Нержавеющая сталь какую температуру выдерживает

Нержавеющая сталь какую температуру выдерживает

Сталь — это сплав железа, к которому примешивают углерод. Её главная польза в строительстве — прочность, ведь это вещество длительное время сохраняет объем и форму. Все дело в том, что частицы тела находятся в положении равновесия. В этом случае сила притяжения и сила отталкивания между частицами являются равными. Частицы находятся в чётко обозначенном порядке.

• Температуры плавления стали
• Нержавеющая сталь
• Чугун и сталь

Есть четыре вида этого материала: обычная, легированная, низколегированная, высоколегированная сталь. Они отличаются количеством добавок в своём составе. В обычной содержится малое количество, а дальше возрастает. Используют следующие добавки:

• Марганец.
• Никель.
• Хром.
• Ванадий.
• Молибден.

Как происходит процесс

Элементы, какими бы они ни были: золото, железо, чугун, сталь или любой другой — плавятся примерно одинаково. Это происходит при внешнем или внутреннем нагревании. Внешнее нагревание осуществляется в термической печи. Для внутреннего применяют резистивный нагрев, пропуская электрический ток или индукционный нагрев в электромагнитном поле высокой частоты. Воздействие при этом примерно одинаковое.

Когда происходит нагревание, усиливается амплитуда тепловых колебаний молекул. Появляются структурные дефекты решётки, сопровождаемые разрывом межатомных связей. Период разрушения решётки и скопления дефектов и называется плавлением.

В зависимости от градуса, при котором плавятся металлы, они разделяются на:

• легкоплавкие — до 600 °C: свинец, цинк, олово;
• среднеплавкие — от 600 °C до 1600 °C: золото, медь, алюминий, чугун, железо и большая часть всех элементов и соединений;
• тугоплавкие — от 1600 °C: хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от того, каков максимальный градус, подбирается и плавильный аппарат. Он должен быть тем прочнее, чем сильнее будет нагревание.

Вторая важная величина — градус кипения. Это параметр, при достижении которого начинается кипение жидкостей. Как правило, она в два раза выше градуса плавления. Эти величины прямо пропорциональны между собой и обычно их приводят при нормальном давлении.

Если давление увеличивается, величина плавления тоже увеличивается. Если давление уменьшается, то и она уменьшается.

Это интересно: Классификация и маркировка стали

Таблица характеристик

Металлы и сплавы — непременная основа для ковки, литейного производства, ювелирной продукции и многих других сфер производства. Чтобы не делал мастер (ювелирные украшения из золота, ограды из чугуна, ножи из стали или браслеты из меди), для правильной работы ему необходимо знать температуры, при которых плавится тот или иной элемент.

Чтобы узнать этот параметр, нужно обратиться к таблице. В таблице также можно найти и градус кипения.

Среди наиболее часто применяемых в быту элементов показатели температуры плавления такие:

• алюминий — 660 °C;
• температура плавления меди — 1083 °C;
• температура плавления золота — 1063 °C;
• серебро — 960 °C;
• олово — 232 °C. Олово часто используют при пайке, так как температура работающего паяльника составляет как раз 250–400 градусов;
• свинец — 327 °C;
• температура плавления железо — 1539 °C;
• температура плавления стали (сплав железа и углерода) — от 1300 °C до 1500 °C. Она колеблется в зависимости от насыщенности стали компонентами;
• температура плавления чугуна (также сплав железа и углерода) — от 1100 °C до 1300 °C;
• ртуть — -38,9 °C.

Как понятно из этой части таблицы, самый легкоплавкий металл — ртуть, которая при плюсовых температурах уже находится в жидком состоянии.

Градус кипения всех этих элементов почти вдвое, а иногда и ещё выше градуса плавления. Например, у золота он 2660 °C, у алюминия — 2519 °C, у железа — 2900 °C, у меди — 2580 °C, у ртути — 356,73 °C.

У сплавов типа стали, чугуна и прочих металлов расчёт примерно такой же и зависит от соотношения компонентов в сплаве.

Максимальная температура кипения у металлов — у рения — 5596 °C. Наибольшая температура кипения — у наиболее тугоплавящихся материалов.

Бывают таблицы, в которых также указана плотность металлов. Самым лёгким металлом является литий, самым тяжёлым — осмий. У осмия плотность выше, чем у урана и плутония, если рассматривать её при комнатной температуре. К лёгким металлам относятся: магний, алюминий, титан. К тяжёлым относится большинство распространённых металлов: железо, медь, цинк, олово и многие другие. Последняя группа — очень тяжёлые металлы, к ним относятся: вольфрам, золото, свинец и другие.

