Структура малоуглеродистой стали. Атомная решётка феррита и аустенита. Основные химические элементы, применяемые при легировании

Структура малоуглеродистой стали. Температура плавления чистого железа равна 1535°С. При охлаждении, в процессе кристаллизации, образуется так называемое δ – железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно – центрированного куба (ОЦК – решётка, рис. 2.1.).

Атомы Fe

Рис. 2.1. Атомная решётка железа

При t = 1400°С, когда железо находится в твёрдом состоянии, в процессе охлаждения происходит новое превращение и из δ – железа образуется γ – железо (γ – Fe), обладающее гранецентрированной кубической решёткой (ГЦК – решётка).

При t = 910°С кристаллы с ГЦК (γ – Fe) вновь при охлаждении превращаются в объёмно – центрированные, и это состояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательной температуры.

Последняя модификация железа называется α- железо (α – Fe).

При введении углерода С в сталь температура плавления снижается. При остывании образуется твёрдый раствор углерода в γ – железе (с гранецентрированной решёткой – рис. 2.2.).

атом С

атомы Fe

Рис. 2.2. Атомная решётка аустенита

При температуре ниже 910°С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в α – железе, называемого ферритом; α – железо в отличие от γ – железа плохо растворяет углерод и поэтому его в феррите содержится незначительное количество.

По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 723 °С превращается в перлит – смесь, состоящую из перемежающихся пластин феррита и карбида железа FезС, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали состоит из двух основных фаз – цементита (от слова цемент) и феррита, который образует самостоятельные зёрна, а также частично входит в состав перлита в виде зёрен – пластинок. Основу стали составляет феррит. Но феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в СК не применяется. Прочность его повышают добавками углерода (малоуглеродистые стали обычной прочности); легирование – марганцем, кремнием, ванадием, хромом и др. элементами (низколегированные стали повышенной прочности); легированием и термическим упрочнением (стала высокой прочности).

Зёрна феррита и перлита в зависимости от очагов кристаллизации получаются различной величины. Величина зёрен оказывает существенное влияние на механические свойства стали: чем меньше зёрна, тем выше качество стали.

Основные химические элементы, применяемые при легировании. Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и углерода с некоторыми добавками кремния, алюминия, марганца, меди.

Углерод (У) повышает прочность стали, снижает её пластичность и ухудшает свариваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть пластичными и хорошо свариваемыми, углерод допускается в количестве не более 0,2 %. Поскольку углерод применяется во всех сталях, его буквенная абравиатура (У) не ставится.

Кремний (С), находясь в твёрдом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает её свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как раскислитель, его содержание в углеродистых сталях составляет 0,3 %, в низколегированных – до 1 %.

Алюминий (Ю) хорошо раскисляет сталь, нейтрализует влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите повышает прочность стали и вязкость. Марганец является хорошим раскислителем, а соединяясь с серой, снижает её вредное влияние. В малоуглеродных стадиях марганца содержится до 0,64 %, в легированных – до 1,5 %, при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали, и увеличивает стойкость стали против коррозии. Избыточное содержание меди более 0,7 % способствует старению стали.

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают устойчивость аустенита при охлаждении и в процессе термообработки. После закалки и отпуска сталь становится мелкозернистой, высокопрочной.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, особенно при низких температурах. Содержание азота в стали должно быть не более 0,008 %. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном азот образует нитриды, которые становятся легирующим элементом, способствуя уменьшению зёрен железа и всей структуры и улучшению механических свойств стали; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Сопротивление стали хрупкому разрешению обеспечивается простейшей термической обработкой – нормализацией.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды и нитриды, а также способных растворяться в феррите и защищать атомы железа в атомной решётке α – Fe.

Такими легирующими металлами являются марганец (Г), хром (Х), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля (Н), меди (Д), кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твёрдых растворов. Вольфрам и молибден повышают твёрдость стали, но ухудшают пластические свойства стали; никель повышает прочность и пластические свойства стали.

Вредные примеси. К ним относится фосфор, который образует раствор с ферритом и тем самым повышает хрупкость стали, а особенно, при низких температурах (хладоломкость), снижает пластичность при повышенных температурах.

Сера делает сталь ломкой (склонной к образованию трещин). Вследствие образования окисла FeS сернистого железа в структуре металла (FeS легкоплавкий окисел). Поэтому содержание серы и фосфора ограничивается в углеродистой стали: серы не более 0,05 %, фосфора – не более 0,04 %.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывают газы, попадающие в металл из атмосферы: кислород, подобно сере, повышает хрупкость стали; азот (см. выше) способствует старению стали и делает её хрупкой; водород, концентрируясь в межкристаллических решётках, создаёт концентраторы напряжений (внутренние) и тем самым снижает сопротивляемость стали хрупкому разрушению, снижению σ_вр временного сопротивления стали и ухудшает пластические свойства стали. Поэтому расплавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Дата добавления: 2015-07-19