Сталь — это самый распространенный сплав в промышленности

Из этого материала вы узнаете

:

• История открытия сплавов железа с углеродом
• Структурные составляющие сплавов железо-углерод
• Диаграмма сплава железо-углерод
• Как читать диаграмму сплава железа с углеродом
• Применение стали из железоуглеродистых сплавов
• Разновидности чугуна из сплава железа с углеродом
• Полиморфные превращения в сплавах железо-углерод

Открытие сплава железа с углеродом явилось одним из самых важных событий в истории развития металлургии. Именно эти два элемента подарили миру наиболее востребованные марки стали и чугуна. Это те сплавы, из которых производится большая часть промышленного оборудования, металлических конструкций, инструмента, изделий бытового назначения.

В зависимости от процентного содержания углерода в железе, а также способа литья эти сплавы приобретают разные свойства: стойкость к коррозии, необычайную прочность, эластичность и т. д. О том, какие сплавы железа и углерода используются сегодня и как их получают, вы узнаете из нашего материала.

История открытия сплавов железа с углеродом

Выдающийся изобретатель Дмитрий Чернов прославился диаграммой «железо-углерод» и открытием, связанным с полиморфными превращениями. Именно он стал первооткрывателем особых точек в таких сплавах, как чугун и сталь. По мнению ученого, на расположение точек на диаграмме влияет процентная доля углерода.

Открытие стало настолько значимым, что положило начало новой науке – металлографии.

Сама диаграмма сплава железа с углеродом – это масштабный проект, разработанный несколькими учеными из разных уголков мира. Именно поэтому обозначения фаз и основных точек являются международными.

Структурные составляющие сплавов железо-углерод

Основа чугуна и стали – сплав железа с углеродом. Оба черных сплава являются незаменимыми при создании конструкционных деталей для техники. Их качества и структура определяются свойствами базовых компонентов и примесей. Также важно учитывать характер взаимодействия элементов.

Чистое железо – это серебристо-белый металл, который имеет температуру плавления +1 539 °С. Металл является тугоплавким и может обладать одной из полиморфных модификаций – a либо g.

VT-metall предлагает услуги:

Низкотемпературный режим (ниже +910 °С) приводит к первой модификации. В этом случае для железа характерна объемно-центрированная кубическая решетка. Его называют а-феррумом. Железо является магнитным при температуре до +760 °С (до точки Кюри).

Нагрев железа приводит к превращению решетки из объемно-центрированной в гранецентрированную. Для создания g-железа необходим высокотемпературный режим – от +910 °С до +1 392 °С.

Углерод представляет собой неметаллический элемент. Его температура плавления составляет +3 500 °С. В природе элемент способен существовать в виде алмаза или графита. Первая полиморфная модификация в сплавах не встречается.

Если говорить об углеродистой структуре в сплаве железо-углерод, то она слоистая. В связи с этим неметаллический элемент в свободном виде имеет форму графита, особенность которого заключается в низких показателях пластичности и прочности.

Углерод растворим в железе и в жидком, и в твердом состоянии. Он способен создать химическое соединение под названием цементит, где углерод в свободном виде также будет иметь форму графита.

Возможные составляющие сплавов железа с углеродом перечислены ниже

:

• Аустенит (А)
  . Это твердый раствор элементов в g-железе. Он может существовать только при высокотемпературном режиме (выше +727 °С). С минимальной из возможных температур растворимость составит 0,8 %, а при +1 147 °С – 2,14 %. Главная особенность аустенита – его высокая пластичность.
• Графит
  . Он представляет собой аллотропическую модификация углерода, обладающую низкой прочностью и высокой мягкостью. Может присутствовать в графитизированной стали и в чугуне. Там он будет существовать в виде вкраплений различной конфигурации. Именно форма окажет непосредственное влияние на технологические и механические свойства сплава.
• Ледебурит
  . Это механическая смесь из цементита и аустенита, в которой доля углерода составляет 4,3 %. Для получения ледебурита необходимо эвтектическое превращение при температуре +1 147 °С. Если температура составит +727 °С, то аустенит превратится в перлит, и ледебурит станет смесью цементита и перлита. Основные характеристики ледебурита – хрупкость и твердость. Компонент можно встретить во всех белых чугунах.
• Перлит (П)
  . Еще один элемент сплава железа с углеродом. В нем доля углерода составляет 0,8 %. Сам перлит представляет собой механическую смесь цементита и феррита. Его можно получить путем эвтектоидного распада (перекристаллизации) аустенита при температуре +727 °С. В честь распада перлит называется эвтекоидом. Для него характерен высокий уровень прочности и твердости. Также перлит способен повысить механические свойства сплава.
• Феррит (Ф)
  . Это твердый раствор внедрения элементов в a-железе. Существует при низкотемпературном режиме и обладает объемно-центрированной кубической решеткой. Растворимость углерода в феррите крайне низкая. В нормальных условиях она составит не более 0,005 %, а достигнет пика (0,02 %) только при температуре +727 °С. Феррит менее тверд в сравнении с аустенитом, а также более пластичен. В связи с этим он хорошо обрабатывается давлением в холодном состоянии.
• Цементит (Ц)
  . Компонент представляет собой соединения углерода и железа, а именно карбид железа с формулой Fe3C. Процентная доля углерода в веществе составляет 6,67. Цементит обладает сложной кристаллической решеткой и плавится при температуре около +1 600 °С. В сплаве железа с углеродом он является одновременно самой хрупкой и самой твердой составляющей. Следовательно, чем больше компонента содержится в сплаве, тем выше его твердость. Также цементит обладает неустойчивостью, поэтому при определенных условиях он распадается и образует графит. Происходит реакция: Fe3C > 3Fe + С.

Диаграмма сплава железо-углерод

На диаграмме сплава можно выделить следующие границы

:

• Линия ледебуритного превращения (линия ECF). Если содержание углерода в сплаве выше 2,14 %, то при его охлаждении жидкая фаза под линией становится ледебуритом.
• Линия ликвидус (линия ACD). Ее особенность заключается в том, что при снижении температуры под ней запускается кристаллизация сплавов.
• Линия перлитного превращения (линия PSK). При снижении температуры сплав под ней из аустенита превращается в перлит.
• Линия солидус (линия AECF). При снижении температуры сплав под ней становится твердым.

Также на диаграмме присутствует несколько важных точек

:

• C. Вещество становится ледебуритом, концентрация углерода не меняется и остается на уровне 2,14 %. Температура превращения жидкости составляет +1 147 °С.
• E. В этой точке аустенит содержит максимальное количество углерода – 2,14 % от общего количества сплава. Такое состояние достигается при температуре +1 147 °С.
• P. При температуре +727 °С у феррита наступает стадия максимального насыщения углеродом (0,025 %).
• S. Аустенит превращается в перлит. Средняя концентрация углерода остается той же и составляет 0,8 %.

Обычно температурный режим, при котором достигается необходимое состояние сплава, обозначается буквой А.

Из-за того, что фазы в сплавах железа с углеродом имеют разные температуры при нагреве и охлаждении, приходится вводить дополнительные обозначения.

Что такое сталь

Сталь – это сплав двух химических элементов: железа (Fe) и углерода (С), причем содержание последнего не должно превышать 2%. Если углерода больше, то этот сплав относится к чугунам.

Но сталь – это не только химически чистое соединение двух элементов, она содержит как вредные примеси, например серу и фосфор, так и специальные добавки, которые придают нужные свойства материалу – повышают прочность, улучшают обрабатываемость, пластичность и т. д.

Если в сплаве углерода менее 0,025% и содержится незначительное количество примесей, то его считают техническим железом. Этот материал отличается от сталей по всем показателям, он обладает высокими магнитными характеристиками, и его используют в качестве для изготовления электротехнических элементов. Чистого железа в природе не существует, получить его даже в лабораторных условиях очень сложно.

Несмотря на то что углерода в процентном отношении содержится совсем немного, он оказывает значительное влияние на механические и технические свойства материала. Увеличение этого вещества приводит к увеличению твердости, растет прочность, но при этом резко снижается пластичность. И, как следствие, меняются технологические характеристики: с ростом углерода снижаются литейные свойства, ухудшается обрабатываемость резанием. При этом низкоуглеродистые стали также плохо обрабатываются резанием.

Как читать диаграмму сплава железа с углеродом

Сплавы системы железо-углерод имеют свойство меняться при охлаждении или нагреве, повышении или снижении давления. Графически такие процессы обозначены на диаграмме состояния. Благодаря ей можно понять, как происходит то или иное превращение сплава.

