Превращения в стали. Промежуточное превращение. Бейнит.
Превращения в стали. Превращение аустенита в перлит. Диаграмма изотермического превращения аустенита.

При нагреве до 200^oС происходит перераспределение углерода в мартенсите. Образуются пластинки ε–карбидов толщиной несколько атомных диаметров. На образование карбидов углерод расходуется только из участков мартенсита, окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода на этих участках резко падает, тогда как удаленные участки сохраняют концентрацию углерода. В стали присутсвуют карбиды и два α-твердых раствора мартенсита (с высокой и низкой концентрацией углерода. Такой тип распада мартенсита называется прерывистым. Скорость диффузии мала, карбиды не увеличиваются, распад мартенсита сопровождается зарождением новых карбидных частиц. Таким образом имеем структуру с неравномерным распределением углерода – это мартенсит отпуска. При этом несколько снижается тетрагональность решетки.

Превращения в стали. Мартенситное превращение. Мартенсит. Мартенсит структура. Критическая скорость закалки.
Превращения в стали. Изотермическая диаграмма превращения сталей. Превращение перлита в аустетит. Перегрев. Пережог.

При нагреве до 300^oС идет рост образовавшихся карбидов. Карбиды выделяются из мартенсита и он обедняется углеродом. Диффузия углерода увеличивается и карбиды растут в результате притока углерода из областей твердого раствора с высокой его концентрацией. Кристаллическая решетка карбидов когерентно связана с решеткой мартенсита. В высокоуглеродистых сталях аустенит остаточный превращается в мартенсит отпуска. Наблюдается снижение тетрагональности решетки и внутренних напряжений. Структура – мартенсит отпуска.

Отпуск стали. Температура отпуска стали. Режимы отпуска стали. Отпускная хрупкость. Улучшение термическая обработка.

При нагреве до 400^oС весь избыточный углерод выделяется из Fe_α. Карбидные частицы полностью обособляются, приобретают строение цементита, и начинают расти. Форма карбидных частиц приближается к сферической. Высокодисперсная смесь феррита и цементита называется троостит отпуска. При нагреве выше 400^oС изменение фазового состава не происходит, изменяется только микроструктура. Имеет место рост и сфероидизация цементита. Наблюдается растворение мелких и рост крупных карбидных частиц.

Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

При температуре 550…600^oС имеем сорбит отпуска. Карбиды имеют зернистое строение. Улучшаются свойства стали.

При температуре 650…700^oС получают более грубую ферритно- цементитную смесь – перлит отпуска (зернистый перлит).

При охлаждении стали со скоростью, большей критической (V > Vк), превращение начинается при температуре начала мартенситного превращения (М_н) и заканчивается при температуре окончания мартенситного превращения (М_к). В результате такого превращения аустенита образуется продукт закалки – мартенсит.

Превращения в стали. Промежуточное превращение. Бейнит.
Превращения в стали. Превращение мартенсита в перлит. Мартенсит отпуска. Троостит отпуска. Сорбит отпуска.

Минимальная скорость охлаждения Vк, при которой весь аустенит переохлаждается до температуры т.М_н и превращается, называется критической скоростью закалки.

Так как процесс диффузии не происходит, то весь углерод аустенита остается в решетке Fe_α и располагается либо в ценрах тетраэдров, либо в середине длинных ребер (рисунок 1).

Превращения в стали. Превращение аустенита в перлит. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
Превращения в стали. Изотермическая диаграмма превращения сталей. Превращение перлита в аустетит. Перегрев. Пережог.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α.

При образовании мартенсита кубическая решетка Fe_α сильно искажается, превращаясь в тетрагональную (рисунок 1, позиция а). Искажение решетки характеризуется степенью тетрагональности: с/а > 1. Степень тетрагональности прямопролорциональна содержанию углерода в стали (рисунок 1, позиция б).

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.

Рисунок 1 – Кристаллическая решетка мартенсита. Влияние содержания углерода на параметры решетки мартенсита.

а – кристаллическая решетка мартенсита; б – влияние содержания углерода на параметры а и с решетки мартенсита

Механизм мартенситного превращения имеет ряд особенностей.

