Доэвтектоидные стали. Какие стали называются доэвтектоидными?

На практике сталь предварительного напряжения имеет широкое применение, несмотря на то что ее прочностные характеристики значительно ниже по сравнению с другими типами сталей. Чаще всего ее используют в строительной и машиностроительной отраслях.

Структурные и фазовые превращения в сталях при нагреве и охлаждении.

Производство этой стали включает процесс отжига белого чугуна, в состав которого входят графит и определенные пропорции основных элементов и примесей. Этот процесс позволяет получить необходимую структуру и свойства материала.

В зависимости от типа процесса термической обработки структура ковкого чугуна может варьироваться. Например, при углеродном отжиге может сформироваться ферритная структура, или же отливки могут приобретать перлитную или другие фазовые продукты, в том числе сорбит, троозит, троозит-иглу, мартенсит и так далее.

Сегодня ковкий чугун, который получают раскисляющим отжигом с ферритной структурой на поверхности и перлитно-углеродным отжигом в сердцевине отливки, потерял свою актуальность и больше не используется в промышленных масштабах, что связано с развитием новых технологий и материалов.

Основной метод графитизации белого чугуна достигается с помощью специальной термической обработки — отжига; этот процесс позволяет улучшить свойства изделия и его эксплуатационные характеристики.

Для того чтобы получить ферритный и перлитный чугун с шаровидным графитом, отливки подвергаются отжигу в нейтральной среде, где графитизация является ключевым процессом. В то же время, обезуглероживание происходит в ограниченных масштабах и выступает как побочный эффект.

Отливки отжигаются в контролируемой защитной атмосфере, исключающей внешнее обезуглероживание, после чего на них формируется перлитная структура, обеспечивающая нужные механические свойства.

Свойства ферритного ковкого чугуна значительно зависят от содержания углерода и кремния в сплаве. Это важно учитывать при проектировании и использовании материалов.

В конструкциях рекомендуется ограничивать размеры поперечного сечения отливок, которые изготавливаются в процессе плавки в двойном процессе ячейковой электропечи, до 30-40 мм. Если речь идет о плавке в ячейковых печах, этот предел составляет 20-30 мм. Однако при модификации белого чугуна добавками, такими как теллур и магний, возможно значительное увеличение размеров поперечного сечения отливок до 100-120 мм, что расширяет возможности применения таких материалов.

Минимальная толщина поперечного сечения отливок из ковкого чугуна составляет от 2,5 до 8 мм, и этот показатель варьируется в зависимости от формы и состава чугуна.

Усадка белого чугуна непосредственно зависит от углеродного содержания. Этот аспект крайне важен для проектирования и производства.

Таблица 1 иллюстрирует объемную усадку для различных сплавов, таких как сталь, белый и серый чугун, при перегреве расплавленного сплава до 100 °C. В Таблице 2 представлены данные о линейной усадке этих сплавов в твердом состоянии.

С учетом более высокого модуля упругости и низкой теплопроводности, значения напряжений для отливок из белого чугуна значительно превышают аналогичные показатели для серого чугуна и стальных отливок. Это связано с тем, что белый чугун менее устойчив к внешним нагрузкам. Поэтому, при проектировании, целесообразно отдавать предпочтение конструкциям без усадки и избегать резких переходов, так как они могут вызвать концентрацию напряжений и, как следствие, снизить усталостную прочность.

Таблица 1: Объемная усадка в % сплава.

Состояние	При затвердевании	Общая
Сталь	1,6	3	4,6
Белый чугун*	2-2,3	4,6-3	6,6-5,3
Серый чугун	2,5	0,9	1,4

* Зависимость от содержания углерода.

Таблица 2: Линейная усадка в % сплава

Доперлитная	Перлитная	Полная в твердом состоянии
Сталь	1,2	1	2,2
Белый чугун*	0,3	1	1,3
Серый чугун	0	1	1

Остаточные напряжения в отливках из ковкого чугуна после длительной термической обработки находятся на уровне, значительно ниже чем в стальных и серых чугунных отливках, и не превышают 0,5 кГ/мм².