Ещё один показатель, встречающийся в таблицах — это теплопроводность металлов. Хуже всего тепло проводит нептуний, а лучший по теплопроводности металл — серебро. Золото, сталь, железо, чугун и прочие элементы находится посередине между этими двумя крайностями. Чёткие характеристики для каждого можно найти в нужной таблице.

Технология и применение

По структуре и способу получения специальные стали подразделяются на следующие: аустенитные, мартенситные, перлитные, мартенсито-ферритные. Мартенситные и аустенитные стали применяются, если температура достигает 450−700 о С и по объёму плавки занимают первое место.

С повышением температуры до 700−1000 о С используются никелевые сплавы, при ещё более высоких температурах необходимо включать в технологический процесс кобальтовые сплавы, графит, тугоплавкие металлы и термическую керамику.

Аустенитные — самые жаропрочные стали, которые используются, если температура среды достигает 600 о С. Основа легирования — хром и никель. Присадки Ti, Nb, Cr, Mo, W, Al.

Стали мартенситного класса предназначены для производства изделий, работающих при температуре в диапазоне 450−600 о С. Повышенная жаропрочность у мартенситных сталей достигается уменьшением (до 0.10−0.15%) содержания углерода и легированием хромом 10−12%, молибденом, ниобием, вольфрамом, либо средним (0,4%) содержанием углерода и легированием кремнием (до 2−3%) и хромом (в пределах 5−10%).

Применение специальных сталей и сплавов узконаправленное и наиболее эффективно в сложных областях производства. К примеру, жаропрочные стали марки 30Х12Н7С2 и 30Х13Н7С2С нашли широкое применение в современном двигателестроении. Марки 15ХМ и 12Х12ВНМФ — в производстве котлов и сосудов под давлением. Марка стали ХН70ВМТЮ идёт на производство лопаток газовых турбин, а 08Х17Т используется при изготовлении топочных элементов печей. К жаропрочным также относится нержавеющая сталь.

Разделение металлов

В зависимости от температуры плавления металлы делятся на:

Легкоплавкие: им необходимо не более 600С
о

. Это цинк, свинец, виснут, олово.

. Это золото, медь, алюминий, магний, железо, никель и большая половина всех элементов.

, чтобы сделать металл жидким. Сюда относятся хром, вольфрам, молибден, титан.

В зависимости от температуры плавления выбирают и плавильный аппарат. Чем выше показатель, тем прочнее он должен быть. Узнать температуру нужного вам элемента можно из таблицы.

Еще одной немаловажной величиной является температура кипения. Это величина, при которой начинается процесс кипения жидкостей, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно она почти в два раза больше, чем температура плавления.

Обе величины принято приводить при нормальном давлении. Между собой они прямопропорциональны.

Температура плавления стали

Температура плавления (температура ликвидус) — это температура, при которой вещество переходит в полностью жидкое состояние. Температура затвердевания (температуру солидус) — это такая температура, при которой вещество переходит полностью в твердое состояние.

Для чистых веществ (элементов) температуры ликвидус и солидус совпадают. Для растворов же, к которым в том числе относятся сталь и чугун, существует, так называемый, температурный интервал кристаллизации, в котором одновременно сосуществуют твердая и жидкая фазы.

Расчет температуры плавления и затвердевания стали

Температуры плавления и затвердевания стали зависят от ее состава.

Как правило при расчете T_L и T_S делают допущение об аддитивности влиянии легирующих и примесей на значения этих величин. При этом изменение температуры плавления/затвердевания, обусловленное наличием того или иного элемента, рассчитывают как

T_{L/S сплав} = Т — ΣdT_L/Si
где T_{L/Sсплав} — температура ликвидус / солидус сплава, К;
Т — температура плавления растворителя (железа), К;
dT_L/Si — снижение TL и TS, обусловленное наличием в металле i-го элемента, К.

Влияние различных элементов на температуру плавления и кристаллизации определяют по диаграммам состояния для каждого элемента i (использованные диаграммы состояния приведены ниже в таблице).

При этом допускали, что их влияние на рассматриваемые величины носит линейный характер, т.е.

dT_L/Si = k_L/Si·[i]
где k_L/Si — средний коэффициент наклона линии ликвидус (солидус) на диаграмме состояния в определенном интервале концентраций рассматриваемого элемента, К/%;
[i] — концентрация элемента i, % масс.

kL/Si = <(TL/Si)а - (TL/Si)b>/<[i]а - [i]b>
где (TL/Si)а и (TL/Si)b — температура ликвидус/солидус расплава при концентрации элементаi в нем равной [i]а и [i]b, соответственно, К.

