Железо и углерод – полиморфные химические элементы, которые способны изменять тип элементарной кристаллической ячейки под действием температуры и давления.
Если углерод является основным легирующим элементом в сплавах на основе железа, то такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в таких сталях не превышает 2,14 %. Сталь, в которой присутствуют легирующие элементы (усложняющие ее химический состав), называется легированной.
Для оценки качества сталей, закономерностей процессов разрушения, разработки новых и совершенствования существующих технологических процессов, а также при борьбе с браком и при работах над улучшением качества продукции необходимо знать их структурное состояние и его
влияние на свойства (эксплуатационные, механические, технологические, химические, физические).
Структура сталей является характеристикой свойств. Структурночувствительные свойства зависят от термической обработки (твердость, прочность). Характеристики жесткости (модуль нормальной упругости, модуль сдвига), жаростойкость (окалиностойкость) не чувствительны к изменениям структуры.
Сталь | Как это сделано
Под структурой понимают строение, форму, размеры и характер расположения соответствующих фаз. Фазы являются структурными составляющими, имеющими однородное (гомогенное) кристаллическое строение и агрегатное состояние, отделенные от других составных частей поверхностями (границами) раздела. Составляющими микроструктур являются фазы. Под фазой понимают однородную часть сплава, имеющую
границу раздела, при переходе через которую состав и свойства меняются скачком. Стали могут быть однофазными, двухфазными и многофазными.
Структура сталей зависит главным образом от того, в какие химические взаимодействия вступают компоненты (химические элементы, входящие в состав стали). Компоненты могут образовывать следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения. В твердом состоянии в сталях может не быть химического взаимодействия между компонентами, в таком случае структура является механической смесью,
состоящей из двух и более фаз.
1.Типы соединений компонентов в сталях
Условия взаимодействия компонентов в сталях способствуют образованию следующих типов соединений:
1. Твердые растворы, в которых основной компонент (растворитель) сохраняет свой тип кристаллической решетки, а атомы растворенного компонента замещают часть атомов в этой решетке (твердый раствор замещения) или внедряются в междоузлия (твердый раствор внедрения). На диаграмме состояния железо-углерод (см. приложение А) им соответствуют области, ограниченные убывающими и возрастающими линиями
растворимости. Твердые растворы: аустенит, феррит.
Твердый раствор может быть фазой и структурой.
2. Химическое соединение имеет новый тип кристаллической решетки, который отличается от кристаллических решеток составляющих его компонентов. Поэтому подобно химически чистому элементу плавится при постоянной температуре. Оно образуется при строгом стехиометрическом соотношении химических элементов, т. е. имеет химическую формулу – Fe3C (цементит) – это однофазный сплавна основе железа, содержащий 6,67 % углерода (см. приложение А).
Химическое соединение может быть фазой и структурой. Это оксиды (FeO), карбиды (VC, WC, TiC), интерметаллиды (FeAl).
3. Механическая смесь фаз, которые не растворяются друг в друге, каждая сохраняет свой тип элементарной ячейки (кристаллической решетки). Условие образования: строго постоянные температура и химический состав стали в критических точках С (1147 °С, 4,3% С) и S (727 °С,
0,83% С ) (см. приложение А).
Механическая смесь всегда структура, так как в ее состав могут входить две и более фаз. При температуре 20 оС перлит и ледебурит являются механической смесью феррита и цементита (см. приложение А).
Источник: markmet.ru
Структура стали и химический состав
Температура плавления чистого железа 1535°C. При охлаждении в процессе кристаллизации образуется так называемое d — железо, имеющее кристаллическую решётку объёмно-ентрированного куба (ОЦК-решётка).
При температуре 1490°C сталь переходит в тверды р-р углерода в железе (аустенит g — железа) где атомы углерода распологаются в вцентре атомной кристаллической решетки железа, а атомы железа по углам в центрах грани (ГЦК-решётка).
