Железо.Свойства и значение в жизни человека

Поэтому процесс выплавки стали обычно заканчивается ее раскислением — уменьшением количества растворенного в жидкой стали кислорода. Существуют различные способы раскисления стали. Чаще всего применяется добавка к стали небольших количеств элементов, активно соединяющихся с кислородом. Обычно в качестве раскислителей применяют марганец, кремний, алюминий, титан. Образующиеся оксиды этих элементов переходят в шлак.

Хорошо раскисленная сталь застывает спокойно — без газовые деления—и называется спокойной. При застывании нераскислен-ной или неполностью раскисленной стали из нее выделяются газы, и металл как бы кипит; такая сталь называется кипящей. Спокойная сталь лучше кипящей. Однако кипящие стали дешевле и также находят применение.

Выплавленную сталь выпускают  в разливочный ковш и разливают в металлические формы — изложницы или направляют на непрерывную разливку. После затвердевания сталь получается в виде слитков.

При кристаллизации сталь  уменьшается в объеме. Поэтому в верхней части слитка, затвердевающей в последнюю очередь, образуется пустота, называемая усадочной раковиной. Область слитка, расположенная ниже усадочной раковины обладает рыхлой структурой. В слитках кипящей стали усадочная рaковина не образуется, но зато они пронизаны большим количеством пузырей. Слиткам присущи и другие дефекты, в частности неоднородность химического Состава. Она обусловлена тем, что кристаллы, образующиеся в первую очередь, содержат минимальное количество примесей, а последние порции кристаллизующейся стали максимально обогащены имя; диффузия же атомов примесей, которая могла бы выравнять их концентрации, происходить не успевает, потому что слиток охлаждается быстро.

Для устранения дефектов слитков большая часть всей выплавляемой стали (около 90%) обрабатывается давлением. При этом структура стали делается значительно более однородной, в результате чего ее механические свойства улучшаются.

Процессы обработки давлением  разнообразны. К ним принадлежат  прокатка, волочение, прессование и другие. Важнейший вид обработки давлением это прокатка. Слитки, поступающие в прокатный цех металлургического завода, нагреваются до 1000—1300 °С. При этом сталь переходит в состояние аустенита и ее пластичность сильно возрастает. Нагретые слитки поступают на прокатный стан. Он представляет собой комплекс машин, главное значение которых состоит в деформации металла с помощью вращающихся валков. Захватываемый валками слиток подвергается обжатию. При этом толщина заготовки уменьшается, а длина увеличивается; операция повторяется многократно. Различные прокатные станы дают возможность получать разнообразную продукцию: листы, трубы, рельсы, балки, изделия более сложной формы, например, железнодорожные колеса. Часть стали прокатывается не до получения готовой продукции, а лишь до полупродукта (листы, прутки и др.). Такой полупродукт в дальнейшем проходит обработку другими методами. Горячекатанная сталь—наиболее употребительный материал для производства'"машин, станков, строительных металлоконструкций. предметов широкого потребления.

Термическая обработка стали.

Термической (тепловой) обработкой стали называется изменение ее структуры, а следовательно, и свойств, достигаемое нагреванием до определенной температуры, выдерживанием при этой температуре и охлаждением с заданной скоростью. Термическая обработка стали — важнейшая операция в технологии стали; она может очень сильно изменить свойства стали. Ей подвергают как готовые изделия, главным образом инструменты и детали машин, так и полуфабрикаты, например, отливки, прокат.

Применяются различные виды термической  обработки, придающие стали различные  свойства. Важнейшими являются закалка  и отпуск.

Закалка осуществляется нагреванием стали до температуры, несколько превышающей температуру превращения перлита в аустенит, выдержкой при этой температуре и быстрым охлаждением. Закалка придает стали твердость, прочность, но в то же время делает ее хрупкой. Поэтому закаленную сталь обычно подвергают еще одной операции — отпуску. Он состоит в нагревании стали до температуры, при которой еще не достигается превращение в аустенит, выдержке при этой температуре и сравнительно медленном охлаждении.   Отпуск — конечная операция термической обработки. В результате закалки и отпуска, проводимых по заданному режиму, сталь получает требуемые механические свойства.                   