Конкретные значения k_{L/S i} были получены следующим образом:

k_LC = (1539 — 15. )/. = 64 k_SC = (1539 — . )/. = 356 при С < 0,1

k_LC = (1539 — 15. )/. = 64 k_SC = (1539 — . )/. = 141 при С > 0,1

k_LCr = (1539 — 1515)/22 = 1,09 k_SCr = (1539 — 1505)/22 = 1,54

k_LNi = (1539 — 1449)/50 = 1,80 k_SNi = (1539 — 1436)/50 = 2,06

k_LMo = (1539 — 1460)/33 = 2,39 k_SMo = (1539 — 1450)/33 = 2,70

k_LV = (1539 — 1475)/30 = 2,13 k_SV = (1539 — 1468)/30 = 2,37

k_LS = (1539 — 1530)/0,20 = 45,0 k_SS = (1539 — 1365)/0,20 = 870

если содержание серы более 0,2, то dT_SS= 1539 — 1365 = 174

k_LP = (1539 — 1400)/5 = 27,8 k_SP = (1539 — 1050)/5 = 97,8

Влияние углерода на температуры ликвидус и солидус целесообразно рассчитывать с учетом изображенных на рисунке ниже рагрессионных выражений.

Таким образом, температура ликвидус и солидус рассчитываются как

Следует подчеркнуть, что величина TS не представляет практического интереса, так как в процессе кристаллизации происходит значимое перераспределение элементов между жидкой и твердой фазой, в результате которого жидкость обогащается ликватами, прежде всего углеродом, серой и фосфором (чем определяется способность элементов к ликвации Вы можете узнать здесь), что, естественно, снижает температуру затвердевания, поэтому температура, при которой разливаемый металл полностью затвердевает в большинстве случае составляет величину гораздо меньшую, чем расчетное значение T_S.

Ниже приведена работа А. Н. Смирнова, более подробно рассматривающая вопрос определения температуры плавления и затвердевания стали

Расчет температуры ликвидус стали

А. Н. Смирнов, Л. Неделькович, М. Джурджевич, Т. В. Чернобаева и 3. Оданович

Донецкий государственный технический университет (Украина) и Белградский университет (Югославия)

Точная оперативная информация о температуре ликви­дус стали имеет большое практическое значение, так как в зависимости от имеющегося в цехе оборудования для внепечной обработки именно эта температура оп­ределяет температурный режим от выпуска до оконча­ния разливки плавки, особенно на МНЛЗ. Это дает воз­можность работать с оптимально низкой степенью пе­регрева и обеспечивает мелкозернистую литую струк­туру и высокое качество заготовки. Известно, что из­мерение температуры ликвидус (TL) не вызывает значительных затруднений. Однако заданный химиче­ский состав стали достигается к концу внепечной обра­ботки перед началом непрерывной разливки, что суще­ственно ограничивает возможности использования экспериментальных данных (записи кривой охлажде­ния). Поэтому для оперативного определения значения TL целесообразно проводить расчеты с использовани­ем данных о химическом составе стали.

Между тем, выбор какого-либо универсального метода расчета температуры ликвидус на практике вызывает значительные затруднения, так как рекоменда­ции специалистов, занимающихся решением этой про­блемы, довольно противоречивы. Сравнение точности и надежности методов расчета T_L для стали различных марок выполнено в настоящей работе.

Большая часть известных методов расчета темпе­ратуры ликвидус углеродистой и легированной стали основана на полиномных выражениях, которые в обобщенном виде могут быть представлены следую­щим образом [1. 9]:

где Tплав Fe — температура плавления чистого железа (в соответствии с большей частью известных рекомен­даций T_плав Fе = 1539 °С); а — коэффициент приведе­ния температуры плавления чистого железа (вводится в случае принятия значения температуры плавления железа отличного от приведенного выше); а₁ и а₂ — коэффициенты значимости 1-го и 2-го порядка для со­ответствующего элемента i, содержащегося в стали данной марки; [i] — содержание элемента i в стали данной марки, %.

В качестве основы выражений такого типа приня­та гипотеза о том, что каждый из химических элемен­тов влияет на снижение температуры ликвидус железа независимо один от другого. При этом результирую­щее влияние всех растворенных в стали элементов на снижение температуры ликвидус может быть получе­но на основании двойных диаграмм состояния Fe-Хi,. Поэтому эти выражения различаются только тем, ка­ким образом аппроксимируется линия ликвидус в би­нарной диаграмме со стороны железа. В простейшем случае она заменяется касательной прямой на линию ликвидус со стороны железа, а выражение для темпе­ратуры ликвидус упрощается до полинома первого по­рядка. Подобные выражения, как видно из табл. 1 [1. 4], различаются по значениям коэффициентов а_i и принятой температуре плавления железа.