1. Бездиффузионный характер.

Превращение осуществляется по сдвиговому механизму. В начале превращения имеется непрерывный переход от решетки аустенита к решетке мартенсита (когерентная связь). При превращении гранецентрированной кубической решетки в объемно-центрированную кубическую атомы смещаются на расстояния меньше межатомных, т.е. нет необходимости в самодиффузии атомов железа.

Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты.
Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность дислокаций.

2. Ориентированность кристаллов мартенсита.

Кристаллы имеют форму пластин, сужающихся к концу, под микроскопом такая структура выглядит как игольчатая. Образуясь мгновенно пластины растут либо до границы зерна аустенита, либо до дефекта. Следующие пластины расположены к первым под углами 60 ^o или 120 ^o, их размеры ограничены участками между первыми пластинами (рисунок 2).

Рисунок 2 – Ориентированность кристаллов мартенсита

Ориентированный (когерентный) рост кристаллов мартенсита обеспечивает минимальную поверхностную энергию. При когерентном росте, из-за различия объемов аустенита и мартенсита, возникают большие напряжения. При достижении определенной величины кристаллов мартенсита, эти напряжения становятся равными пределу текучести аустенита. В результате этого нарушается когерентность и происходит отрыв решетки мартенсита от решетки аустенита. Рост кристаллов прекращается.

3. Очень высокая скорость роста кристалла, до 1000 м/с.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

4. Мартенситное превращение происходит только при непрерывном охлаждении.

Для каждой стали начинается и заканчивается при определенной температуре, независимо от скорости охлаждения. Температуру начала мартенситного превращения называют мартенситной точкой М_Н, а температуру окончания превращения – М_К. Температуры М_Н и М_К зависят от содержания углерода и не зависят от скорости охлаждения Для сталей с содержанием углерода выше 0,6 % М_К уходит в область отрицательных температур (рисунок 3).

Рисунок 3 – Зависимость температур начала (М_н) и конца (М_к)мартенситного превращения от содержания углерода в стали

Мартенситное превращение чувствительно к напряжениям, и деформация аустенита может вызвать превращение даже при температурах выше М_Н.

В сталях с М_К ниже 20^oС присутствует аустенит остаточный, его количество тем больше, чем ниже М_Н и М_К (при содержании углерода 0,6…1,0 % количество аустенита остаточного – 10 %, при содержании углерода 1,5 % - до 50 %). В микроструктуре наблюдается в виде светлых полей между иглами мартенсита.

Аллотропия. Полиморфные превращения. Магнитные превращения.
Анизотропия. Анизотропия кристаллов. Анизотропия свойств. Изотропия.

5. Превращение необратимое.

Получить аустенит из мартенсита невозможно. Свойства мартенсита обусловлены особенностями его образования. Он характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью, что обуславливает хрупкость.

Твердость составляет до 65 HRC. Высокая твердость вызвана влиянием внедренных атомов углерода в решетку α-фазы, что вызывает ее искажение и возникновение напряжений. С повышением содержания углерода в стали возрастает склонность к хрупкому разрушению.

Превращения в стали. Превращение аустенита в перлит. Диаграмма изотермического превращения аустенита.
Превращения в стали. Изотермическая диаграмма превращения сталей. Превращение перлита в аустетит. Перегрев. Пережог.

Превращение обедненного углеродом аустенита в феррит происходит по сдвиговому механизму, путем возникновения и роста зародышей феррита. Образующиеся при этом кристаллы имеют игольчатую форму.

Превращения в стали. Мартенситное превращение. Мартенсит. Мартенсит структура. Критическая скорость закалки.
Превращения в стали. Превращение мартенсита в перлит. Мартенсит отпуска. Троостит отпуска. Сорбит отпуска.

Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении и диаграмма изотермического превращения аустенита

Такая структура, состоящая из цементита и феррита, называется бейнитом. Особенностью является повышенное содержание углерода в феррите (0.1…0.2 %).

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.
Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Дисперсность кристаллов феррита и цементита зависят от температуры превращения:

1. При температуре 550^оС – Δ_о = 0,12 · 10^-3 мм – верхний бейнит. Структура характеризуется недостаточной прочностью, при низких относительном удлинении (δ) и ударной вязкости (а_н).