Во время термической обработки объем отливок из ковкого чугуна увеличивается при пропорциональном содержании углерода, что составляет около 50% от величины усадки.

Заэвтектоидные стали

Стали с содержанием углерода от 0,8 до 2 % классифицируются как заэвтектоидные. При комнатной температуре микроструктура такой стали состоит из перлита и вторичного цементита, который может проявляться в виде светлых зерен, светлой решетки по границам зерен или в виде игл (см. рисунок 3.5).

Доля вторичного цементита в заэвтектоидной структуре стали обычно невелика и возрастает с увеличением содержания углерода. Например, она составляет от 3,4 % при содержании углерода 1 % до 20,4 % при 2 % углерода по массе всего сплава. Даже такое небольшое содержание заэвтектоидного цементита существенно повышает твердость и пластические свойства материала по сравнению с соответствующими заэвтектоидными сталями.

Вторичный цементит в эвтектоидной стали обычно занимает небольшую площадь, что затрудняет его визуальное определение. Тем не менее, можно приблизительно оценить содержание углерода в эвтектоидных сталях. Например, в тонких срезах микроструктуры может обнаружиться 90% перлита и 10% вторичного цементита. Учитывая, что углерод содержится как в перлите, так и в цементите, можно составить следующее уравнение для перлита:

100% — p — 0,8% C X1 = 0,72% C

100% — t — 6,67% C X2 = 0,67% C

Cr = Cr1 + Cr2 = 0,72% + 0,67% C = 1,39% C

Сплавы железа с содержанием углерода свыше 2% классифицируются как чугуны. Такой уровень углерода формирует эвтектику в структуре сплавов, которая характеризуется повышенной хрупкостью и низкой температурой кристаллизации. Поэтому чугун, в отличие от сталей, не требует дальнейшей переработки, такой как прокатка, ковка или штамповка, и может быть залит в формы в своем сыром виде.

В зависимости от темпов охлаждения и содержания примесей, можно получить различные виды чугуна, такие как белый, серый и ковкий.

Свойства доэвтектоидной стали

Металл такого типа представляет собой низкоуглеродистую сталь, следовательно, от нее не следует ожидать высоких показателей прочности. Важным является тот факт, что прочностные характеристики данного сплава находятся на уровне ниже, чем у эвтектоидных сталей. Это связано с различиями в структурной организации. Например, доэвтектоидные стали с избытком ферритов имеют менее прочные свойства по сравнению с аналогичными сплавами, в которых присутствует цементит в микроструктуре. По этой причине специалисты рекомендуют использовать эти сплавы в конструкционных приложениях, где выраженность ферритного компонента максимально увеличивается.

Подложка под линолеум на бетонный пол: 6 советов по выбору. Какую подложку выбрать под линолеум.

К числу положительных характеристик данного материала относится его податливость и устойчивость к биологическому разложению. Также закалка псевдоэвтектических сталей может улучшить ряд свойств металла, таких как термостойкость и коррозионная стойкость, а также другие защитные характеристики, характерные для низкоуглеродистых сплавов.

Что такое доэвтектоидная сталь?

Концепция доэвтектоидной стали является аспектом технологической классификации сплавов. Технологи используют специальные таблицы для определения границ различных железоуглеродных сплавов. Существует точка S — эвтектоидная точка, и в зависимости от положения соединения относительно этой точки осуществляется его классификация. Выделяют классические эвтектоидные стали, доэвтектоидные и гиперэвтектоидные стали, которые обладают различным содержанием углерода и могут включать примеси.

Доэвтектоидные сплавы располагаются слева от эвтектоидной точки и имеют следующие характеристики:

Содержание углерода до 0,8%;
Состав сталей включает феррит и перлит, которые могут иметь разное процентное соотношение, что в конечном итоге изменяет содержание углерода.

Основываясь на данных характеристиках можно отнести сталь к данному классу, и они играют ключевую роль в классификации.