Влияние изменения концентрации каждого хими­ческого элемента на снижение температуры плавления железа может быть также учтено описанием линии ли­квидус с помощью полинома второго порядка или вписыванием ломаной линии в кривую значений тем­пературы ликвидус. Причем неодинаковый наклон звеньев ломаной линии в концентрационных проме­жутках учитывает влияние собственной концентрации каждого элемента на снижение температуры плавле­ния железа. В качестве иллюстрации в табл. 1 приве­дены данные работ [5. 7], где учитывается только концентрационная зависимость влияния углерода, и работ [8, 9], где эта концентрационная зависимость выражается и для ряда других элементов в стали. При­веденными в табл. 1 данными можно пользоваться только в тех концентрационных областях, в которых при затвердевании образуется твердый раствор.

Однако средние квадратичные отклонения σ (табл. 1) не могут служить обобщенным критерием оценки достоверности и применимости каждой из формул, так как специалисты обычно используют не­сколько отличные в техническом исполнении методы и приборы для измерения температуры ликвидус ста­ли. По-видимому, такая оценка должна проводиться для данных, которые получены в примерно одинако­вых условиях при достаточно надежном измерении температуры ликвидус применительно к большому массиву марок стали.

В настоящей работе были отобраны результаты измерений температуры ликвидус для стали 87 марок по данным А.А. Howe [10]. Химический состав стали некоторые из этих марок и результаты измерений тем­пературы ликвидус приведены в табл. 2. При этом для стали состава 1-10 температуру ликвидус определя­ли путем термического анализа образца массой 400 г, для стали состава 11-20 — одновременно путем тер­мического и дифференциального термического анали­за образца массой 40 г.

Было определено, что расчетные значения темпе­ратуры ликвидус в большей части случаев превышают экспериментальные данные. С уменьшением темпера­туры ликвидус, которое соответствует росту содержа­ния углерода и легирующих элементов в стали, вели­чина разброса расширяется.

Результаты оценки достоверности расчетов темпе­ратуры ликвидус (табл. 3) показывают, что использо­вание предложенных формул не отличается высокой степенью точности, так как даже наиболее точные из результатов расчетов имеют среднее квадратичное от­клонение около ±2,5, соответствующее полосе раз­броса ±7,5 °С.

По мнению авторов настоящей статьи, такое от­клонение расчетных данных от экспериментальных может быть вызвано в основном тем, что эти формулы не учитывают характер взаимодействия отдельных хи­мических элементов при определенной их концентра­ции. Из работ [11-13] известно, что, если при нали­чии какого-либо другого элемента или с увеличением собственной концентрации коэффициент активности данного элемента изменяется, то и его влияние на T_L стали должно соответственно изменяться.

Возрастание влияния коэффициента активности углерода с повышением его концентрации в стали проиллюстрировано на примере стали, содержащей 1,48 % С (табл. 4). При таком увеличении коэффици­ента активности углерода его действительное влияние на снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, оказывается значительно боль­шим, чем это можно принять по результатам расчетов по известным формулам. Поэтому в большей части случаев расчетные значения T_L заметно превышают экспериментальные. В противном случае, если сталь содержит элемент, снижающий активность углерода, и соответственно углерод уменьшает активность этого элемента в стали (Б, табл. 4, марганцовистая сталь), действительное снижение температуры ликвидус, определенное экспериментально, меньше, чем рассчитайное по формулам, не учитывающим взаимное влия­ние активностей, что выражается в положительном от­клонении разностей между экспериментальными и расчетными значениями T_L. Более сложный пример (В, табл. 4) для стали с высоким содержанием никеля иллюстрирует большие отклонения разностей между экспериментальными и расчетными значениями T_L в положительную сторону практически по всем форму­лам, что, по-видимому, является следствием неадек­ватного описания линии ликвидус в бинарной системе Fe-Ni.

Следует отметить, что рассмотрены (табл. 4) толь­ко двухкомпонентные и трехкомпонентные системы, причину отклонения расчетных экспериментальных значений TL в которых можно достаточно аргу­ментированно объяснить. Наибольший разброс от­клонений значений T_L наблюдается для легирован­ной стали многокомпонентного состава, где взаимо­действие между элементами более сложное. Следо­вательно, для стали такого состава отклонения, вы­званные неадекватным учетом эффектов таких взаи­модействий на снижение температуры ликвидус, ме­нее предсказуемы.