Состав сплава с первоначальной долей углерода при заданной температуре можно увидеть, если двигаться по вертикальной прямой, которая соответствует содержанию в сплаве углерода.

Правило легче понять на примере, поэтому рассмотрим на диаграмме зону AEC. Возле нее находятся области жидкой фазы и аустенита (AESG). Следовательно, соединение в данной области состоит из образующегося твердого аустенита и жидкой фазы.

Определим для него концентрация углерода, двигаясь по разным фазам. Для этого нужно знать изначальную концентрацию углерода и заданную температуру. В примере это 2,5 % и +1 250 °С.

Теперь из точки графика нужно провести горизонтальную линию. Ее пересечение с АЕ, которая граничит с зоной аустенита, покажет содержание углерода в аустените при температуре +1 250 °С.

Если же прямая будет пересекаться с АС, которая граничит с зоной жидкой фазы, то можно узнать концентрацию углерода уже в жидкой фазе.

При сохранении температуры по данному методу определимо процентное содержание углерода в фазах абсолютно любого сплава:

• в области AEC в аустените и в жидкой фазе;
• в области CDF в жидкой фазе (процентное содержание углерода в цементите при этом неизменно – 6,67 %);
• в области GPS в аустените и в феррите;
• в области QPKL в феррите;
• в области SEFK в аустените.

Когда содержание углерода становится выше, чем 2,14 %, охлаждаемый сплав получает насыщение углеродом ближе к 4,3 % (по линиям DC и AC) по мере приближения к температуре +1 147 °С (на уровне ECF). Затем жидкость превращается в эвтектику (ледебурит). Среднее содержание углерода остается неизменным.

Рекомендуем статьи

• Легированная сталь: виды, марки и назначение
• Сплав железа и меди: область применения
• Сплавы железа: известные и не очень разновидности

При движении в сторону температуры +727 °С, что соответствует уровню PSK, содержание углерода в аустените приближается к 0,8 % (линии GS и ES). Затем аустенит превращается в эвектоид, т. е. в перлит. Как известно по предыдущим примерам, средняя концентрация углерода постоянна. В данном случае она составляет 0,8 %.

Получение стали. Металловедение

Сталь – это самый распространенный сплав на планете. Получают ее промышленным способом из чугуна, из которого под влиянием высоких температур выжигают избыток углерода и другие примеси. Стали в основном получают двумя способами: плавление в мартеновских печах и плавление электропечах. Материал, изготовленный в электропечи, называется электросталь. Она получается более чистой по составу. Кроме того, существует множество специальных процессов для получения сплавов с особыми свойствами, например электродуговая плавка в вакууме или электронно-лучевая плавка.

Более подробно о сталях и других сплавах можно узнать при изучении такой науки, как металловедение. Она считается одним из разделов физики и охватывает не только сведения о марках стали и их составе, но и содержит сведения о структуре и свойстве материалов на атомарном и структурном уровне.

Студенты профильных ВУЗов проходят специальный курс «Промышленные стали», где подробно разбирают сплавы специального назначения: строительные, улучшаемые, цементируемые, для режущих и измерительных инструментов, магнитные, рессорно-пружинные, жаростойкие, стали для конструкций в холодном климате и т. д.

Применение стали из железоуглеродистых сплавов

Сталь, как и чугун, представляет собой сплав железа с углеродом. Металлы имеют широкое распространение, особенно часто их задействуют в машиностроении.

В стали концентрация углерода составляет не более 2 %.

Примеры металла

:

• инструментальная сталь;
• конструкционная сталь;
• техническое железо.

Если в стали содержание углерода было строго меньше 2 %, то в чугуне – больше. В среднем, концентрация вещества составляет от 2,5 до 3,5 %.

Помимо железа и углерода в металлах содержатся такие добавки

:

• марганец и кремний, содержание которых исчисляется в десятых долях процента (от 0,15 до 0,6 %);
• фосфор и сера, концентрация которых составляет сотые доли процента (от 0,05 до 0,03 %).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет не более 0,7 %, часто используется для создания

:

• листов;
• проволоки;
• ленты;
• фасонного профиля разных видов;
• уголкового железа;
• таврового железа;
• различных деталей, используемых в машиностроении (например, осей, шестерен, болтов, кувалд, молотков и др.).

Сталь, в которой концентрация углерода составляет более 0,7 %, используется при изготовлении режущих инструментов

:

• бородок;
• резцов;
• зубил;
• сверл;
• метчиков.

Свойства данного сплава железа с углеродом зависят от концентрации неметаллического компонента. Так, чем больше будет углерода, тем прочнее и тверже получится сталь.

Виды и марки стали

Сталь. Виды и марки стали. Их применение.

Сталь – это сплав железа и углерода с другими элементами, содержание углерода в нём не более 2,14%.

Наиболее общая характеристика – по химическому составу сталь различают:

углеродистую сталь (Fe – железо, C – углерод, Mn – марганец, Si — кремний, S – сера, P – фосфор). По содержанию углерода делится на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую. Углеродистая сталь предназначена для статически нагруженного инструмента.

легированную сталь – добавляются легирующие элементы: азот, бор, алюминий, углерод, фосфор, кобальт, кремний, ванадий, медь, молибден, марганец, титан, цирконий, хром, вольфрам, никель, ниобий.

Разновидности чугуна из сплава железа с углеродом

Выделяют два основных вида чугуна – литейный и предельный. Первый вид принято использовать в производстве и промышленной сфере. Второй находит применение в создании стали кислородно-конвертерным путем. В получившемся соединении доля марганца и кремния крайне мала.

Литейный чугун также имеет несколько разновидностей

:

• Половинчатая
  . Такой чугун имеет специальные свойства, так как часть углерода из состава имеет форму цементита, а другая часть – форму графита.
• Белая
  . Здесь углерод находится в виде карбида железа. Название произошло от белого оттенка разлома. Белый чугун не находит применения в чистом виде, но активно используется при создании ковкого чугуна.
• Серая
  . Отлив на изломе серебристый, поэтому такой чугун называют серым. Сфера использования материала достаточно широкая, в том числе и потому, что чугун легко обрабатывать резцами.
• Высокопрочная
  . Данная разновидность способна увеличить прочность любого материала, куда она будет добавлена. Материал получают из серого чугуна и небольшого количества магния.
• Ковкая
  . Как и в случае высокопрочной разновидности, в основе находится серый чугун. Повысить пластичность помогает процесс отжига.

Полиморфные превращения в сплавах железо-углерод

Полиморфные превращения в сплавах железа с углеродом происходят при соблюдении температурного режима.

Если температура составляет меньше +911 °С, то состояние железа называется α-феррумом. Кристаллическая решетка железа – ОЦК, что расшифровывается как объемный гранецентрированный куб. Особенность решетки состоит в большом расстоянии между атомами.

При температуре от +911 до +1392 °С у железа наблюдается модификация гамма. Кристаличесская решетка γ-феррума – ГЦК, т. е. гранецентрированный куб. Расстояние между атомами меньше, чем в случае объемного гранецентрированного куба.

Когда железо переходит из модификации альфа в гамму, его объем уменьшается. Причина кроется в виде кристаллической решетки. В ОЦК атомы не настолько упорядочены, как в ГЦК.

Правило работает и в обратном направлении. При переходе из гамма-стадии в альфа-стадию объем сплава железа с углеродом возрастает.

Если температура находится в диапазоне от +1 392 до +1 539 °С (последняя – температура плавления железа), то α-феррум переходит в свою другую разновидность – δ-феррум. Стоит помнить, что структура δ-феррума неустойчива, поэтому стремится перейти в более устойчивое состояние.

В результате удалось выяснить, что сталь и чугун – сплавы железа с углеродом с разным содержанием углерода и примесей. Это напрямую влияет на механические и химические свойства стали, а они – на сферу применения конечного материала.

Классификация сталей по качеству

Все стали по качеству подразделяют на:

– сталь обыкновенного качества;

– сталь повышенного качества;

Качество стали напрямую зависит от процента содержания вредных примесей (состав) и соответствия заявленным механическим и технологическим характеристикам. В промышленности используются все виды, но по разным направлениям: стали обыкновенного качества – для неответственных деталей, стали повышенного качества и высококачественные – в конструкциях, к которым предъявляются особые требования.