1.11. Железо и сплавы на его основе
Технически чистое железо, имеющее структуру феррита, не представляет особого интереса как конструкционный материал, так как обладает низкой прочностью и высокой пластичностью (σв = 250 МПа, δ = 50%); гораздо большее практическое значение имеют сплавы на основе железа и углерода.
На диаграмме состояния железо – цементит (рис. 1.21) можно выделить две области, которые соответствуют самым распространенным промышленным сплавам – стали и чугуну.
С
талью
называются сплавы на основе железа и
углерода, содержащие теоретически до
2,14% С, а реально до – 1,4% С. Стали по
структуре подразделяют на доэвтектоидные
(содержащие
до 0,81% С), эвтектоидные
– перлитные (0,81% С) и заэвтектоидные
(свыше 0,81%
С).
Чугуном называют сплавы на основе железа и углерода, содержащие от 2,14 и теоретически до 6,67% С, а реально – до 4,5% С. Чугуны, в свою очередь, по структуре подразделяют на доэвтектические (2,14–4,3% С), эвтектические – ледебуритные (4,3% С) и заэвтектические (свыше 4,3% С).
Сталь является многокомпонентным сплавом, содержащим ряд постоянных и технологических примесей: марганец, кремний, никель, сера, фосфор, азот, кислород, водород и др.
Сера и фосфор поступают из руды – это очень вредные примеси, и их содержание строго регламентируется в зависимости от качества стали. Сера приводит к красноломкости стали – растрескиванию при ковочных температурах. Фосфор вызывает хладноломкость – резкое снижение прочности при отрицательных температурах. Азот, кислород и водород охрупчивают сталь, и поэтому с ними также борются.
Марганец и кремний – полезные примеси; они поступают в сталь в результате ее раскисления (удаления кислорода на финише плавки); никель и другие металлы приходят, как правило, из переплавляемого металлолома. Содержание Si обычно находится на уровне 0,4%, а Mn – 0,8%; они повышают предел текучести, а марганец, соединяясь с серой, уменьшает красноломкость. Никель является важнейшей полезной примесью, поступающей из металлолома, – это единственный элемент, который одновременно повышает прочность, пластичность и вязкость.
Важнейшей составной частью сталей и чугунов является углерод; чем больше углерода, тем выше прочность и твердость и ниже пластичность и вязкость (рис. 1.23).
1.12. Легирующие элементы в стали
Легирующие элементы (от лат. ligo – связываю) специально вводят в сталь для достижения требуемых свойств. Легирующие элементы могут образовывать следующие фазы:
твердые растворы, например, Mn и Ni в Fe);
легированный цементит или специальные карбиды (Fe, Cr)3C, W3C и др.;
интерметаллические соединения Fe3Ti, Fe7W6 и др.
Все легирующие элементы так или иначе влияют на диаграмму железо – цементит. Например, Mn и Ni расширяют область существования аустенита, делая его устойчивым вплоть до комнатной температуры, и сужают область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов сталь при комнатной температуре имеет аустенитную структуру (и становится парамагнитной).
Cr, Mo, W, V, Al, Si и другие элементы сужают область существования аустенита и расширяют область феррита. При достаточно большом содержании этих элементов сталь не претерпевает ↔-превращения, поэтому такие стали называют ферритными (их бесполезно закаливать). Если -область сильно сужена и ↔-превращения протекают частично, то сталь называют полуферритной.
Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr и Ti образуют с углеродом высокопрочные твердые карбиды (чем правее металл в этом ряду, тем прочнее карбид). Путем введения этих элементов сталь можно сделать более износостойкой и жаропрочной. Наиболее важное значение имеют карбиды вольфрама, молибдена и титана, которые устойчивы при температурах до 600–1000оС. На основе этих карбидов изготавливают быстрорежущие стали и твердые сплавы, используемые при изготовлении резцов, фрез, сверл и т. д.