Как видно из табл. 2, для группы углеродистой и низколегированной стали dT_ср имеет отрицательное значение и по абсолютному значению в каждом от­дельном случае большеdTmin. В более 90 % случаев значения dTmin распределены по нормальному закону в интервале ± 2 °С около фактической температуры ликвидус, а около 70 % — в интервале ± 1 °С.

Таблица 1. Коэффициенты a, а₁ и a₂ характеризующие степень влияния содержащихся в стали химических элементов на снижение температуры ликвидус*

Температура плавления цветных и черных металлов

В металлургической промышленности одним из основных направлений считается литье металлов и их сплавов по причине дешевизны и относительной простоты процесса. Отливаться могут формы с любыми очертаниями различных габаритов, от мелких до крупных; это подходит как для массового, так и для индивидуального производства.

Литье является одним из древнейших направлений работы с металлами, и начинается примерно с бронзового века: 7−3 тысячелетия до н. э. С тех пор было открыто множество материалов, что приводило к развитию технологии и повышению требований к литейной промышленности.

В наши дни существует много направлений и видов литья, различающихся по технологическому процессу. Одно остается неизменным — физическое свойство металлов переходить из твердого состояния в жидкое, и важно знать то, при какой температуре начинается плавление разных видов металлов и их сплавов.

Процесс плавления металла

Данный процесс обозначает собой переход вещества из твердого состояния в жидкое. При достижении точки плавления металл может находиться как в твердом, так и в жидком состоянии, дальнейшее возрастание приведет к полному переходу материала в жидкость.

То же самое происходит и при застывании — при достижении границы плавления вещество начнет переходить из жидкого состояния в твердое, и температура не изменится до полной кристаллизации.

При этом следует помнить, что данное правило применимо только для чистого металла. Сплавы не имеют четкой границы температур и совершают переход состояний в некотором диапазоне:

1. Солидус — линия температуры, при которой начинает плавиться самый легкоплавкий компонент сплава.
2. Ликвидус — окончательная точка плавления всех компонентов, ниже которой начинают появляться первые кристаллы сплава.

Точно измерить температуру плавления таких веществ невозможно, точкой перехода состояний указывается числовой промежуток.

В зависимости от температуры, при которой начинается плавление металлов, их принято разделять на:

• Легкоплавкие, до 600 °C. К ним относятся олово, цинк, свинец и другие.
• Среднеплавкие, до 1600 °C. Большинство распространенных сплавов, и такие металлы как золото, серебро, медь, железо, алюминий.
• Тугоплавкие, свыше 1600 °C. Титан, молибден, вольфрам, хром.

Также существует и температура кипения — точка, при достижении которой расплавленный металл начнет переход в газообразное состояние. Это очень высокая температура, как правило, в 2 раза превышающая точку расплава.

Влияние давления

Температура плавления и равная ей температура затвердевания зависят от давления, возрастая с его повышением. Это обусловлено тем, что при повышении давления атомы сближаются между собой, а для разрушения кристаллической решетки их нужно отдалить. При повышенном давлении требуется большая энергия теплового движения и соответствующая ей температура плавления увеличивается.

Существуют исключения, когда температура, необходимая для перехода в жидкое состояние, при повышенном давлении уменьшается. К таким веществам относят лёд, висмут, германий и сурьма.

Таблица температур плавления

Любому человеку, связанному с металлургической промышленностью, будь то сварщик, литейщик, плавильщик или ювелир, важно знать температуры, при которых происходит расплав материалов, с которыми он работает. В нижеприведенной таблице указаны точки плавления наиболее распространенных веществ.

Таблица температур плавления металлов и сплавов

Помимо таблицы плавления, существует много других вспомогательных материалов. Например, ответ на вопрос, какова температура кипения железа лежит в таблице кипения веществ. Помимо кипения, у металлов есть ряд других физических свойств, как прочность.

Прочность металлов

Помимо способности перехода из твердого в жидкое состояние, одним из важных свойств материала является его прочность — возможность твердого тела сопротивлению разрушению и необратимым изменениям формы. Основным показателем прочности считается сопротивление возникающее при разрыве заготовки, предварительно отожженной. Понятие прочности не применимо к ртути, поскольку она находится в жидком состоянии. Обозначение прочности принято в МПа — Мега Паскалях.

Существуют следующие группы прочности металлов:

• Непрочные. Их сопротивление не превышает 50МПа. К ним относят олово, свинец, мягкощелочные металлы
• Прочные, 50−500МПа. Медь, алюминий, железо, титан. Материалы этой группы являются основой многих конструкционных сплавов.
• Высокопрочные, свыше 500МПа. Например, молибден и вольфрам.