. .При температурах ниже 910°С из аустенита начинают выделяться кристаллы твёрдого раствора углерода в a — железе, называющиеся ферритом. По мере выделения феррита из аустенита, последний всё более обогащается углеродом и при температуре 720°С превращается в перлит, то есть смесь, состоящую из перемежающихся пластинок феррита и карбида железа Fe3C, называемого цементитом. Таким образом, структура охлаждённой до комнатной температуры стали, состоит из двух фаз: феррита и цементита, который образует самостоятельные зёрна и входит в феррит в виде пластинок. Величина зёрен оказывает значительное влияние на механические свойства стали. Чем меньше зёрна, тем выше качество стали.
По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали:
По содержанию легирующих компонентов:
1).низколегированные – легирующих компонентов до 2,5%;
2).среднелегированные – легирующих компонентов 2,5 — 10%;
3).высоколегированные – легирующих компонентов свыше 10%;
Углеродистые стали состоят из железа и углерода с добавкой кремния (или алюминия) и марганца.
Углерод (У) повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость.
Кремний (С) увеличивает прочность стали, но ухудшает её свариваемость.
Алюминий (Ю) повышает ударную вязкость, хорошо раскисляет сталь, и нейтрализует вредное влияние фосфора.
Марганец (Г) увеличивает прочность и вязкость стали, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние.
По степени раскисления стали могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными.
Спокойные стали используют при изготовлении ответственных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям.
7. Способы изготовления выплавки сталей . Раскисление
1) в мартеновских печах (качество и св-ва)
2) в конверторах с продувкой (качество и св-ва)
3) электротермический (дешевый)
После плавки сталь разливают в изложницы, где происходит их затвердевание и кристаллизация, при этом если в состав не добавлен раскислитель то сталь в следствии выделения газов – кипит (кипящая сталь), она не однородна по длине слитка.
Головная часть слитка, наиболее рыхлая (из-за насыщения газом => усадка), ее отризают от слитка (5% от массы)
Кипящие стали имеют хорошие показатели по пределу текучести и по временном сопротивлению однако хуже сопротивляются хрупкому разрушению или старению.
Повысит качество стали можно раскислением т.е. добавками кремния (0,12-0,3%) и алюминия (0,1%)
Раскислители соединяются с растворенным в составе стали кислородом и уменьшают его вредное влияние, при этом улучшаются механические св-ва и повышается качество стали.
Раскисленные стали не кипят – их называют спокойными, ( с головки срезают 15%)
Спокойные стали хорошо сопротивляются хрупкому разрушению применяются для ответсвенных конструкций, и дороже кипящих.
Промежуточное положение по качеству и стоимости (кп и сп) принимают – полуспокойные стали которые раскисляют меньшим количеством кремния (0.05-0.15%)
Последнее изменение этой страницы: 2019-05-08; Просмотров: 374; Нарушение авторского права страницы
lektsia.com 2007 — 2023 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.009 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь
Источник: lektsia.com
Основные структуры сталей
Сталь — это многокомпонентный сплав, который состоит из железа и углерода. Под разным давлением и температурой свойства и тип кристаллической ячейки этих двух компонентов может меняться. Структура сталей — это характеристики ее свойств. Под структурой подразумеваются: строение, форма и характер расположение фаз, которые образуют зерна. Для того чтобы просмотреть эти зерна, необходимо изучить излом.
Сплавы из стали подлежат обязательной термической обработке, во время которой значительно повышаются показатели прочности.
Исследование фаз проводится под микроскопом. Все зерна могут иметь разную форму и размер. Это все зависит от метода получения металла и от механической обработки. К примеру, в кованом металле зерна имеют небольшой размер, в свою очередь литой металл характеризуется большими размерами зерна.
Структуру сталей очень важно изучать, поскольку это дает возможность улучшить свойства материала, тем самым сделать готовые изделия максимально надежными и повысить их эксплуатационные свойства.
В большей степени структура сталей зависит от того, какие химические реакции происходят между ее компонентами. Различаю такие фазы, как:
- жидкий раствор;
- твердый раствор;
- химическое соединение.
Классификация структуры стали
Схема классификации сталей по химическому составу.
Основные марки сталей:
- Техническое железо применяется при создании сердечников трансформаторов. Такой сплав содержит от 0,006 до 0,02 % углерода.
- Доэвтектоидная сталь содержит от 0,02 до 0,8 % углерода. Из такого материала изготавливают различные детали машин и других конструкций.