Структура стали

В уже упомянутом осажденном железоуглеродистом сплаве присутствуют две основные составляющие:

Феррит — светлые полигональные зерна, которые слабо поддаются травлению;
Перлит — механическая смесь феррита и цементита, представляющая собой более темные зерна или пластины.

В нормализованных или отожженных сталях эти структурные элементы четко различимы под микроскопом, что делает невозможным необходимость химического анализа материала, для определения его состава. Интересно, что оба типа частиц имеют одинаковую плотность, что позволяет использовать их долю от общей массы в качестве метода для выявления структуры. Также стоит отметить, что углерод находится преимущественно в перлите. Исследуя металл под микроскопом, можно сделать приблизительный вывод о содержании углерода: чем больше темных зерен, тем выше его концентрация. Важно, однако, понимать, что содержание углерода не должно превышать 0,8%; в противном случае данный сплав будет классифицироваться как обычный эвтектоид.

Для легированной стали приведенный метод визуального определения содержания углерода не может быть применим, потребуется проведение детального химического анализа.

Микроструктура и гранулометрический состав доэвтектоидных сплавов зависят от температурного режима нагрева и охлаждения. Процесс производства включает химическое распадение аустенита (высокотемпературной модификации железа с ферритом и перлитом) при снижении температуры. Изменяя температурные условия, можно достичь получения стали с требуемыми свойствами.

Технология производства доэвтектоидных сталей

С технологической точки зрения процесс производства доэвтектоидной стали имеет подобие к процессам других железных сплавов. Он заключается в отжиге и последующем сглаживании, однако обладает своими особенными аспектами.

Во-первых, это процесс отжига. Как было упомянуто ранее, данная сталь состоит из ферритных и перлитных участков, и при определенной температуре начинается рекристаллизация этих фаз. Перлит расщепляется на мелкозернистый аустенит (с сохранением уровня углерода), в котором далее растворяется избыточный феррит. При превышении температуры или продлении времени отжига образуется однородный аустенит, теряющий свои качества. Вместо уменьшения зерен для получения желаемой текстуры, происходит их увеличение и последующее дефектное плавление. Поэтому температуры для закалки выбираются с осторожностью и не должны значительно превышать оптимальные значения. Суть процесса отжига доэвтектоидных сплавов заключается в том, чтобы обеспечить эффективное распадение аустенита во время охлаждения.

В металлургии различают два основных типа отжига:

Полный отжиг, который включает интенсификацию нагрева до температур 700–800 градусов с последующим нормализующим охлаждением. Данные условия активизируют процесс распада ферритных частиц, а скорость охлаждения регулируется персоналом шляхом открытия/закрытия верхней части печи или через программы современных изотермических печей;
Неполный отжиг, при котором сталь нагревается до более высоких температур на ограниченный промежуток времени. Данный метод не позволяет полностью ликвидировать феррит, но сохраняет мягкость структуры материала. Ключевую роль здесь занимает быстрое снижение температуры, скорость которого должна превышать критическую. При содержании углерода более 0,3% в основном используется вода для охлаждения, с возможным применением добавок в случае необходимости.

После процедуры отжига доэвтектоидных углеродистых сталей следует этап нормализации, который также включает дополнительный нагрев и охлаждение. На этой стадии возможно повышение температуры материала до 1000 градусов и выше, после чего нормализация начинается сразу после охлаждения на воздухе, что улучшает структуру. При этом необходимо строго соблюдать технологию, поскольку это может значительно увеличить дисперсию металла.

Альтернативный метод может заключаться в длительном нагреве стали для пропитки, за которым следует медленное охлаждение в печи или при комнатной температуре. Практика показывает, что после полного цикла нормализации получают изделия самого высокого качества.

Доэвтектоидная сталь

Это стали, находящиеся слева от эвтектоидной точки S на диаграмме железоуглеродных сплавов. По содержанию углерода такие стали классифицируются как до 0,8 %.