2. При температуре 300^oС – Δ_о = 0,08 · 10^-3 мм – нижний бейнит. Структура характеризуется высокой прочностью в сочетании с пластичностью и вязкостью.

Fe_γ (C) -> Fe_α (C) + Fe₃C

Превращения в стали. Мартенситное превращение. Мартенсит. Мартенсит структура. Критическая скорость закалки.
Превращения в стали. Превращение мартенсита в перлит. Мартенсит отпуска. Троостит отпуска. Сорбит отпуска.

В зависимости от степени переохлаждения различают три области превращения. Вначале, с увеличением переохлаждения скорость превращения возрастает, а затем убывает. При температуре 727 ^oС и ниже 200^o С скорость равна нулю. При температуре 200^o С равна нулю скорость диффузии углерода.

Превращения в стали. Промежуточное превращение. Бейнит.
Превращения в стали. Изотермическая диаграмма превращения сталей. Превращение перлита в аустетит. Перегрев. Пережог.

Образцы нагревают до температуры, при которой структура состоит из однородного аустенита (770⁰ С). Затем переносят в термостаты с заданной температурой (интервал 25 – 50⁰ С). Превращение аустенита можно легко обнаружить с помощью наблюдений за изменением магнитных характеристик, так как аустенит парамагнитен, а феррит и цементит обладают магнитными свойствами.

Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Получают серию кинетических кривых (рисунок 1, позиция а), которые показывают количество образовавшегося перлита в зависимости от времени, прошедшего с начала превращения.

Рисунок 1 – Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении и диаграмма изотермического превращения аустенита

а – кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении; б – диаграмма изотермического превращения аустенита

В начале наблюдается инкубационный подготовительный период, время, в течение которого сохраняется переохлажденный аустенит. Превращение протекает с различной скоростью и достигает максимума при образовании 50 % продуктов распада. Затем скорость начинает уменьшаться и постепенно затухает. С увеличением степени переохлаждения устойчивость аустенита уменьшается, а затем увеличивается.

Горизонтальная линия М_н показывает температуру начала бездиффузного мартенситного превращения. Такие диаграммы называются диаграммами изотермического превращения аустенита (рисунок 1, позиция б).

При малых степенях переохлаждения, в области температур 727…550^o С, сущность превращения заключается в том, что в результате превращения аустенита образуется механическая смесь феррита и цементита, состав которой отличается от состава исходного аустенита. Аустенит содержит 0,8 % углерода, а образующиеся фазы: феррит –0,02 %, цементит – 6,67 % углерола.

Время устойчивости аустенита и скорость его превращения зависят от степени переохлаждения.

Максимальная скорость превращения соответствует переохлаждению ниже температуры A₁ на 150…200^o С, то есть соответствует минимальной устойчивости аустенита.

Рисунок 2 – Механизм превращения аустенита в перлит

При образовании перлита из аустенита ведущей фазой является цементит. Зарождение центров кристаллизации цементита облегчено на границе аустенитных зерен. Образовавшаяся пластинка цементита растет, удлиняется и обедняет соседние области углеродом. Рядом с ней образуются пластинки феррита. Эти пластинки растут как по толщине, так и по длине. Рост образовавшихся колоний перлита продолжается до столкновения с кристаллами перлита, растущими из других центров.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

Свойства и строение продуктов превращения аустенита зависят от температуры, при которой происходит процесс его распада.

Толщина соседних пластинок феррита и цементита определяет дисперсность структуры и обозначается Δ_о. Она зависит от температуры превращения. В зависимости от дисперсности продукты распада имеют различное название.

а) Δ_о ≈ (0,5 .. 0,7)10^-3 мм – перлит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 650…700 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 30…60 ^oС/ч. Твердость составляет 180…250 НВ.

б) Δ_о = 0,25 · 10^-3 мм – сорбит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 600…650 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 60 ^oС/с. Твердость составляет 250…350 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, достаточной вязкостью и прочностью.

в) Δ_о = 0,1 · 10^-3 мм – троостит.