Что представляют собой  те процессы, которые протекают в  стали при закалке и отпуске? Для ответа на этот вопрос вспомним диаграмму состояния системы Fе—С. приведена часть этой диаграммы, отвечающая содержанию углерода до 2,14% и температуре до 1147°С. При нагревании стали эвтектоидного состава (0,8% углерода) перлит при 727 °С превращается в аустенит. При нагревании стали, содержащей меньшие количества углерода, например, 0,4% (структура такой стали состоит из перлита и феррита), при 727 °С перлит превращается в аустенит с

0,8% углерода (точка / на  рис. 173), а при дальнейшем нагревании  феррит постепенно растворяется в аустените; содержание углерода в аустените при этом уменьшается в соответствии с линией 50. По достижении точки 2 феррит исчезает, а концентрация углерода в аустените становится равной его общему содержанию в стали.

Аналогично протекают  превращения в случае стали, содержащей большие количества углерода, например, 1,4%. Такая сталь состоит из перлита и цементита. При 727 °С перлит превращается в аустенит, содержащий 0,8% углерода (точка 3), а при дальнейшего нагревании цементит растворяется в аустените. По достижении точки 4 цементит исчезает, а содержание углерода в аустените становится равным 1,4%.

Таким образом, первый этап закалки—нагревание сопровождается переходом стали в состояние аустенита. Диффузия атомов даже при высоких температурах происходит в твердом теле далеко не мгновенно. Для полноты превращения сталь выдерживают некоторое время при температуре, немного превышающей соответствующую точку на линии GS или SЕ.

Процессы, протекающие  при медленном охлаждении аустенита, обратны только что рассмотренным. Но при быстром его охлаждении эти процессы, связанные с диффузией атомов углерода и железа, не успевают происходить. В результате сталь оказывается в неравновесном состоянии.

При охлаждении аустенит делается термодинамически неустойчивой фазой;

при температурах ниже 727 °С термодинамически устойчив перлиг или перлит с избытком феррита или цементита. Чем больше переохлаждение, тем больше разность энергий Гиббса аустенита и перлита, стимулирующая превращение. Но, в то же время, чем больше переохлаждение (т. е. чем ниже температура), тем медленнее протекает диффузия атомов. В результате одновременного действия этих противоположных тенденций скорость превращения аустенита в перлит оказывается максимальной при небольших переохлаждениях, т. е. при медленном понижении температуры. При больших же переохлаждениях, при быстром снижении температуры скорость диффузионных процессов приближается к нулю и превращение становится невозможным. Однако кристаллическая решетка железа перестраивается при любой скорости охлаждения, так что в результате 'понижения температуры γ-железо превращается в α-железо. Таким образом, в основе закалки стали лежит превращение аустенита в пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Эта фаза носит название мартенсита; будучи термодинамически неустойчивой, она не находит отражения на диаграмме состояния.

Если в равновесном  состоянии растворимость углерода в α-железе при 20 "С не превышает 0,0025%, то в мартенсите его содержится столько же, сколько в исходном аустените. Мартенситное превращение не сопровождается диффузионным перераспределением углерода, т. е. перемещения атомов углерода и железа не превышают в ходе этого превращения межатомных расстояний. Происходит лишь перестройка кубической гранецентрированной решетки γ-железа в кубическую объемноцентрированпую (α-железо). Однако сохранение в новой решетке атомов углерода приводит к ее искажению, а точнее говоря, к превращению в тетрагональную с отношением осей, незначительно отличающимся от единицы. При содержании углерода в стали выше 0,5% часть аустенита не испытывает превращения и сохраняется в закаленной стали.

Мартенсит обладает высокой  твердостью, возрастающей с увеличением  содержания углерода. Его твердость обусловлена очень тонкой неоднородностью строения, препятствующей передвижению дислокации. Но в то же время, в связи с большими внутренними напряжениями, возникающими при его образовании, мартенсит хрупок. Поэтому закаленная сталь тверда, но хрупка.

При отпуске мартенсит  и остаточный аустенит частично распадаются. При этом степень превращения мартенсита и структура образующихся продуктов зависят от температуры нагрева при отпускею.

При низкотемпературном отпуске изделия нагревают до 150— 250 °С. При этом углерод лишь частично выделяется из мартенсита, образуя включения пластинок карбида железа (цементита). Низкотемпературный отпуск снижает внутренние напряжения в стали, повышает ее прочность, а ее твердость и износостойкость сохраняются. Этому виду отпуска подвергают режущие 'и измерительные инструменты.

Среднетемпературный отпуск проводится при 350—500 °С. При этих температурах диффузия атомов углерода и железа протекает достаточно быстро; углерод  полностью выделяется из мартенсита и сталь приобретает структуру феррита и тонкопластинчатых частиц цементита. Она становится упругой, в связи с чем среднетемпературному отпуску подвергают пружины и рессоры.