- 0,8% углерода в составе характеризует эвтектоидную сталь, которая сегодня используется для изготовления мерительных и режущих инструментов.
- Заэвтектоидная содержит в своем составе углерод в пределах от 0,8 до 2,14 %. Этот материал также используется для производства режущих и измерительных инструментов.
- Доэвтектический белый чугун характеризуется достаточно большим процентом углерода от 2,14 до 4,3. С такого материала изготавливаются детали с высокой износоустойчивостью.
Влияние углерода на свойства и структуру стали
Таблица содержания углерода в различных марках стали.
Железо в чистом виде — это очень пластичный и непрочный материал, который не используется для изготовления технических конструкций и деталей. Для этой цели самым подходящим вариантом является сталь. Ее основные свойства будут зависеть от того, какое количество углерода входит в ее состав. Стоит понимать, что углерод — это не металл, в природе его можно встретить в трех видах:
- каменный уголь;
- графит;
- алмаз.
В стали углерод вноситься в связанном состоянии в виде цементита. Чем больше цементита входит в состав стали, тем она становиться прочнее и тверже, при этом пластичность материала снижается. Механические свойства также будут обусловлены формой и размером структурных частиц. Чем меньше размеры и тоньше пластины феррита и цементита, тем более высокими будут прочность и твердость стали.
Чем больше в составе содержится углерода, тем хуже становится пластичность и способность к деформации, особенно в холодном состоянии.
Основным достоинством высокоуглеродистых сталей является их износостойкость и твердость, именно поэтому они относятся к группе инструментальных.
Термическая обработка: особенности
Для того чтобы изменить прочность и твердость стали, необходимо провести термообработку.
Таблица деформации стали до, во время и после термической обработки.
Такая обработка заключается в поочередной смене разных температур — нагревании и охлаждении. В зависимости от того, какая температура используется для нагрева и как быстро охлаждается сталь, различают несколько видов термообработки.
Отжиг — термическая обработка, во время которой материал нагревается до температуры, которая превышает фазовые изменения. После такого нагрева следует постепенное охлаждение, чаще всего вместе с печью. Благодаря такой обработке можно изменить неправильные структуры стали, улучшить механические показатели после таких процессов, как сварка, ковка, литье.
Закалка — процесс, при котором температура нагревания достигает аутентичного состояния, но в отличие от предыдущего процесса остывание происходит быстро. За счет этого сталь приобретает максимальные показатели прочности.
Отпуск — это термическая обработка, при которой сталь нагревается не доходя до аустенитного состояния и очень медленно охлаждается.
Старение — процесс распада твердых растворов, которых в составе стали большое количество.
Для того чтобы получить качественный результат, стоит правильно подобрать температуру нагрева, необходимое время выдержки, скорость охлаждения.
Схемы микроструктур углеродистой стали в зависимости от содержания углерода.
Температура закалки может быть двух видов: полная закалка и неполная. Полная закалка — это температура, при которой достигается аустенитное состояние, неполная — температура подымается до достижения аустеннито-цементитного состояния.
Выдерживать изделия в печи крайне необходимо. Именно на этом этапе происходит прогревание всего изделия по всему объему. Это способствует завершению фазовых превращений, выравниванию температуры и растворению карбидов. Время для выдержки зависит от размера изделия, температуры нагрева и химического состава.
Скорость охлаждения будет зависеть от марки стали и среды охлаждения. Самый быстрый способ остудить изделие — окунуть его в воду, менее быстрый — использовать вместо воды масла; и самый медленный метод — охладить изделия и оставить на открытом воздухе.
Увеличение износостойкости промышленных деталей
Машинные детали должны обладать высокими показателями износостойкости, поскольку детали длительное время трутся друг о друга. Для того чтобы повысить износостойкость таких поверхностей, используют химико-термическую обработку — поверхностное легирование. Вследствие такого процесса меняется микроструктура от поверхности к сердцевине.
Во время этого процесса поверхность насыщается такими материалами, как углерод, азот, бром, кремень, алюминий или хром. После такой обработки поверхность будет отличаться от состава всего изделия.
Источник: moyasvarka.ru