Образуется при переохлаждении до температуры Т = 550…600 ^oС, или при скорости охлаждения V_охл = 150 ^oС/с. Твердость составляет 350…450 НВ. Структура характеризуется высоким пределом упругости, малой вязкостью и пластичностью.

Твердость металлов. Твердость по Шору. Твердость по Бринеллю. Твердость по Виккерсу. Твердость по Роквеллу.

Твердость ферритно-цементитной смеси прямопропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом.

Превращение основано на диффузии углерода, сопровождается полиморфным превращением Fe_α -> Fe_γ, а так же растворением цементита в аустените. Для исследования процессов строят диаграммы изотермического образования аустенита. Для этого образцы нагревают до температуры выше A₁ и выдерживают, фиксируя начало и конец превращения.

Рисунок 1 – Диаграмма изотермического образования аустенита

1 – начало образования аустенита; 2 – конец преобразования перлита в аустенит; 3 – полное растворение цементита

С увеличением перегрева и скорости нагрева продолжительность превращения сокращается.

Превращения в стали. Мартенситное превращение. Мартенсит. Мартенсит структура. Критическая скорость закалки.
Превращения в стали. Превращение мартенсита в перлит. Мартенсит отпуска. Троостит отпуска. Сорбит отпуска.

Рисунок 2 – Механизм превращения перлита в аустенит

Превращение начинаются с зарождения центров аустенитных зерен на поверхности раздела феррит–цементит, кристаллическая решетка Fe_α перестраивается в решетку Fe_γ.

Время превращения зависит от температуры, так как с увеличением степени перегрева уменьшается размер критического зародыша аустенита, увеличиваются скорость возникновения зародышей и скорость их роста.

Строение металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов. Кристаллическая решетка металлов.

Образующиеся зерна аустенита имеют вначале такую же концентрацию углерода, как и феррит. Затем в аустените начинает растворяться вторая фаза перлита – цементит, следовательно, концентрация углерода увеличивается. Превращение Fe_α в Fe_γ идет быстрее. После того, как весь цементит растворится, аустенит неоднороден по химическому составу: там, где находились пластинки цементита концентрация углерода более высокая. Для завершения процесса перераспределения углерода в аустените требуется дополнительный нагрев или выдержка. Величина образовавшегося зерна аустенита оказывает влияние на свойства стали.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

Рост зерна аустенита. Образующиеся зерна аустенита получаются мелкими (начальное зерно). При повышении температуры или выдержке происходит рост зерна аустенита. Движущей силой роста является разность свободных энергий мелкозернистой (большая энергия) и крупнозернистой (малая энергия) структуры аустенита.

Стали различают по склонности к росту зерна аустенита. Если зерно аустенита начинает быстро расти даже при незначительном нагреве выше температуры A₁, то сталь наследственно крупнозернистая. Если зерно растет только при большом перегреве, то сталь наследственно мелкозернистая.

Склонность к росту аустенитного зерна является плавочной характеристикой. Стали одной марки, но разных плавок могут различаться, так как содержат неодинаковое количество неметаллических включений, которые затрудняют рост аустенитного зерна. Заэвтектоидные стали менее склонны к росту зерна.

Структуры сталей. Структуры белого чугуна. Структуры сплавов. Структуры сталей и сплавов.

Ванадий, титан, молибден, вольфрам, алюминий – уменьшают склонность к росту зерна аустенита, а марганец и фосфор – увеличивают ее.

При последующем охлаждении зерна аустенита не измельчаются. Это следует учитывать при назначении режимов термической обработки, так как от размера зерна зависят механические свойства. Крупное зерно снижает сопротивление отрыву, ударную вязкость, повышает порог хладоломкости.

Различают величину зерна наследственного и действительного. Для определения величины наследственного зерна, образцы нагревают до 930^o С и затем определяют размер зерна. Действительная величина зерна – размер зерна при обычных температурах. полученный после той или иной термической обработки.

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали.

Технология нагрева и нагревательное оборудование

Перегрев. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше температуры A₃ приводит к интенсивному росту зерна аустенита. При охлаждении феррит выделяется в виде пластинчатых или игольчатых кристаллов. Такая структура называется видманштеттовая структура и характеризуется пониженными механическими свойствами. Перегрев можно исправить повторным нагревом до оптимальных температур с последующим медленным охлаждением.

Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления. При этом наблюдается окисление границ зерен, что резко снижает прочность стали. Излом такой стали камневидный. Пережог – неисправимый брак.

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.
Легированные стали. Классификация легированных сталей. Классификация легированных сталей по микроструктуре. Маркировка легированных сталей.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей – (0…-100)^oС.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.

Дополнительные легирующие элементы:

• Бор – 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС.
• Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)^oС.
• Титан (см. Титан и его сплавы) (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
• Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
• Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
• Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Усталостная прочность. Предел выносливости. Живучесть материалов.
Ударная вязкость. Определение ударной вязкости. Испытания на ударную вязкость.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды. Растворение легирующих элементов в Fe_α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

1. Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Влияние углерода на сталь. Влияние углерода на свойства стали.
Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, σ_0,2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности σ_в и предел текучести σ_m, но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988^oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах.

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а_н и пластичность (δ и ψ), а так же предел выносливости. Она ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Дефекты кристаллического строения. Точечные дефекты.
Дефекты кристаллического строения. Линейные дефекты. Теория дислокаций. Плотность дислокаций.

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Металл с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180^о, лучше в вакууме 10^-2 .. 10^-3 мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали – легированными сталями.

4. Случайные примеси.

Влияние примесей на свойства. Влияние примесей на свойства сталей. Красноломкость. Флокены.
Легирующие элементы. Легирующие элементы стали. Влияние легирующих элементов. Назначение легирующих элементов. Хромансиль.

Влияние углерода на свойства сталей

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Маркировка сталей. Маркировка углеродистых сталей. Маркировка легированных сталей. Маркировка инструментальных сталей.

Особую группу составляют сплавы с содержанием углерода менее 0,02% (точка Р), их называют техническое железо. Микроструктуры сплавов представлены на рисунке 1. Структура таких сплавов после окончания кристаллизации состоит или из зерен феррита (рисунке 1, позиция а), при содержании углерода менее 0,006 %, или из зерен феррита и кристаллов цементита третичного, расположенных по границам зерен феррита (рисунок 1, позиция б), если содержание углерода от 0,006 до 0,02 %.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.
Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов. Эвтектоидное превращение. Эвтектическое превращение.
Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Рисунок 1 – Микроструктуры технического железа

а – содержание углерода менее 0,006%; б – содержание углерода 0,006…0,02 %

Углеродистые стали – сплавы железа с углеродом, содержащие 0,02…2,14 % углерода, заканчивающие кристаллизацию образованием аустенита. Они обладают высокой пластичностью, особенно в аустенитном состоянии. Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита.

Углеродистые стали. Марки низкоуглеродистых сталей. Марки высокоуглеродистых сталей. Среднеуглеродистые стали.

Рисунок 2 – Микроструктуры сталей

а – доэвтектоидная сталь (Ф + П); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (П + Ц_п)

По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на:

• доэвтектоидные (0,02% < C < 0,8%), структура феррит + перлит (Ф + П) (рисунок 2, позиция а);
• эвтектоидные (С = 0,8%), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый (рисунок 2, позиции б, в);
• заэвтектоидные (0,8% < С < 2,14%), структура перлит + цементит вторичный (П + Ц_II), цементитная сетка располагается вокруг зерен перлита (рисунок 2, позиция u).

По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой ратворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.

Диаграмма состояния сплавов механических смесей. Эвтектика. Эвтектический сплав.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14 % (до 6,67 %), заканчивающие кристаллизацию образованием эвтектики (ледебурита), называют чугунами.

Наличие легкоплавкого ледебурита в структуре чугунов повышает их литейные свойства.

Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой состояния железо – цементит, отличаются высокой хрупкостью. Цвет их излома – серебристо-белый. Такие чугуны называются белыми чугунами.

