Закономерности формирования свойств

Известно, что компоненты и фазы, находящиеся в сплаве, могут создавать три типа связей между собой: твердые растворы; химические соединения; механические смеси. Каждый из этих типов связей обладает характерными свойствами.

Твердые растворы обладают наибольшей пластичностью, по сравнению с другими типами связей, но минимальной твердостью. Химические соединения – максимальной твердостью, но минимальной пластичностью. Механические смеси характеризуются максимальной прочностью.

Проведем фазовый анализ всех сплавов, находящихся при комнатной температуре, помня, что перлит представляет собой механическую смесь, состоящую из двух фаз: феррита и цементита. Результаты фазового анализа представлены в таблице 1.

Рисунок 8 – Заэвтектоидная сталь (С=1, 2 %). Травление 5 %-ным спиртовым раствором HNO3

Из таблицы видно, что все сплавы, кроме сплавов с концентрацией углерода до 0, 006 %, являются двухфазными. Они содержат в своем составе две фазы: феррит и цементит. Кроме этого, в системе сплавов Fe – Fe₃C можно встретить все три типа связей: и твердые растворы, и механические смеси, и химические соединения.

Количественное соотношение фаз и структурных составляющих с изменением концентрации углерода будет постоянно меняться (рисунок 9). Так, например, количество феррита, начиная с 0, 006 и до 6, 67 % углерода, будет уменьшаться от 100 до 0 %. Количество цементита, начиная с 0, 006 %, наоборот, будет увеличиваться от 0 до 100 %. А вот количество перлита, начиная с 0, 02 % углерода, в начале будет расти от 0 до 100 %, и этот рост будет отмечаться в интервале концентраций от 0, 02 до 0, 8 % углерода, затем пойдет уменьшение количества перлита, и при концентрации углерода 6, 67 % он полностью исчезнет.

Таблица 1- Фазовый анализ сплавов диаграммы состояния

% углерода	Структура	Фазы
до 0, 006	Феррит	Феррит
от 0, 006 до 0, 02	Феррит + цементитI	Феррит и цементит
от 0, 02 до 0, 8	Феррит + перлит	Феррит и цементит
0, 8	Перлит	Феррит и цементит
от 0, 8 до 2, 14	Перлит + цементит	Феррит и цементит
от 2, 14 до 4, 3	Перлит + Ледебурит + Цементит	Феррит и цементит
4, 3	Ледебурит	Феррит и цементит
от 4, 3 до 6, 67	Ледебурит + Цементит	Феррит и цементит
Рисунок 9 – Количественное соотношение фаз и структурных составляющих в зависимости от концентрации углерода

Формирование свойств углеродистых сталей в зависимости от концентрации углерода представлено в виде графической зависимости, выполненной в системе прямоугольных координат, где по оси ординат отмечают численные значения свойств, а по оси абсцисс – концентрацию углерода (рисунок 10).

Из графиков видно, что при концентрациях углерода до 0, 006 % из-за того, что в структуре находится только один феррит, такие сплавы характеризуются наибольшими показателями пластичности: относительное удлинение составляет примерно 60 %, а относительное сужение – 80 %. В тоже время твердость таких сплавов не превышает по Бринеллю 80 кг/мм². Предел прочности так же невелик и составляет примерно18 кг/мм². Поскольку при концентрациях углерода до 0, 006 % структура не меняется, то и свойства в этом интервале концентраций также не будут меняться.

При концентрациях от 0, 006 до 0, 02 % в структуре появляется третичный цементит (химическое соединение), это должно было бы привести к повышению твердости. Однако, из-за крайне малого количества цементита в таких сплавах, твердость, хотя и возрастает, но весьма незначительно (примерно на 5 – 10 единиц), а показатели пластичности также, почти незаметно будут падать. А вот на величину предела прочности появление в структуре третичного цементита практически влиять не будет.

В интервале концентраций углерода от 0, 02 до 0, 8 % в структуре появляется механическая смесь – перлит, обеспечивающая сплав высоким пределом прочности. При концентрации углерода 0, 8 % количество перлита равно 100 %, поэтому при этой концентрации сплав достигает максимальной прочности. Если при концентрациях углерода до 0, 02 % предел прочности был равен 18…20 кг/мм², то при 0, 8 % предел прочности будет достигать 110 кг/мм².

Поскольку в составе перлита находится твердая фаза – цементит, поэтому в интервале концентраций 0, 02…0, 8 % величина твердости будет неуклонно расти. Однако, цементит является очень хрупкой фазой, поэтому пластичность в этом интервале концентраций начнет резко падать. Если в начале диаграммы относительное сужение составляло 80 %, а относительное удлинение 65 %, то при концентрации углерода 0, 8 % эти показатели будут составлять, соответственно, 20 % и 15 %.

Начиная с концентрации углерода 0, 8 % и выше, за счет уменьшения количества перлита, показатели пластичности и прочность начнут уменьшаться, а твердость, за счет появления вторичного цементита, будет продолжать расти.