обедняется углеродом по линии ликвидус (СД) и к моменту окончания кристаллизации (точка 6) достигает эвтектического состава (4,3 % С, точка С). В результате эвтектического превращения оставшейся жидкости сплав будет состоять из кристаллов цементита первичного и ледебурита:

ЦI + Л [А2,14 + ЦI].

При дальнейшем понижении температуры до окончательного охлаждения чугуна кристаллы цементита первичного никаких превращений не претерпевают, а изменения в структуре ледебурита будут аналогичны изменениям, происходящим в сплавах I и II.

65

Окончательно структура заэвтектического чугуна будет следующая:

ЦI + Л [П (Ф0,02 + ЦII) + ЦII + ЦI].

Микроструктура белых чугунов приведена на рис. 49.

а

б

в

Рис. 49. Микроструктуры белых чугунов: а – доэвтектического, × 100; б – эвтектического, × 500; в – заэвтектического, × 500

При микроисследовании структур белого чугуна, особенно таких, в которых много ледебурита, различить вторичный и третичный цементит практически не представляется возможным, так как он сливается с эвтектическим цементитом.

Обязательной структурной составляющей белых чугунов является ледебуритная эвтектика, которая отличается большой хрупкостью, а это вызывает хрупкость чугунов. Наиболее хрупок заэвтектический чугун, который, кроме ледебурита, имеет крупные хрупкие кристаллы первичного цементита.

3.2. Стали

3.2.1. Общая классификация

Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) – деформирующийся (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами.

Стали, как наиболее широко используемые материалы, представлены в современной технике значительным числом марок (составов), исчисляемых тысячами, причем оно постоянно увеличивается в соответствии с возникающими новыми разнообразными требованиями многих отраслей промышленности. В связи с этим характеризовать стали по одному какому-

66

либо признаку, одинаковому для всех марок, сложно. Наиболее рациональным подходом при решении этой задачи является распределение сплавов по свойствам, наиболее характерным для отдельных групп, с классификацией по следующим основным признакам:

–химическому составу;

–структуре;

–степени раскисления;

–качеству;

–назначению.

По х и м и ч е с к о м у с о с т а в у стали классифицируются на углеродистые и легированные. У обеих групп различаются низкоуглеродистые (С < 0,3 %), среднеуглеродистые (С = 0,3…0,7 %) и высокоуглеродистые (С > 0,7 %). У легированных сталей в зависимости от введенных элементов различаются группы хромистых, хромоникелевых и многих других. По количеству легирующих элементов стали могут быть низколегированными (менее 5 %), среднелегированными (5…10 %), высоколегированными (более 10 %).

По с т р у к т у р е стали систематизируются в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном (равновесном) состоянии они могут быть следующих классов:

–доэвтектоидные, имеющие структуру избыточного феррита;

–эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

–заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные (выделяющиеся из аустенита) карбиды;

–ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды;

–аустенитные, со структурой аустенита;

–ферритные, со структурой феррита.

Углеродистые стали могут быть первых трех классов, а легированные – всех классов.

Аустенитные стали образуются при наличии в них большого количества никеля, марганца и других элементов, расширяющих γ-область. В таких сталях аустенит существует в стабильном состоянии от комнатной температуры до температуры плавления.

Если в составе сталей имеются хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан, кремний и другие элементы, то устойчивым при всех температурах является α-состояние. Такие стали называются ферритными.

При определенном легировании возможно образование промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных.

По с т е п е н и р а с к и с л е н и я стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскислением называется процесс удаления кислорода из жидкого металла более активными (чем железо) элементами, иначе сталь хрупко разрушается при горячей деформации.

67

Спокойные стали раскисляются алюминием, марганцем и кремнием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газов. Содержание кремния в таких сталях обычно составляет 0,12…0,35 %, что повышает предел текучести, но снижает пластичность.

Кипящие стали раскисляются только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при кристаллизации, взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде углекислого газа. Выделение газа создает впечатление, что сталь кипит. Кипящие стали сравнительно дешевые. Они производятся низкоуглеродистыми и практически без кремния (менее 0,07 %).

Полуспокойные стали раскисляются алюминием и марганцем и занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По к а ч е с т в у стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых процессом ее производства, и зависящих от химического состава, строения, содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей (серы и фосфора). Так как газы относятся к трудноопределяемым компонентам, то разделение сталей по качеству производится в основном по количеству вредных примесей. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора; качественные – до 0,04 и 0,03 % соответственно; высококачественные – не более 0,025 %; а особовысококачественные – не более 0,015 % каждого. Стали обыкновенного качества выпускаются только углеродистыми (С < 0,5 %), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особовысококачественные – легированными.

По н а з н а ч е н и ю с т а л и подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.

Наиболее распространенной группой является группа конструкционных сталей, из которых изготовляются изделия промышленных предприятий, транспорта, строительства. Эти стали выдерживают значительные нагрузки, обладают высокой прочностью и вязкостью, имеют высокую сопротивляемость динамическим и ударным воздействиям. Среди конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, строительные, арматурные, шарикоподшипниковые и другие.

Инструментальные стали подразделяются на стали для режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования.

К сталям специального назначения относятся жаростойкие и жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие, электротехнические и другие.

