Тема 2. 1. Структура и свойства углеродистых сталей

На рис. 2.1 приведена упрощённая диаграмма состояний Fe - Fe₃C (без детального изображения левого верхнего угла). По оси абсцисс отложено процентное содержание углерода. Линия АСD - линия ликвидус, АЕСF - линия солидус.

Рис. 2.1. Диаграмма состояний Fe - Fe₃C

Для фаз и структурных составляющих сплавов железа с углеродом общеприняты следующие названия:

аустенит - ограниченный твёрдый раствор углерода в Fe_g;

феррит - ограниченный твёрдый раствор углерода в Fe_a;

перлит - эвтектоид, состоящий из чередующихся пластинок цементита в феррите;

ледебурит - эвтектика: Л₁ - эвтектика из аустенита и цементита; Л₂ - эвтектика из перлита и цементита.

Технически чистое железо имеет следующие механические характеристики:

s_В» 300 МПа - временное сопротивление разрыву;

s_{0, 2}» 150 МПа - предел текучести при растяжении;

d» 50 % - относительное удлинение;

y» 75 % - относительное сужение;

KCU» 300 Дж/см² - ударная вязкость;

HB» 800 МПа - твёрдость по Бринеллю.

Второй фазой изучаемой диаграммы является карбид железа - цементит (Fe₃С). Он обладает высокой твёрдостью (HV 8000 МПа) и хрупкостью.

Углеродистыми сталями называют сплавы с содержанием углерода до 2, 14 % в соответствии с диаграммой, приведенной на рис. 2.1. Из диаграммы Fe– Fe₃C (см. рис. 2.1) следует, что все стали в результате затвердевания приобретают однофазную аустенитную структуру (А).

На примере стали, содержащей 0, 8 %С (т. S), видно, что превращение, происходящее при Т £ 727 ^оС, заключается в распаде аустенита на смесь феррита и цементита:

А_S Ф_р + Ц, (2.1)

где индексы S и Р показывают содержание С в аустените и феррите соответственно (в цементите оно не указывается, т.к. при любой температуре равно 6, 67 %С).

Такое превращение, когда при постоянной температуре из одной твердой фазы образуются две другие (при фиксированных составах фаз) называется эвтектоидным.

В железоуглеродистых сплавах эвтектоидное превращение (2.1) называется перлитным, поскольку в результате него образуется перлит - чередующаяся смесь тонких кристаллов (пластинок) феррита и цементита – структура, напоминающая перламутровый (жемчужный) узор раковин (рис. 2.2, б).

В зависимости от содержания С углеродистые стали делятся на доэвтектоидные (0, 02–0, 8 %С), эвтектоидные (»0, 8 %С), заэвтектоидные (0, 8–2, 14 %С).

В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение избыточного феррита, образовавшиеся из аустенита в результате фазовой перекристаллизации Fe_g (С) _® Fe_a (С) при охлаждении между линиями GS и PS. Поэтому структура доэвтектоидных сталей состоит из зерен феррита и перлита (рис. 2.2 а).

В заэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение вторичного цементита (Ц_II)[1] из аустенита, поскольку предельное содержание С в А уменьшается с понижением температуры (по линии ES). Поэтому структура заэвтектоидных сталей состоит из зерен перлита, разделенных сеткой кристаллов Ц_II (см. рис. 2. 2 в).

а	б	в	г

Рис. 2.2. Структура доэвтектоидной (а), эвтектоидной (б),

изаэтвектоидной (в) сталей и технического железа (г)

Таким образом, основной структурной составляющей углеродистых сталей в равновесном состоянии является перлит (см. рис. 2.2). Эвтектоидная сталь содержит одну структурную составляющую (П), все остальные стали по две: доэвтектоидные П + Ф, заэвтектоидные П + Ц_II.

В сплавах, содержащих < 0, 02 %С (левее т. Р, см. рис. 2.1), перлит в структуре отсутствует, т.к. в процессе охлаждения они не пересекают линию перлитного превращения (PSK). Эти сплавы называются техническим железом в отличие от химически чистого Fe, представленного на диаграмме Fе – Fe₃С вертикалью AGQ). Структура технического Fе – феррит (хотя в сплавах, содержащих 0, 01–0, 02 %С присутствует небольшое количество третичного цементита – Ц_III) приведена на рис. 2.2, г.

Несмотря на разнообразие структур углеродистых сталей (обусловленное тем, что сплавы с разным содержанием углерода пересекают при охлаждении различные линии диаграммы Fe – Fe₃С), их фазовый состав сплавов одинаков – Ф + Ц.

Поэтому свойства углеродистых сталей определяются не фазовым составом, а их структурой. По структуре углеродистые стали делят на (см. рис. 2.2):

1) доэвтектоидные, содержащие до 0, 8 % C (структура Ф + П);

2) эвтектоидные - 0, 8 % С (структура П);

3) заэвтектоидные - от 0, 8 до 2, 14 % C (структура П +Ц_II).