Таблица прочности металлов

Наиболее распространенные в быту сплавы

Как видно из таблицы, точки плавления элементов сильно разнятся даже у часто встречающихся в быту материалов.

Так, минимальная температура плавления у ртути -38,9 °C, поэтому в условиях комнатной температуры она уже в жидком состоянии. Именно этим объясняется то, что бытовые термометры имеют нижнюю отметку в -39 градусов Цельсия: ниже этого показателя ртуть переходит в твердое состояние.

Припои, наиболее распространенные в бытовом применении, имеют в своем составе значительный процент содержания олова, имеющего точку плавления 231.9 °C, поэтому большая часть припоев плавится при рабочей температуре паяльника 250−400°C.

Помимо этого, существуют легкоплавкие припои с более низкой границей расплава, до 30 °C и применяются тогда, когда опасен перегрев спаиваемых материалов. Для этих целей существуют припои с висмутом, и плавка данных материалов лежит в интервале от 29,7 — 120 °C.

Расплавление высокоуглеродистых материалов в зависимости от легирующих компонентов лежит в границах от 1100 до 1500 °C.

Точки плавления металлов и их сплавов находятся в очень широком температурном диапазоне, от очень низких температур (ртуть) до границы в несколько тысяч градусов. Знание этих показателей, а так же других физических свойств очень важно для людей, которые работают в металлургической сфере. Например, знание того, при какой температуре плавится золото и другие металлы пригодятся ювелирам, литейщикам и плавильщикам.

Диаграмма состояния сплавов железо-углерод с пояснением

Фазовые диаграммы представляют собой изображение зон существования фаз, которые имеются в сплаве при различных условиях (температура, давление, химсостав).

Диаграмма железо углерод описывает подходящие условия для существования двух или более фаз в равновесии. Популярная аналогия: фазовая диаграмма воды описывает точку (тройную точку), в которой вода может сосуществовать в трёх разных фазах одновременно. Это происходит при температуре чуть выше точки замерзания (0,01 ° C) и при давлении 0,006 атм.

• Компонентный состав
• Фазы в системе “железо-углерод”
• Узловые критические точки
• Значение линий диаграммы

Существует четыре основных применения фазовых диаграмм:

1. Разработка новых сплавов на основе требований применения.
2. Производство этих сплавов.
3. Разработка и контроль соответствующих процедур термообработки, которые предназначены для улучшения химических, физических и механических свойств сплавов.
4. Устранение проблем, возникающих при применении новых сплавов, что в конечном итоге улучшает предсказуемость свойств продукта.

Компонентный состав

Диаграмма железо-углерод была разработана, чтобы показать микроструктурное состояние металла как функцию температуры и содержания углерода. Она показывает, что, в зависимости от интенсивности охлаждения стали, в ней могут возникать очень разные микроструктуры.

Когда металл расплавлен, то есть находится в жидком состоянии, решётчатые структуры отсутствуют. Атомы могут свободно перемещаться во всех направлениях. Чтобы достичь желаемых кристаллических структур, необходимо, чтобы металл медленно и полностью остыл при комнатной температуре. Промежуточные термические обработки положительно влияют на формирование кристаллических структур.

По вертикальной оси диаграммы железо-углерод располагается шкала температур в °C. Металл показан здесь от твердого до жидкого состояния. Например, чистое железо начинает плавиться при 1147°C. Температура устойчивого состояния расплава — 1536 °C.

По горизонтальной оси указывается процентное содержание углерода в металле.

Линии, которые соединяют характерные точки диаграммы, отмечают трансформацию металла. Они разделяют участки, где металл находится в в состоянии преобразования из твёрдого состояния в жидкое. Но одновременно диаграмма состояния «железо-углерод» определяет и реорганизацию атомов в кристаллической решётке.

Диаграмма показывает участки, в которых металл находится только в состоянии. расплава, феррита или аустенита. Остальные зоны характеризуются определённым сочетанием свойств. Это, например, расплав и аустенит, аустенит и феррит, феррит и перлит.

Обозначение точек пересечения заглавными буквами на линиях преобразования предназначено для лучшего понимания. Они указывают на переход в другое состояние или условие.

Диаграмма предполагает постоянное охлаждение металлов. Если металл медленно охлаждать, образуются крупные зёрна, если же металл остывает быстро, то размеры зёрен уменьшаются. Тип зерна металла определяет его прочностные свойства. Крупнозернистый материал имеет меньшую прочность, но его можно сделать более мелким и, следовательно, более прочным путём термической обработки или пластического деформирования (упрочнением). Самый высокий уровень прочности имеет именно мелкозернистый металл.

