Влияние содержания углерода на свойства стали

Углерод - элемент, определяющий структуру и свойства железоуглероди­стых сплавов.

Углеродотносится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение углерода.

2. Как влияет на структуру стали увеличение процентного содержания углерода?

3. Как влияет увеличение содержания углерода на механические свойства стали?

4. Как влияет увеличение содержания углерода на технологические свойства стали?

5. Как влияет уменьшение содержания углерода на технологические свойства стали?

Структурные составляющие сплавов,

Их характеристика и свойства

1.Феррит(Ф) Fe_α (C) – твердый раствор внедрения углерода в -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^oС(точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392^oС существует высокотемпературный феррит (σ) Fe_σ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499^oС (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности – δ_в = 300 МПа) и пластичен (относительное удлинение – δ =30%), магнитен до 768^oС.

2. Аустенит (А) Fe_y (С) – твердый раствор внедрения углерода в y-железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147^oС (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200…250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ =40…50%), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550^oС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

4. Эвтектоид системы железо – цементит называется перлитом (П), содержит 0,8 % углерода. Название получил за то, что на полированном и протравленном шлифе наблюдается перламутровый блеск. Перлит может существовать в зернистой и пластинчатой форме, в зависимости от условий образования.

5. Эвтектика системы железо – цементит называется ледебуритом(Л), по имени немецкого ученого Ледебура, содержит 4,3 % углерода.

При температуре ниже 727^oС в состав ледебурита входят цементит первичный и перлит, его называют ледебурит превращенный (ЛП).

Контрольные вопросы

1. Дайте определение феррита.

2. Дайте характеристику феррита.

3. Дайте определение аустенита.

4. Перечислите химические и механические свойства аустенита.

5. Дайте определение цементита.

6. Перечислите свойства феррита.

7. Дайте определение перлита.

8. Перечислите свойства перлита.

9. Дайте определение ледебурита.

10. Перечислите свойства ледебурита.

Диаграмма состояния системы сплавов