В структуре этих сплавов присутствуют феррит и перлит. Под микроскопом эти структурные компоненты можно легко различить благодаря их свойствам оптического обращения.

Феррит — это слабо травленая фаза, которая под микроскопом всегда выглядит как яркое многоугольное зерно.

Перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита и наблюдается под микроскопом в виде темных зерен.

Соотношение светлых и темных зерен в доэвтектоидных сталях зависит от содержания углерода. Чем больше содержание углерода, тем меньшая площадь светлых зерен на микрофотографии, и тем больше темных зерен (см. рисунки 1, 2, 3, 4).

Рисунок 1

Рисунок 3

Данная зависимость светлых и темных тонов в зависимости от концентрации углерода позволяет с достаточной точностью определить содержание углерода в доэвтектоидных сталях без проведения химического анализа.

Формула для определения влажности углерода в доэвтектоидных сталях выглядит так:

Следует отметить, что данный метод определения содержания углерода возможен только для углеродистых сталей в отожженном или нормализованном состоянии. Для легированных сталей он не применим.

Сталь 08Х22Н6Т
Сталь 08Х18Т1
Сталь 08Х17Т
Низколегированная сталь
Заэвтектоидная сталь
Дуплексная нержавеющая сталь
Двухфазная сталь

Если вам интересна эта статья на sl3d.ru, поделитесь ею с другими!

Справка «Инженер-механик. Глоссарий».

Если вы заинтересованы в будущем сайта и чувствуете необходимость продолжать начатую нами работу, мы будем рады принять от вас благотворительные пожертвования, сумма и количество взносов определяются по вашему усмотрению. Все собранные средства пойдут на развитие проекта. Мы благодарны за каждое пожертвование!

Самое популярное

Таблица допусков и посадок
Доэвтектоидная сталь
Крепление подшипника на валу
Диаграмма состояния сплавов системы Fe–Fe3C
Крепление подшипника в корпусе
Подшипниковая сталь
Отпускная хрупкость
Высокопрочный чугун
Азотирование
Бонка

Новые термины

Ядро точки
Ядерный магнитометр
Явный отказ
Ядро
Ящик инструментальный
Щёточная металлизация
Щелочноземельные металлы
Щелочные металлы
Щелевая печь
Щелочное растрескивание

Характеристики

Структура перлита играет критическую роль в оценке свойств конечного продукта. Наилучшим образом обрабатываются осажденные стали со структурой, в основе которой лежит сочетание феррита и перлита. Если же рассмотреть эвтектоидные и заэвтектоидные стали, то они более податливы для обработки, когда структура образована из зернистого перлита. При этом если после закалки в стали вместе с мартенситом остается небольшое количество перлита, это может привести к снижению твердости и ухудшению механических свойств после закалки.

В отношении износостойкости, доэвтектоидная сталь уступает эвтектоидным сплавам, и также потеря этих свойств, как и твердости, является важным аспектом для применения данного материала. Однако преимуществом такой стали является стойкость к красному сдвигу, а в более общем плане — стойкость к закалке в условиях нагрева инструмента. В процессе изотермического превращения аустенит выделяет феррит, тогда как в эвтектоидных сплавах отделяется цементит. После неполного отжига обрабатываемость заготовок значительно улучшается, а после полного отжига, особенно в мелкозернистых материалах, повышается пластичность.

Материал в основном состоит из мелких зерен, если он поддавался жесткой механической обработке в горячем состоянии. После завершения процесса механической обработки, как утверждают специалисты, микроструктура должна быть удовлетворительной, и обычно не требуется дополнительного отжига. Тем не менее, высокая закалка необходима для повышения практических свойств и уменьшения избыточной твердости после принудительного охлаждения. Данные исследования показывают, что закалка при высоких температурах предпочтительнее, чем полный отжиг для гипоэвтектоидных сталей, так как это оптимизирует возможности резки заготовок.

Прочность гипоэвтектоидного металла может значительно изменяться. Она достигает своего пика после закалки или закалки при низких температурах при концентрации углерода 0,6-0,7%. Если проводить закалку металла при более высоких температурах, то предстоит столкнуться с меньшей твердостью и ухудшением прочностных характеристик. Однако в этом случае материал становится более пластичным и менее жестким, что позволяет ему выдерживать динамические нагрузки лучше, благодаря чему можно получать инструменты для обработки мягких материалов, которые подвергаются ударам, а не значительным давлениям.

Маркировка

Как уже упоминалось ранее, свойства стали определяются во многом ее структурным и химическим составом. Например, сплав на основе зернистого перлита обладает более высокой твердостью по сравнению со сплавом, в котором преобладает пластинчатая структура. Более того, существуют отличия между различными классами материалов. Углеродистые конструкционные стали нормального класса обозначаются комбинацией символов «St». За ней следует цифра, соответствующая номеру оценки.

Чем выше это число, тем более твердым и прочным является материал, однако данный маркировочный индекс часто связан с пониженной пластичностью. Более жесткие сорта применяются для производства кровельных материалов или крепежных изделий. Высококачественные маркировки сплавов обозначаются двузначным числом, которое указывает на содержание углерода в процентах.

Инструментальные стали обозначаются буквой «Y», после которой следует номер кода, указывающий на содержание углерода в десятых долях процента. Для сталей с особыми характеристиками в конце оценки добавляется буква «А».

Применение

Несмотря на то, что доэвтектоидные ферритные стали обладают несколько меньшей прочностью, чем другие сплавы, это не мешает активно использовать их в различных областях. К примеру, такие материалы весьма распространены в машиностроении, где подбираются стали высшего качества с жесткими требованиями к обработке и выравниванию.

Кроме того, осажденная сталь может иметь низкое содержание ферритов, что делает ее подходящей для изготовления структурных конструкций и компонентов. Низкая стоимость таких материалов может привести к значительной экономии затрат, поскольку высокие прочностные характеристики не всегда необходимы. Вместо этого акцент делают на износостойкость и эластичность, что делает использование эвтектоидных сталей более целесообразным для таких задач.

Классификация железоуглеродистых сплавов

Различные комбинации этих элементов приводят к образованию множества сплавов, которые можно разделить на три основные группы:

Техническое железо;
Стали;
Чугуны.

Техническое железо относится к материалам, содержащим менее 0,02% углерода. Технические стали — это материалы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14%. Сплавы с углеродным содержанием выше 2,14% классифицируются как чугун.

Доэвтектоидные стали

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ В РАВНОВЕСИИ.

Читайте также: Марки, свойства и типы конструкционных сталей.

Изучите микроскопический анализ железоуглеродистых сплавов и рассмотрите микроструктуры углеродистых сталей и чугунов. Эта тема имеет большое значение для понимания природы железоуглеродистых сплавов (железо, сталь, чугун) и отвечает требованиям студентов к глубокому пониманию процессов кристаллизации данных сплавов, их аллотропных превращений и последствий, связанных с изменениями их свойств.

Диаграмму железо-углерод имеет смысл изучать по частям. Первым шагом стоит ознакомиться с верхним углом диаграммы, где формируются дельта-раствор и гамма-раствор (аустенит); внимательно изучите образование этих растворов при различных содержаниях углерода и температурах. Затем следует подробно осветить первичную кристаллизацию сплавов с содержанием углерода более 2% (раздел чугов), а также вторичную кристаллизацию сплавов.

Необходимо понимать процесс рекристаллизации аустенита в сплавах с разнообразным содержанием углерода при уменьшении температуры. Также важно знать составные части сталей и чугунов (феррит, перлит, аустенит, цементит, лентебурит и др.) и указывать их расположение на диаграмме железо-углерод.

Кроме того, студенты должны быть знакомы с классификацией сталей и чугунов по назначению и химическому составу, а также с маркировкой сплавов по государственным стандартам в зависимости от содержания углерода, легирующих элементов и структуры сплавов.

