Структура углеродистой стали в равновесном состоянии

Сталью называется сплав железа с углеродом и другими элементами с содержанием углерода до 2% (точка Е).

Равновесным состоянием называется такое состояние, при котором все фазовые превращения, присущие сплаву, полностью завершились, и сплав получил минимум свободной энергии. Равновесное состояние наступает при очень медленном охлаждении.

Структура стали зависит от содержания в ней углерода, и по структуре и содержанию углерода стали подразделяются: сплавы с содержанием углерода менее 0, 02% (левее точки Р) называется техническим железом, сплавы с содержанием углерода до 0, 8% (левее точки S) – доэвтектоидной сталью, сплавы с содержанием углерода 0, 8% (точка S) – эвтектоидной сталью, сплавы с содержанием углерода более 0, 8% (правее точки S) – заэвтектоидной сталью.

В результате кристаллизации стали получается одинаковая зернистая структура аустенита, не зависящая от содержания углерода. Конечная структура стали и ее свойства зависят от процессов перекристаллизации стали, описываемых подсистемой диаграммы Fе-C, изображаемой на рис. 4.

Рис. 4. Часть диаграммы состояния сплавов Fе-С, описывающая

перекристаллизацию стали

Сплавы 1 и 2. Ниже линии GS начинается процесс полиморфного превращения аустенита в феррит. В процессе по­лиморфного превращения содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, а в феррите – по линии GР. На линии GP полиморфное превращение заканчивается, и структура сплавов 1 и 2 состоит из зерен феррита. При дальнейшем охлаждении сплава 1 в нем никаких структурных превращений не происходит, в сплаве 2 происходит физическое охлаждение сплава без структурных превращений. При температуре сплава ниже линии РQ феррит пересыщается углеродом и на поверх­ности зерен феррита образуется третичный цементит, при этом количестве образовавшегося цементита третичного будет равно

%.

Структура сплава 1 изображена на рис. 2а, сплава 2 – на рис. 2б.

Сплав 4. Эвтектоидная сталь.

Из диаграммы Fе-С (рис. 3) видно, что выше точки S сплав состоит из аустенита, а ниже точки S из феррита состава точки Р и цементита состава точки К. Это значит, что в точки S при постоянной температуре происходит распад аустенита по реакции А_s ® Ф_р+Ц_к. Образующаяся смесь феррита и цементита имеет пластинчатое строение и называется перлитом, а превращение аустенита в перлит называется эвтектоидным или перлитным превращением. После окончания перлитного превращения сплав будет охлаждаться далее, содержание углерода в пластинках феррита будет уменьшаться по линии РQ. При температуре 20°С перлит будет состоять из пластинок феррита с содержанием углерода 0, 01% (точка Q) и пластинок цементита с содержанием углерода 6, 67% (точка L). Зерна перлита под микроскопом имеют темный цвет. Полученная структура перлита изображена на рис. 2г.

Сплав 3. Доэвтектоидная сталь.

Ниже линии GS начинается полиморфное превращение аустенита в феррит. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии GS, то есть при температуре сплава t содержание углерода в феррите и в аустените определяется соответственно точками m и n, а их количество:

%, %.

При охлаждении до линии РSК количество выделившегося феррита состава точки Р %, а оставшийся в количестве % аустенит будет иметь эвтектоидный состав точки S и на линии РSК превратится в перлит. Пренебрегая углеродом, содержащимся в зернах феррита, в виду его малости по сравнению с содержанием в зернах перлита получим, что содержание углерода в доэвтектидной стали приближенной можно определить по формуле , где%П – процент перлита в структуре стали. Пример структуры доэвтектидной стали изображен на рис. 2в.

Сплав 5. Заэвтектоидная сталь.

Ниже линии SЕ предельной растворимости углерода в аустените, лишний угле­род из зерен аустенита уходит на их поверхность, имеющую повышенную плотность дефектов, и образует по границам зерен аустенита сетку цементита вторичного. Содер­жание углерода в аустените уменьшается по линии SЕ, и, когда сплав охладится до ли­нии эвтектоидного превращения РSК, зерна аустенита будут иметь эвтектоидный состав точки S и превратятся в зерна перлита. Количество выделившегося вторичного цементита %, откуда видно, что с увеличением содержания углерода в сплаве возрастает количество образовавшегося вторичного цементита. Структура заэвтектоидной стали изображена на рис. 2д.

Зависимость механических свойств стали от содержания углерода

Структура углеродистой стали после охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в структуре стали, например в сплаве 5 (рис. 4), определяется соотношением %.

Из этого соотношения видно, что с увеличением содержания углерода в стали будет возрастать количество цементита в структуре стали.

Твердость цементита на порядок выше твердости феррита и, значит, с увеличением содержания углерода возрастает твердость стали. Частицы цементита в стали препятствуют движению дислокаций и, следовательно, повышают прочность тем сильнее, чем больше цементита находится в структуре стали. При содержании углерода в стали более 0, 9–1% прочность стали уменьшается, как это видно из рис. 5.

Рис. 5. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода