И их свойства

Сплавы железа распространены в промышленности наиболее широко. Главные из них — сталь и чугун — представляют собой сплавы железа с углеродом. Для получения заданных свойств в сталь и чугун вводят легирующие элементы.

Чистое железо — мягкий металл серебристо-белого цвета. Плот­ность 7,88 г/см3, температура плавления железа 1539 °С, прочность на разрыв 166.. .206 МПа, относительное удлинение 40 %, твердость по Бринеллю НВ 480,5. Технические сорта железа содержат 99,8…99,9 % Fe. Железо известно в двух полиморфных модифика­циях а и у. При нагреве железо испытывает аллотропические превращения. Модификация a-железо (Fea) существует при тем­пературах ниже 910°С и выше 1392°С. Кристаллическая решетка а-железа — объемно-центрированный куб (рис. 1.7, а) с парамет­ром решетки а = 0,28606 нм. Модификация у-железо (Fe^) существует при температуре 911… 1392 °С. При 911 °С происходит превращение кристаллической решетки объемно-центрированного куба в гранецен­трированный куб. Кристаллическая решетка у-железа — гранецент­рированный куб (рис. 1.7, 6) с параметром решетки а = 0,3645 нм. Критическую точку у —» а превращения при 911 °С обозначают со­ответственно Асз (при нагреве) и Аг^ (при охлаждении).

2 -7736

Углерод (С) в природе встречается в виде двух модификаций: в форме алмаза, имеющего сложную кубическую решетку, и в форме графита, имеющего простую гексагональную решетку. Температу­ра плавления углерода 3500 °С. Углерод полиморфен. В обычных условиях он находится в виде модификации графита. Углерод ра­створим в железе в жидком и твердом состояниях, а также может находиться в виде химического соединения Fe3C — цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий до 2,14 % С. Чугун — сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С. В стали кроме железа и углерода имеются еще такие элементы, как марганец и кремний (переходят в сталь в процессе раскисления), хром, никель, медь (переходят в сталь из шихты), сера, фосфор и газы: кислород, азот, водород.

Феррит (Ф) — твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Раз­личают низкотемпературный а-феррит с растворимостью углерода до 0,02 % и высокотемпературный 8(а)-феррит с предельной раствори­мостью углерода 0,1 %. Кристаллическая решетка феррита — куби­ческая объемно-центрированная. Под микроскопом феррит выявляет­ся в виде однородных полиэдрических зерен. Предел прочности ферри­та 274,6 МПа, он мягкий (НВ 65… 130), пластичный (5 = 40 %).

Аустенит (А) — твердый раствор внедрения углерода в у-железе. Предельная растворимость углерода в у-железе 2,14 % при темпера­туре 1147 °С, а при 727 °С — всего лишь 0,8 % С. Микроструктура аустенита — полиэдрические зерна. Аустенит парамагнитен, плас­тичен, имеет низкие значения пределов прочности, упругости и твердости. Аустенит быстро и сильно упрочняется под действием пластической деформации. Элементы, растворяющиеся в аустени­те, могут значительно изменять его свойства, а также темпера­турные границы его существования. Аустенит сравнительно мяг­кий (НВ 170…200), немагнитен.

При температурах ниже 723 °С в углеродистой стали равновесно­го состояния аустенитная фаза отсутствует; в структуре углеродис­той стали закаленного состояния она может присутствовать при комнатной температуре в небольшом количестве в виде так называ­емого остаточного аустенита. Добавка специальных элементов (ни­келя, марганца и др.) снижает температуру превращения у-железа в a-железо, благодаря чему образуется аустенит, устойчивый при комнатных температурах. Стали с такими добавками носят назва­ние аустенитных.

Цементит — структурная составляющая стали — химическое со­единение железа с углеродом — карбид железа Ре3С. Цементит име­ет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Це­ментит имеет очень высокую твердость (НВ 800), хрупкий. В усло­виях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Перлит. При охлаждении до 727 °С происходит распад аустенита с образованием структуры, которую называют перлитом. Перлит со­держит 0,8 % С и представляет собой структуру, состоящую из двух фаз — феррита и цементита. Строение перлита пластинчатое — це­ментит залегает в виде пластинок — или зернистое — цементит име­ет форму глобулей, в основной массе феррита. Перлит обладает срав­нительно низкой твердостью (НВ 160, 5 = 15 %). В условиях трения при достижении местной высокой температуры перлит может пере­ходить в аустенит.

Сорбит —■ продукт превращения (распада) аустенита или мар­тенсита в стали, механическая смесь феррита и цементита, отличаю­щаяся от перлита значительно более высокой твердостью и тонкодис­персной структурой. Для получения структуры сорбита из аустени­та необходимо охлаждение стали вести со скоростью, определяемой химическим составом стали. Структура сорбита получается также в результате отпуска мартенсита при определенной для данного со­става стали температуре.

