Влияние структурных составляющих на свойства железоуг­леродистых сплавов

Основными структурными составляющими железоуглеродистых сплавов является графит, феррит, цементит, аустенит, ледебурит и перлит, обладающие различными свойствами; поэтому количественное содержание их сильно влияет на свойства железоуглеродистых сплавов.

Графит - мягок, его истинная плотность 2,25 г/см³, он нарушает сплошность металла, понижая сопротивление растяжению и вязкость, увеличивает хрупкость тем больше, чем крупнее его частицы. Графит характеризует микро­структуру литейных чугунов.

Феррит - твердый раствор углерода в aFe, мягкий, вязкий, хорошо кует­ся и сваривается. Чем больше в металле феррита, тем металл мягче, более ковок и тем больше дает удлинение при растяжении.

Цементит - карбид железа Fe₃C. С увеличением его содержания сначала возрастают твердость и прочность металла (наибольший предел прочности при растяжении - при содержании углерода 1,2%); с дальнейшим увеличением ко­личества цементита сопротивление падает, вязкость уменьшается, а твердость и хрупкость возрастает.

Аустенит - твердый раствор углерода в γ Fе; содержит до 2% углерода. В обыкновенных сталях аустенит устойчив только при температуре выше 723°С В легированных сталях, содержащих в своем составе некоторое количество Мп, Cr, Ni и других элементов, аустенит может быть устойчивым и при обычной, и даже низкой температуре. Механические свойства аустенита зависят от содер­жания в нем углерода. С уменьшением количества углерода аустенит становится более мягким и вязким; с увеличением - более твердым и хрупким.

Ледебурит - эвтетика (цементит + аустенит), очень тверд и хрупок, присутствует в белых чугунах. Образуется при температуре 1130 °С и содержит углерода С=4,3% - эвтектический чугун.

Перлит - эвтектоид (феррит + цементит), обладает сравнительно высокой прочностью, достаточно вязок, имеет зернистое или пластинчатое строение. Образуется в процессе распада аустенита при температуре 723°C и содер­жанием углерода 00,83%, примеси Si, Мп способствуют образованию перли­та и при меньшем содержании углерода.

Влияние химических элементов на свойства железоуглеродистых сплавов

На свойства железоуглеродистых сплавов влияют некоторые химические элементы, находящиеся в них или специально вводимые в сплавы при плавке для улучшения их свойств (легирование сталей и чугунов).

Кремний (Si) образует с железом силицид путем вытеснения углерода из цементита (карбид железа). Он повышает твердость стали, сопротивление разрыву, предел текучести и упругости, понижает пластичность и ударное со­противление при низких температурах (сталь приобретает так называемую хладноломкость). Чем больше в стали кремния, тем выше температура пере­хода стали в хрупкое состояние. Кремний является хорошим раскислителем стали, что обеспечивает получение плотных и беспузырчатых отливок, но увеличивает усадочную раковину. Содержание кремния в углеродистой стали обычно не более 0,35-0,4%_. Кремний способствует образованию гранита.

Марганец (Мп) придает стали устойчивость твердому раствору углеро­да в Fe, увеличивает твердость, предел прочности, сопротивление разрыву, предел текучести и упругости, но уменьшает относительное удлинение и ударную вязкость стали.

При содержании в стали марганца до 1% понижается (до -100°С) температура перехода в хрупкое состояние, а при большем содержании - температу­ра повышается, достигая при содержании 2% марганца -40°С.

Марганец способствует уменьшению содержания серы в металле, кроме того он раскисляет металл. К отрицательным свойствам марганца относятся его способность увеличивать усадку и хрупкость чугуна. Для обыкновенного литья содержание марганца допускается в пределах 0,5-1% (в 1,52,5 раза больше, чем Si).

Фосфор (Р) - входит в соединение с железом, образуя фосфид железа (Fe₃P) - повышая литейную способность (текучесть в жидком состоянии), но

вызывающую хрупкость при обычных и низких температурах (хладноломкость). Наличие фосфора в стали делает ее также хрупкой при пониженных температурах, повышает предел прочности, но резко снижает сопротивление удару и пластические свойства. Поэтому в строительных сплавах и рельсах содержание фосфора ограничивается до 0,04%, для болтовых гаек требуется сталь мягкая, но в то же время и хрупкая, поэтому ее выделывают с малым содержа­нием углерода (0,1-0,2%) и с повышенным содержанием фосфора (до 0,6%).

Сера (S) соединяется с железом, образуя сернистое железо (FeS). В чугу-нах сера ухудшает литейные свойства, способствуя образованию сплава густой концепции, а в отливках - пор; она также увеличивает хрупкость чугуна в на­гретом состоянии. Сера понижает качество чугуна, поэтому содержание ее должно быть минимальным (<0,04%).

Хром (О) повышает твердость, упругость и прочность сталей и понижает их относительное удлинение. До 2% содержание хрома повышает ударную вяз­кость, а при большем содержании - понижает. Наличие хрома в стали увеличи­вает ее стойкость против коррозии.

Никель (N1) увеличивает предел прочности и несколько снижает относи­тельное удлинение сталей. С увеличением содержания никеля понижается тем­пература перехода стали в хрупкое состояние. Как легирующая примесь часто применяется в сочетании с хромом.

Медь (Си) повышает устойчивость стали против коррозии и только, на механические свойства стали медь значительного влияния не оказывает. Медь как легирующая примесь часто применяется в сочетании с другими элементами (хром, никель, кремний, марганец).

Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород (0₂); если его содержание превышает 0,03%, он вызывает старение стали, а более 0,1% - крас­ноломкость.