Из диаграммы Fe–Ц следует, что структуры практически всех (> 0, 01 %С) сплавов при нормальных температурах формируются из двух фаз – феррита (Ф) и цементита (Ц). Очевидно, что с увеличением содержания углерода в структуре сплавов возрастает количество твердого и хрупкого Ц и уменьшается количество мягкого, пластичного Ф. Твердые частицы Ц повышают сопротивление сплава пластической деформации. Поэтому с увеличением содержания углерода растут твердость (НВ) и прочность (s_в) сплавов, падают их пластичность (d, y) и ударная вязкость (KCU) (рис. 2.3).

Прочность (s_в) и твердость (НВ) характеризуют сопротивление материала пластической деформации. Поэтому между s_в и НВ существует закономерная связь

s_в = а × НВ, (2.2)

где а = const, отличающаяся для различных сплавов (для сталей а» 0, 3).

С этим связана одинаковая линейная зависимость s_в и НВ от содержания углерода. Однако, как видно из рис. 2.3, в сплавах, содержащих > 0, 8 %С, прочность при растяжении падает, а твердость продолжает расти. Это обусловлено охрупчивающим влиянием сетки Ц_II в заэвтектоидных сталях, которое не сказывается при измерениях твердости, т.к. при этом работает не все сечение образца (как при определении s_в), а лишь локальная область под индентором (наконечником) при измерении твердости.

Таким образом, зависимость s_в = f(С), показанная на рис. 2.3, на примере углеродистых сталей наглядно иллюстрирует взаимосвязь между их составом, структурой и свойствами.

По назначению различают:

1) конструкционные стали (до 0, 6 % С);

2) рессорно-пружинные (0, 6-0, 8 % С);

3) инструментальные (0, 7 и более процентов углерода).

По содержанию углерода стали подразделяют на малоуглеродистые (содержат до 0, 25 % С), среднеуглеродистые (0, 25-0, 6 % С) и высокоуглеродистые - свыше 0, 6 % С.

Видно, что достоинством сталей с большим содержанием углерода (³ 0, 7 %С) является высокая твердость, поэтому такие стали относятся к группе инструментальных (т.к. основное требование для большинства видов инструмента – именно высокая твердость). Маркировка этих сталей У7, У8, У10, –, У13 (ГОСТ 1435–90), где цифры показывают содержание углерода в десятых долях %.

Конструкционные стали используют для разнообразных по назначению изделий, работающих при сложных, в том числе, динамических нагрузках. Такие стали должны обладать оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости, поэтому, в основном, это мало – и среднеуглеродистые стали. Они подразделяются на стали обыкновенного качества общего назначения (марки Ст0, Ст1, Ст2, –, Ст6 ГОСТ 380–94) и качественные конструкционные стали (марки 08, 10, 15, 20, 25, –, 40, 45, –85 ГОСТ 1050–88):

а) сталь углеродистая обыкновенного качества, (ГОСТ 380-94) следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст6пс, Ст6сп. Буквы Ст обозначают " Сталь", цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава (чем больше номер, тем больше в стали углерода и ниже пластичность), буквы кп, пс, сп – степень раскисления (кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная). Прокат из этих сталей, в зависимости от нормируемых показателей, подразделяют на категории: 1, 2, 3, 4, 5, 6. Прокат категории 1 поставляют по механическим характеристикам, 2 –6 – по механическим характеристикам и химическому составу, для категорий 3-6 дополнительно регламентируют ударную вязкость. Номер категории добавляют к обозначению марки стали, например, Ст3пс1, Ст5сп2 (ГОСТ 535-88, 16523-97 и др.);

б) сталь углеродистая качественная конструкционная (ГОСТ 1050-88). Поставляют стали марок: сталь 05, 08, 10, 15, 20 - 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85.

Содержание углерода в сталях обыкновенного качества изменяется от» 0, 1 % до 0, 5 % и в среднем возрастает с увеличением цифры в марке (соответственно изменяются свойства согласно рис. 2.3). Из этих сталей обычно изготавливают малонагруженные изделия, не подвергаемые упрочняющей термической обработке.

В марках качественных конструкционных сталей цифры показывают содержание углерода в сотых долях % (например, в стали 45 содержится 0, 45 %С). С увеличением содержания углерода количество перлита в них возрастает (а вместе с ним увеличиваются твердость и прочность), достигая 100%П при С=0, 8%. Эти стали применяют для ответственных изделий, которые для получения оптимальных механических свойств подвергаются упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки и отпуска.

Стали с высоким содержанием углерода (0, 6–0, 85 %С применяют главным образом в качестве рессорно-пружинных, а также для деталей с повышенными требованиями по прочности, упругости и износостойкости (шпиндели, эксцентрики, диски сцепления, прокатные валки и др.)

Высокоуглеродистые стали (³ 0, 7 %С) обладают высокой твердостью (рис. 2.3), поэтому такие стали относятся к группе инструментальных (т.к. основное требование для большинства видов инструмента – именно высокая твердость).

Инструментальные углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) подразделяют на две группы по качеству: качественные марок У7, У8 – У13 и высококачественные, более чистые по содержанию серы и фосфора, марок У7А, У8А – У13А.

Буквы и цифры в обозначении марок стали означают: У - углеродистая, следующая за ней цифра - среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Вопросы для самоконтроля

1. Начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe₃C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.

2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?

3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?

4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.

5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?

6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?

7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?