Изучите микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в отожженном состоянии;
Изучите микроструктуру белого, серого, ковкого и высокопрочного чугов;
Освойте метод приближенного определения содержания углерода в стали;
Нарисуйте диаграмму состояния железо-цементит;
Сделайте выводы по экспериментам.

Оборудование, материалы и инструменты.

Для выполнения работы вам могут понадобиться:

— Альбом с изображениями микроструктур.

— Инструкции по проведению экспериментов.

После изучения диаграмм состояния железо-углерод (железо-цементит) будет проведена лабораторная работа, на которой будет исследоваться структурные компоненты железоуглеродистых сплавов. Эта работа будет выполняться тремя группами по 4-5 человек. Каждое рабочее место будет оснащено металлографическим микроскопом и набором тонких срезов железоуглеродистых сплавов.

Состояние равновесия сплава предполагает, что все фазовые превращения завершились в соответствии с диаграммой состояния. Это состояние возможно лишь при очень медленном охлаждении. Таким образом, основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесии служит диаграмма состояния Fe-Fe3C (см. рис. 3.1), разработанная Д.К. Черновым при изучении системы Fe-Co.

Компоненты в системе железо-углерод

Аустенит

Атомы располагаются в решетке, при этом лицевая грань центрируется на свече. Аустенит обладает твердостью в диапазоне 200–250 Бринеля, а также хорошими пластическими свойствами. Кроме того, он является парамагнитным.

Читайте также: Проволока из палладий-вольфрамового сплава Гост 26469-85.

Железо

Железо — это металл, который имеет серебристо-серый цвет. В чистом виде оно отличается высокой пластичностью. Его удельный вес составляет 7,86 г/куб. см, а точка плавления достигает 1539 °C. На практике используется техническое железо, которое может содержать различные примеси, включая марганец и кремний, но их массовая доля не превышает 0,1%.

Особенностью железа является полиморфизм – способность вещества иметь различные формы кристаллической решетки при одинаковом химическом составе. Модификации железа обозначаются типами B, D и E, и каждая из этих форм возникает при различных условиях. К примеру, тип B формируется только при температуре около 911 °C, в то время как тип D существует в диапазоне от 911 до 1392 °C, а тип E — с 1392 до 1539 °C.

Каждый тип имеет уникальную решетку, например, тип B — кубическую, а тип D — с централизованной кубической структурой. Решетка типа D выглядит как куб с центром в пространстве.

Еще одной примечательной характеристикой является ферромагнитность железа, которая сохраняется при температурах до 768 °C, но теряется при более высоких температурных значениях.

Критические точки перевода полиморфного и магнитного состояния обозначаются как A2, A3, A4, где числовые индексы указывают на тип преобразования. Для лучшего понимания переходов железа из одного типа в другой в обозначение добавляются индексы c и r.

Полиморфные превращения железа

Несмотря на высокую пластичность, железо не обладает значительной твердостью и составляет около 80 единиц по шкале Бринелля.

Железо также способно образовывать твердые растворы, делящиеся на две группы: замещающие и внедряющие. Первые образованы из железа и других металлов, а вторые — из железа с углеродом, водородом или азотом.

Углерод

Другим важным компонентом системы является углерод, неметаллический элемент, имеющий три аллотропные формы: алмаз, графит и аморфный углерод. Температура плавления углерода достигает 3500 °C.

В сплаве железа углерод содержится либо в форме твердого раствора, именуемого цементитом, либо в виде графита, как это наблюдается в сером чугуне. Графит может не быть ни вязким, ни твердым.

Цементит

При содержании углерода в 6,67% цементит обладает высокой твердостью, достигающей 800 НВ, однако его вязкость невысока. Цементит не имеет полиморфных свойств.

Он также демонстрирует, что при образовании раствора углерод может быть замещён атомами других элементов, таких как хром или никель. Такой раствор носит название легированного.

Но цементит не стабилен при определенных условиях, и он может разлагаться, превращаясь в графит. Это свойство активно используется в процессах производства чугуна.

Кроме того, в жидком состоянии железо может растворять примеси, образуя однородную массу.