Выполним краткую характеристику основных химических компонентов диаграммы.

Железо

Железо образует кубическую пространственную решётку. Атомы железа расположены по углам этой решётки. Количество углерода, которое может быть растворено в железе, зависит от модификации железа, потому что разные формы кристаллической решетки железа (например, кубическая пространственно-центрированная и кубическая гранецентрированная) имеют межстраничные промежутки разного размера.

Второстепенную роль играет дельта-смешанный кристалл, который имеет объемно-центрированные атомы, но существует только в высоколегированных сталях. Эти кристаллы образуются в диапазоне температур от 1536 °C (точка плавления чистого железа) до 1392 °C.

Альфа-смешанный кристалл существует как объемно-центрированная кубическая решетка. Эти структуры образуются в чистом железе до температуры 911 °C.

В гамма смешанном кристалла атомы железа гранецентрированы, и это означает, что они расположены в середине каждой грани куба. Эти кристаллы образуются при температурах от 1392 °C до 911 °C в чистом железе.

Углерод

В низких концентрациях, углерод не образует твёрдого химического соединения с железом, но откладывается в промежутках кристаллической решетки железа.

Углерод в железе является примесью внедренияи может существовать в форме гранецентрированную или объемно-центрированной кубической решётки. Диаграмма состояния сплавов железо-углерод устанавливает области стабильного существования твёрдого раствора с α, γ и δ фазами железа.

Описанные выше кристаллические решётки имеют различную растворимость углерода в зависимости от температуры. Углерод осаждается в междуузельных пространствах кристаллической решётки, при этом гранецентрированная кубическая решетка, также называемая аустенитом, имеет растворимость не более чем в сто раз выше, чем кристаллы феррита.

Цементит

Цементит — метастабильная фаза сплава с фиксированным составом, имеющий химическую формулу Fe₃C. При комнатной температуре цементит очень медленно разлагается на железо и углерод (графит).

Некоторые другие факторы (например, высокие температуры и добавление определенных легирующих элементов) могут влиять на это разложение, поскольку они способствуют образованию графита.

Цементит твёрдый и хрупкий, что делает его пригодным для упрочнения сталей (существует специальная технология химико-термической обработки стали, которая называется цементацией). Механические свойства цементита зависят от его микроструктуры, а также от условий связи с ферритом.

Жидкий раствор Fe-C на диаграмме обозначается выше линии L (ликвидус). Поскольку δ-феррит плавится при 1538 °C, очевидно, что температура плавления железа снижается с увеличением содержания углерода.

Перлит

Зёрна перлита включают в себя структурные объединения, где все образовавшиеся пластины между собой параллельны. При возрастании числа перлитных конкреций рост размеров пластин приостанавливается, а сами они могут изменить направление своего движения. С уменьшением температуры колонии перлита превращаются в шаровидные мелкозернистые образования.

Ледебурит в сталях

Ледебурит — один из основных структурных компонентов железоуглеродистых сплавов и является эвтектическую смесью аустенита и цементита, которая образуется при 1145°C и ниже (для чистых железоуглеродистых сплавов). Аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь при температурах ниже 723°C. В сталях ледебурит, состоящий из аустенита и карбидов, образуется только при очень высоком содержании компонентов сплава и углерода (0,7…1,0%); такие стали (называются ледебуритовыми сталями.

Метастабильная нелегированная эвтектика ледебурита Fe – Fe₃C классифицируется как квазирегулярная. Доказано, что после зарождения Fe₃C рост пластин цементита происходит быстро, в результате на стыках образуется аустенит, и возникает взаимосвязь ориентации. Fe₃C и аустенит также растут совместно и образуют стержневую структуру, которая располагается перпендикулярно пластинам цементита. Эти два режима роста образуют квазирегулярную структуру, но рост по краю происходит быстрее, чем по бокам, и доминирует в структуре. Эксперименты по направленной кристаллизации показали, что рабочая точка на кривой роста квазирегулярной структуры близка к точке экстремума. Такую квазирегулярную структуру можно модифицировать закалкой, но модификация примесей пока не исследовалась.

Структурная подложка сталей ледебуритного класса имеет доэвтектические компоненты, включающие перлит, ледебурит и шаровидный графит. Легированный слой состоит из дендритов и междендритов. В чугуне с шаровидным графитом конкреции графита постепенно растворяются в ванне расплава, и в то же время под действием гидродинамических сил и сил текучести перемещаются к поверхности.