Рисунок 3 – Микроструктуры белых чугунов

а – доэвтектический белый чугун (П + Л + Ц_II); б – эвтектический белый чугун (Л); в – заэвтектический белый чугун (Л + Ц_I)

По количеству углерода и по структуре белые чугуны подразделяются на:

• доэвтектические (2,14% < C < 4,3%), структура перлит + ледебурит + цементит вторичный (П + Л + Ц_II) (рисунок 3, позиция а);
• эвтектические (С = 4,3%), структура ледебурит (Л) (рисунок 3, позиция б);
• заэвтектические (4,3% < C < 6,67%), структура ледебурит + цементит первичный (Л + Ц_I) (рисунок 3, позиция в).

В структуре доэвтектических белых чугунов присутствует цементит вторичный, который образуется в результате изменения состава аустенита при охлаждении (по линии ES). В структуре цементит вторичный сливается с цементитом, входящим в состав ледебурита.

Кристаллизация сплавов. Кристаллизация металлов и сплавов.
Процесс кристаллизации. Кристаллизация металлов. Кристаллизация стали.
Кристаллизация веществ. Кристаллизация чистого металла. Температура кристаллизации.

Фазовый состав сталей и чугунов при нормальных температурах один и тот же, они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

Компоненты железоуглеродистых сплавов. Фазы железоуглеродистых сплавов.
Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояния железо – цементит

Структуры сталей. Структуры белого чугуна. Структуры сплавов. Структуры сталей и сплавов.

Линия AHJECF – линия солидус. На участке АН заканчивается кристаллизация феррита (δ). На линии HJB при постоянной температуре 14990С идет перетектическое превращение, заключающееся в том, что жидкая фаза реагирует с ранее образовавшимися кристаллами феррита (δ), в результате чего образуется аустенит:

L + Ф(δ) -> A

Кристаллизация сплавов. Кристаллизация металлов и сплавов.
Процесс кристаллизации. Кристаллизация металлов. Кристаллизация стали.

На участке JЕ заканчивается кристаллизация аустенита. На участке ECF при постоянной температуре 1147^o С идет эвтектическое превращение, заключающееся в том, что жидкость, содержащая 4,3 % углерода превращается в эвтектическую смесь аустенита и цементита первичного:

L₄₃ -> эвт. (A + Ц₁)

Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом (Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

Диаграмма состояния сплавов механических смесей. Эвтектика. Эвтектический сплав.

При температуре ниже 727^o С в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

По линии HN начинается превращение феррита (δ) в аустенит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии NJ превращение феррита (δ) в аустенит заканчивается.

По линии GS превращение аустенита в феррит, обусловленное полиморфным превращением железа. По линии PG превращение аустенита в феррит заканчивается.

Аллотропия. Полиморфные превращения. Магнитные превращения.

По линии ES начинается выделение цементита вторичного из аустенита, обусловленное снижением растворимости углерода в аустените при понижении температуры.

По линии МО при постоянной температуре 768^o С имеют место магнитные превращения.

По линии PSK при постоянной температуре 727^o С идет эвтектоидное превращение, заключающееся в том, что аустенит, содержащий 0,8 % углерода, превращается в эвтектоидную смесь феррита и цементита вторичного:

A_0,83 -> эвт. (Ф + Ц_п)

По механизму данное превращение похоже на эвтектическое, но протекает в твердом состоянии.

Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

По линии PQ начинается выделение цементита третичного из феррита, обусловленное снижением растворимости углерода в феррите при понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые и структурные превращения в сплавах системы железо – цементит, т.е. критические точки, имеют условные обозначения.

Обозначаются буквой А (от французского arret – остановка):

• А1 – линия PSK (7270С) – превращение П <-> А;
• A2 – линия MO (7680С, т. Кюри) – магнитные превращения;
• A3 – линия GOS ( переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение Ф <-> А;
• A4 – линия NJ (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – превращение A <-> Ф(δ);

Кристаллизация веществ. Кристаллизация чистого металла. Температура кристаллизации.

Acm – линия SE (переменная температура, зависящая от содержания углерода в сплаве) – начало выделения цементита вторичного (иногда обозначается A3).

Так как при нагреве и охлаждении превращения совершаются при различных температурах, чтобы отличить эти процессы вводятся дополнительные обозначения. При нагреве добавляют букву с, т.е A_c1, при охлаждении – букву r, т.е. A_r1.