Троостит — продукт превращения аустенита в интервале темпе­ратур 500…600 °С — механическая смесь феррита и цементита, боль­шей дисперсности и твердости, чем сорбит. Троостит является продук­том распада аустенита после выдержки при температуре 300…400 °С. В этом случае его называют игольчатым трооститом. Троостит по­лучается также при отпуске мартенсита.

Мартенсит — структура стали, представляющая собой пе­ресыщенный твердый раствор углерода и легированных элементов в a-железе. Получается в результате закалки. Атомы углерода нахо­дятся в междоузлиях: либо в центре оснований тетраэдров, либо по­средине их длинных ребер. При образовании мартенсита решетка a-железа сильно искажается, превращаясь из кубической в тетраго­нальную. Наименьшая скорость охлаждения детали, необходимая

для образования структуры мартенсита, называется критической ско­ростью закалки. Мартенсит обладает низкой пластичностью, высо­кой хрупкостью и твердостью (HRC 55…65). В сталях и сплавах на основе железа наблюдают два морфологических типа мартенсита — пластинчатый и реечный. Пластинчатый мартенсит, который также называют игольчатым, низкотемпературным или двойниковым, об­разуется в высокоуглеродистых сталях и сплавах железа с большим содержанием никеля. Реечный мартенсит, называемый также мас­сивным, высокотемпературным, образуется в закаленных малоугле­родистых и среднеуглеродистых сталях, а также в большинстве кон­струкционных легированных сталях. Кристаллы этого мартенсита имеют форму реек, вытянутых в одном направлении.

Мартенсит и остаточный мартенсит являются неравновесными фазами. Переход стали в более устойчивое состояние должен сопровождаться распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием феррито-цементитной структуры. Распад твердого раствора носит диффузионный характер, поэтому скорость его про­текания в основном определяется температурой нагрева.

Удельный объем структурных составляющих следующий (в по­рядке уменьшения): тетрагональный мартенсит, мартенсит, мартен­сит с кубической решеткой, перлит (сорбит, троостит), аустенит. Если при механической обработке детали происходят структурные пре­вращения, сопровождаемые увеличением удельного объема (напри­мер, при превращении аустенита в мартенсит), а объем мартенсита больше объема аустенита, происходит фазовый наклеп. Образуют­ся остаточные сжимающие напряжения, при обратном процессе — растягивающие напряжения. Увеличение концентрации точечных и линейных дефектов кристаллического строения и образование суб­микроскопических (не опасных и не вредных) трещин также увели­чивает удельный объем металла. Суммарное максимальное увели­чение удельного объема для сталей достигает 1,1 %. Это обусловли­вает образование в пластически деформированной зоне остаточных напряжений сжатия, которые в зависимости от материала и метода обработки достигают 1200…1500 МПа; глубина залегания напряже­ний обычно на 10…50 % превышает глубину слоя с повышенной твер­достью. Максимальные напряжения чаще всего — непосредственно на поверхности или на некотором расстоянии от поверхности (выз­вано тепловыми явлениями).

Стали аустенитного класса обладают чувствительностью к накле­пу. В этих сталях под влиянием пластической деформации и темпе­ратуры процесс превращения аустенита в мартенсит и другие про­межуточные структуры ускоряется, в результате чего повышается упрочнение, которое значительно усиливается за счет создания тон­кой субмикронеоднородности структуры внутри кристаллов мартен­сита, вызванной распадом твердого раствора.

У сталей наибольшей истирающей способностью обладает пластинчатый перлит, а наименьшей — зернистый перлит с очень мелкими зернами цементита. Аустенитные стали, в структуре кото­рых содержится мало карбидов, обладают небольшой истирающей способностью. У сталей истирающая способность, как правило, по­вышается с увеличением твердости.

Для уменьшения износа вала и сопряженной с ним детали необходимо, чтобы стальной вал имел мелкозернистую структуру с точечной формой цементита и карбидов легирующих элементов. Мелкозернистая структура увеличивает износостойкость деталей вследствие повышенного сопротивления деформированию. Очевид­но, что два тела с различной структурой при всех прочих одинако­вых условиях трения и с одинаковой шероховатостью будут иметь различную износостойкость.

Маркировка легированных сталей производится буквами и циф­рами, которыми обозначаются легирующие элементы, и указывает­ся их количество. По ГОСТу каждому элементу присвоена опреде­ленная буква:

Марганец……..	…….. Г	Ванадий……….	…. Ф
Кремний……..	…. С	Титан……………	….. Т
Хром……………	……. X	Алюминий….	….. Ю
Никель………..	…….. н	Медь……………..	.. д
Молибден….	……. м	Кобальт………..	….. к
Вольфрам____	…….. в	Фосфор………….	…… п

В марке стали соблюдается определенный порядок расположе­ния цифр и букв. На первое место ставятся две цифры, указываю­щие среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее указываются все легирующие элементы. Каждый элемент обознача­ется присвоенным ему индексом, а приближенное содержание его в % указывается цифрой справа от этого индекса.