3.2.2. Углеродистые стали

Состав и свойства углеродистых сталей. Это сложные по хими-

ческому составу сплавы, основными составляющими которых являются железо (97,0…99,5 %) и углерод (до 2,14 %). Кроме того, в них находится

68

ряд элементов, наличие которых вызвано технологическими особенностя-
ми производства (марганец, кремний) или невозможностью полного уда-
ления (сера, фосфор, кислород, водород, азот), а также случайные приме-
си (хром, никель, медь и др.).
Основное влияние на свойства ста-						σв , МПа				Ψ, δ, %
лей оказывает углерод. С его увеличе-					HB		Ψ		HB	KCU, МДж/м2
нием повышаются твердость и проч-					300	1200				60	2,4
ность, но при этом уменьшаются вяз-						1000				50	2,0
кость и пластичность (рис. 50). Проч-					200	800			σв	40	1,6
ность σв достигает максимального зна-
						600				30	1,2
чения при содержании углерода при-
мерно 0,9 %. С его увеличением повы-					100	400				20	0,8
шается	порог	хладноломкости		и		200			δ	10	0,4
уменьшается ударная вязкость. Угле-							KCU
род также оказывает влияние и на тех-					0	0	0,2	0,6		0	0
нологические свойства: при повышении									1,0 С, %
его содержания сталь снижает способ-					Рис. 50. Влияние углерода на меха-
ность деформироваться в горячем и					нические свойства стали
особенно холодном состояниях, за-
трудняется свариваемость.
Примеси в сталях подразделяются на полезные, вредные и случайные.
К п о л е з н ы м			п р и м е с я м относятся кремний и марганец, кото-
рые вводятся в сталь в качестве раскислителей при ее выплавке. После
раскисления эти элементы частично переходят в сплав. Количество мар-
ганца обычно не превышает 0,5…0,7 %, а кремния – 0,3…0,5 %. Они рас-
творяются в феррите и тем самым повышают его твердость и прочность.
К в р е д н ы м		п р и м е с я м относятся сера, фосфор, кислород, во-
дород, азот.
Сера вызывает хрупкость стали при ее горячей обработке. Такое явле-
ние называется красноломкостью. Красноломкость связана с образова-
нием сульфида железа FeS, который с Fe образует легкоплавкую эвтекти-
ку Эвт [FeS + Fe]. Температура плавления эвтектики 988 °С и располагает-
ся она по границам зерен. При горячей обработке стали (с температурой
нагрева 1000 °С и выше) эвтектика расплавляется и сталь хрупко разру-
шается. Поэтому количество серы в сталях строго ограничивается. Крас-
ноломкость понижает марганец, который связывает серу в сульфиды MnS,
при этом образование легкоплавкой эвтектики исключается. Частицы
сульфидов располагаются в виде отдельных включений, вытянутых в на-
правлении прокатки. Наличие таких включений приводит к снижению пла-
стичности и ударной вязкости.

69

KCU, МДж/м2						Фосфор, растворяясь в феррите, повышает
2,0						его прочность, но очень сильно понижает пла-
						стичность, вызывая в стали хладноломкость –
						уменьшение ударной вязкости при понижении
1,2						температуры (рис. 51).
	1				2	Порогом хладноломкости называется темпе-
						ратура, при которой ударная вязкость резко па-
0,4						дает. Различаются верхний и нижний пороги
						хладноломкости. Верхний порог соответствует
						температуре, при которой в изломе испытуемо-
						го образца стали имеется 90 % вязкой состав-
100 200 300					t,oC
						ляющей, а нижний порог соответствует наличию

Рис. 51. Влияние фосфора в изломе лишь 10 % вязкой составляющей. Кри-

на хладноломкость стали:	тическая температура хрупкости соизмеряется с
1 – 0,08 % Р; 2 – 0,06 % Р	50 % вязкой составляющей.

Каждая 0,01 % фосфора повышает порог хладноломкости на 25 °С. Вредное влияние фосфора усугубляется еще и тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Участки, обогащенные фосфором, отличаются повышенной хрупкостью. Поэтому даже в углеродистых сталях обычного качества количество фосфора не превышает 0,045 %.

Вредные примеси в виде газов находятся в сталях в небольших количествах и трудно определяются. Такие примеси называются скрытыми.

Газовые примеси частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов) или расположены в свободном состоянии в раковинах, трещинах и других пустотах. Оксиды и нитриды – твердые и хрупкие соединения, которые являясь концентраторами напряжений, снижают пластичность сталей. Водород, несмотря на то, что он не растворяется в стали, вызывает надрывы, на-

зываемые флокенами.

С л у ч а й н ы е п р и м е с и – это элементы, попадающие в стали при выплавке из руд или вторичного сырья.

Назначение и маркировка углеродистых сталей. На рис. 52 приве-

дена классификация углеродистых сталей по назначению.

К о н с т р у к ц и о н н ы е у г л е р о д и с т ы е с т а л и о б ы ч н о г о к а ч е с т в а составляют до 70 % всего проката. Они широко применяются в промышленности, строительстве, на транспорте, в том числе и железнодорожном. Например, сталь Ст3 используется в вагоно- и локомотивостроении для изготовления рам тележек рефрижераторных вагонов, балок надрессорных тележек, подпятников, шкворней, опорных и хребтовых балок, кузовов крытых цельнометаллических вагонов, дверей вагонов всех типов, крышек разгрузочных люков полувагонов и т. д.

70