Фазы в системе “железо-углерод”

Фазы — это физически однородные состояния сплава. Фаза имеет точный химический состав — определенное расположение и связь между атомами. Такая структура атомов придает разные свойства различным фазам.

Некоторые специальные сплавы могут существовать в нескольких фазах, что достигается нагревом металла до определенных температур и использованием разных процедур термообработки.

Жидкая

Существует при температуре, которая превышает 1457 o C. Фазовое превращение при этой температуре означает полное плавление, поэтому на диаграмме жидкая фаза всегда обозначается линией L.

Феррит

На диаграмме присутствует в трёх разных фазах:

• Фаза дельта-феррита (δ-Fe) представляет собой твердый раствор C в δ-Fe (ОЦК) в высокотемпературной области диаграммы. Раствор стабилен при температуре выше 1400 °C и плавится при температуре выше 1539 °C. Структурно подобен α-ферриту;
• Фаза гамма-феррита (γ-Fe) является твёрдым раствором C в γ-Fe, который называют аустенитом. Нестабилен ниже температуры 910 °C, превращаясь в δ-феррит при 1395 ° C.. Максимальная растворимость углерода составляет около 2,1% при 1147 °C. Аустенит мягок и пластичен, не обладает магнитными свойствами;
• Фаза альфа-феррита (α-Fe) представляет собой твердый раствор C в α-Fe с ОЦК-решёткой. Считается самой стабильной формой железа при комнатной температуре. Максимальная растворимость углерода составляет около 0,02% при 727 °C. Мягче аустенита, магнитен.

Аустенит в сталях

Аустенит всегда присутствует в нержавеющих сталях, которые содержат от 16 до 26 процентов хрома и до 35 процентов никеля. Аустенитные стали, помимо высокой коррозионной стойкостью, не закаливаются при термической обработке и немагнитны.

Формы существования цементита важны для определения коррозионной стойкости сталей. Доказано, что цементит (Fe₃C) увеличивает скорость коррозии, причём этот эффект более выражен, когда он образует когерентную сеть на поверхности. В нормализованных сталях цементит образует когерентную сетку, а в отпущенном мартенсите — нет. Поэтому цементит влияет на скорость коррозии нормализованной, но не закалённой стали.

В целом скорость коррозии углеродистой стали снижается с увеличением содержания хрома из-за образования защитного оксида хрома. Однако, когда хром соединяется с углеродом с образованием карбида хрома, положительный эффект хрома теряется.

Узловые критические точки

Диаграмма «железо-углерод» с пояснениями позволяет облегчить изучение кинематики формирования различных микроструктур. Фазовые диаграммы помогают металлургам понять, какие фазы являются термодинамически стабильными, метастабильными или нестабильными. Пользуясь ими, можно выбрать соответствующие элементы для легирования стали. Фазовые диаграммы показывают нам также, как решать такие проблемы, как межкристаллитная коррозия, горячая коррозия, водородное повреждение и т.п.

Характерной точкой на диаграмме является точка эвтектики — место, где встречаются несколько фаз. На диаграмме «железо-углерод» эвтектическая точка находится там, где пересекаются линии A₁, A₃ и A_CM. Образование этих точек случайно.

В этих точках происходят эвтектические реакции, при которых жидкая фаза затвердевает и превращается в смесь двух твердых фаз. Это происходит при охлаждении жидкого сплава эвтектического состава до его эвтектической температуры.

Сплавы, образующиеся на этом этапе, известны как эвтектические сплавы. Слева от этой точки сплавы называются заэвтектическими, а справа – заэвтектическими.

Значение линий диаграммы

Границы, пересекающиеся друг с другом, отмечают определенные области на диаграмме. Внутри каждой зоны может существовать отдельная фаза или две фазы. На границе происходит фазовый переход. Эти области являются фазовыми полями, они указывают фазы, присутствующие для определенного состава и температуры сплава.

На диаграмме имеется несколько характерных линий, обозначаемых как A₁, A₂, A₃, A₄ и A_CM. При повышении или понижении температуры металла на этих границах происходит фазовый переход. Обычно при нагревании сплава его температура повышается, но вдоль этих линий нагрев приводит к перестройке структуры в другую фазу, и, таким образом, температура перестаёт расти до тех пор, пока фаза полностью не изменится. Этот процесс называется термической остановкой.

Элементы легированной стали — никель, марганец, хром, и молибден — влияют на положение этих границ на фазовой диаграмме. Границы могут сдвигаться в любом направлении в зависимости от используемого элемента. Например, на диаграмме состояния железа и углерода добавление никеля понижает границу A₃, а добавление хрома увеличивает её.