Отпуск, проводимый при 500—680 "С, называется высокотемпературным, или высоким. При этих температурах происходит рост кристаллитов карбида железа — тонкие пластинки его укрупняются и приобретают округлую форму. Высокий отпуск повышает вязкость стали; прочность и твердость ее немного снижаются, но остаются все же значительными. При высоком отпуске создается наилучшее соотношение механических свойств стали. Поэтому закалка с высоким отпуском называется улучшением стали. Улучшение — основной вид термической обработки конструкционных сталей .

В некоторых случаях  поверхность изделия или детали должна обладать механическими свойствами, отличными от свойств в ее массе. Например, автомобильная ось должна иметь твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся истиранию, и в то же время не быть хрупкой, т е. обладать известной упругостью во избежание поломвк при толчках. В таких случаях применяется . химико-термическая обработка стали. При химико-термической обработке поверхность изделия насыщается .углеродом, азотом или некоторыми другими элементами, что достигается диффузией элемента из внешней среды при повышен ных температурах. Насыщение углеродом, или цементация, осуществляется нагреванием изделия в атмосфере СО, СН4 или в массе активного угля. При этом поверхностный слой стали глубиной 0,5—2 мм приобретает большую твердость и прочность, тогда как остальная масса стали остается вязкой и упругой. При азотировании стали, т. е. насыщении ее поверхности азотом, изделие подвергают длительному нагреванию в атмосфере аммиака при 500—600 "С. Азотированная сталь обладает еще большей твердостью, чем цементированная, вследствие образования в поверхностном слое нитридов железа. Она выдерживает нагревание до 500 "С, не теряя своей твердости.

Сплавы железа.

Как уже говорилось, сплавы железа с углеродом делятся на стали и чугуны. Стали, в свою очередь, подразделяются на группы по своему химическому составу и по назначению, а чугуны—по тому, в каком состоянии находится в них углерод.

По химическому составу  стали делятся на углеродистые и  легированные.                                            '

Углеродистые стали  — это сплавы железа с углеродом,, причем содержание последнего не превышает 2,14%. Однако в углеродистой стали промышленного производства всегда имеются примеси многих элементов. Присутствие одних примесей обусловлено особенностями производства стали: например, при раскислении в сталь вводят небольшие количества марганца или кремния, которые частично переходят в шлак в виде оксидов, а частично остаются в стали. Присутствие других примесей обусловлено тем, что они содержатся в исходной руде и в малых количествах переходят в чугун, а затем и в сталь. Полностью избавиться от них трудно. Вследствие этого, например, углеродистые стали обычно содержат 0,05—0,1% фосфора и серы.

Механические свойства медленно охлажденной углеродистой стали сильно зависят от содержания в ней углерода. Медленно охлажденная сталь состоит из феррита и цементита, причем количество цементита пропорционально содержанию углерода. Твердость цементита намного выше твердости феррита. Поэтому при увеличении содержания углерода в стали ее твердость повышается. Кроме того, частицы цементита затрудняют движение дислокации в основной фазе — в феррите. По этой причине увеличение количества углерода снижает пластичность стали.

Углеродистая сталь  имеет очень широкое применение. В зависимости от назначения применяется сталь с малым или с более высоким содержанием углерода, без термической обработки (в «сыром» виде — после проката) или с закалкой и отпуском.

Легированные стали. Элементы, специально вводимые в сталь в  определенных концентрациях для  изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной сталью. К важнейшим легирующим элементам относятся хром, никель, марганец, кремний, ванадий, молибден.

Различные легирующие элементы по-разному изменяют структуру и свойства стали. Так, некоторые элементы образуют твердые растворы в γ-железе, устойчивые в широкой области температур. Например, твердые растворы марганца или никеля в γ-желсзе при значительно содержании этих элементов стабильны от комнатной температуры до температуры плавления. Сплавы железа с подобными металлами .называются поэтому аустенитными сталями или аустенитными сплавами.

Влияние легирующих элементов  на свойства стали обусловлено также  тем, что некоторые из них образуют с углеродом карбиды, которые  могут быть простыми, например, Мn_зС, Сr₇С_з, а также сложными (двойными), например, (Fе, Сг)_зС. Присутствие карбидов, особенно в виде дисперсных включений в структуре стали, в ряде случаев оказывает сильное влияние на ее механические и физико-химические свойства.