Диаграмма состояния системы железо углерод является одной из важнейших диаграмм двойных систем, потому что наиболее распространенные в технике сплавы стали (стр. 8 из 9)

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность (

и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор. Содержание фосфора в стали 0,025…0,040 %. Весьма значительно снижает вязкость железа и стали. Особенно заметно проявляется это вредное влияние фосфора при повышенном содержании углерода в стали и при низких температурах. Явление повышенной хрупкости стали при низких температурах называется хладноломкостью. Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25° С.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания серы и фосфора для улучшения обрабатываемости резанием. Это было при создании автоматных сталей, из которых на высокопроизводительных станках-автоматах изготовляется крепежный материал (гайки, болты) неответственного назначения, имеющий очень широкое применение в машиностроении. Короткая, хрупкая стружка и чистая поверхность резьбы являются главными положительными качествами автоматных сталей. Так как серы в этих сталях содержится до 0,15—0,20%, а фосфора до 0,14 %, то такие стали можно отнести к разряду специальных.

Существенным является то, что сера и фосфор при кристаллизации стального слитка сильно ликвируют, в результате чего создаются участки с резко повышенной концентрацией этих вредных элементов по сравнению со средним их содержанием в стали.

Газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Кислород, соединяясь со многими элементами, присутствующими в стали, образует неметаллические включения, так называемые оксиды (SiO₂, А1₂Оз и другие). Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Поэтому необходимо снижать содержание кислорода в стали путем хорошего раскисления и разливки в вакууме, тщательно контролировать структуру стали, идущей на изготовление ответственных изделий.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов– тонких трещин овальной или округлой формы, имеющих в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

Постоянные примеси

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

Содержание марганца не превышает 0,8 %. Марганец, имеющийся в стали, интенсивнее чем железо соединяется с серой, образуя весьма тугоплавкое соединение MnS (температура плавления 1620° С), располагающееся обычно в виде мелких глобулярных включений внутри зерен стали. Следовательно, включения MnS оказывают менее вредное влияние на сталь, чем включения FeS.

Содержание кремния не превышает 0,4 %. Кремний является раскислителем стали, освобождающими ее от излишков кислорода. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести,

. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

Наличие марганца и кремния свыше указанных пределов переводит такие стали в разряд специальных, «легированных».

Случайные примеси – практически любые элементы, случайно попавшие в сталь, например, Cr, Ni, Cu, Mo, Al, Ti и другие в количествах, ограниченных для примесей.

4.3. Легирующие элементы

Легирующие элементы – специально вводимые добавки для получения требуемых структуры и свойств. Легированные стали – сплавы на основе железа, в химический состав которых введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработках требуемые структуру и свойства.

В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Сг, Ni , Мn, Si, Мо, W, V, Тi, Nb. Реже используются Со, А1, Сu, В и некоторые другие. Содержание легирующих элементов может колебаться в стали от тысячных долей процента до десятков процентов.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените.

По влиянию на температуры А₃ и А₄ легирующие элементы можно разбить на две группы.

В первую группу входят элементы, которые понижают температуру А₃ и повышают температуру А₄. К ним относятся Ni, Мn, С, N и др.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом g - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существует неограниченная растворимость компонентов в твердом состоянии — твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А₃ при определенной концентрации добавки понижается ниже нуля. На рис. 18 показан участок диаграммы Fе — легирующий элемент с открытой g - областью

Рис. 18. Диаграмма состояния железо-легирующий элемент с открытой g - областью

В сплавах с концентрацией добавки, равной или превышающей концентрацию, соответствующую точке b, ГЦК решетка устойчива при 20 - 25° С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fе_g, но и любые твердые растворы на основе Fе_g.

Во вторую группу входят элементы, которые повышают температуру А₃ и понижают А₄. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и соответственно расширяется температурный интервал устойчивости Fe_a. Таких легирующих элементов большинство: Сг, Мо, W, V, Si, Тi и др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» g - областью (рис. 19). Концентрация, соответствующая точке с, для большинства элементов невелика (до 1 - 1,5 %), и лишь для хрома аустенитная область простирается до 12 % (рис. 20).

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую g - область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому a -область «открывается»: наблюдается неограниченная растворимость этих элементов в железе с ОЦК решеткой (см. рис. 19, a). Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях легирующего элемента на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (см. рис. 19, б). Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe_a, но и любые твердые растворы на основе Fe_a.

Рис. 19. Диаграмма состояния железо – л.э. Рис. 20. Влияние л.э. на протяженность

с замкнутой γ-областью; а – открытая замкнутой γ-области

a-область, б – закрытая a-область.

4.4. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения сталей

Легирующие элементы, понижающие температуру А₃ в безуглеродистых сплавах (Ni и Mn), смещают линии PSK, GS и SE диаграммы Fe - Fе₃С в сторону более низких температур.

Легирующие элементы, повышающие температуру A₃ в безуглеродистых сплавах, оказывают обратное влияние — они смещают линии PSK, GS и SE в сторону более высоких температур. Влияние некоторых легирующих элементов на положение эвтектоидной линии при нагреве показано на рис. 21.

В сложнолегированных сталях, содержащих элементы одной и другой групп, смещение критических температур зависит от количественного соотношения этих элементов.

Под влиянием легирования изменяется и положение узловых концентрационных точек диаграммы Fe - Fе₃С. Важнейшие узловые точки стали — S, указывающая содержание углерода в эвтектоиде (рис. 22), и Е, указывающая максимальную растворимость углерода в аустените.

Рис. 21. Влияние л.э. на температуру Аc₁ Рис. 22. Влияние л.э. на содержание

углерода в эвтектоиде

Большинство легирующих элементов уменьшает растворимость углерода в аустените при всех температурах, что равносильно сдвигу линии SE влево, в сторону меньших концентраций углерода.

Максимальная растворимость углерода в аустените (точка Е) наиболее резко уменьшается под влиянием элементов, замыкающих γ-областъ в безуглеродистых сплавах: Cr, Si, W, V, Тi.

Приведенная схема не охватывает всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки железа и, следовательно, на вид диаграммы железо-углерод. При легировании железа несколькими элементами одновременно их влияние на получение γ- и a-фаз не суммируется.

4.5. Карбиды в легированных сталях

По степени сродства легирующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа различают карбидообразующие и не карбидообразующие легирующие элементы.

К карбидообразующим относятся переходные металлы с недостроенной d-электронной оболочкой. Чем меньше электронов на оболочке, тем больше сродство к углероду. 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.