В металловедение различают три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы, входящие в состав сплава элементов незначительно отличаются строением и размером, они могут образовывать общую кристаллическую решетку, то такой сплав называется твердым раствором. Если каждый элемент сплава кристаллизуется самостоятельно, то это механическая смесь. Если элементы сплава химически взаимодействуют, образуя новое вещество, то такой сплав называют химическим соединением.
В состав железоуглеродистого сплава входят два главных компонента — железо и углерод. Железо имеет четыре полиморфные модификации и переход из одной в другую происходит при критических температурах при охлаждении с выделением теплоты, а при нагревании — с поглощением теплоты. Переход из одной формы в другую схематически показан на кривой охлаждения. Кривая охлаждения железа имеет несколько «ступенек». Эти «ступеньки» — горизонтальные участки кривой — показывают, что при переходе разогретого железа из одного состояния в другое его температура остается неизменной. По окончании перехода железа в очередное состояние температура начинает уменьшаться.
Большое значение для практики имеет свойство y-Fe растворять до 2,14% углерода при температуре 1147°С с образованием твердого раствора и с внедрением атомов углерода в кристаллическую решетку. При повышении и понижении температуры растворимость углерода в y-Fe уменьшается. Твердый раствор углерода в y-Fe называется аустенитом, почти в 100 раз меньше углерода, может раствориться в a-Fe, причем твердые растворы углерода и других элементов в a-Fe называют ферритом.
Кроме твердых растворов в железе в железоуглеродистых сплавах может быть химическое соединение железа с углеродом — карбид железа Fe3C. Это соединение, называемое цементитом, со держит 6,67 % углерода, имеет сложное кристаллическое строение с плотно упакованной ромбической кристаллической решеткой. В сплавах цементит является метастабильной фазой. Его темпера тура плавления равна примерно 1500°С.
Феррит отличается мягкостью и пластичностью; его прочность сравнительно невысока — предел прочности при растяжении 250 МПа, относительное удлинение 50%, твердость НВ составляет 800 МПа. Аустенит также имеет высокую пластичность, низкий предел прочности при растяжении. Твердость аустенита НВ 1700 — 2200 МПа. Цементит обладает низкой пластичностью, высокой твердостью НВ, равной 10 000 МПа, и хрупкостью.
При охлаждении жидких сплавов сначала происходит кристаллизация, а затем после отвердения — фазовые структурные превращения вследствие полиморфизма железа и изменения растворимости углерода в аустените и феррите. По содержанию углерода железоуглеродистые сплавы подразделяют на стали, содержащие до 2,14% углерода, и чугуны с содержанием углерода более 2,14 %. Принятая граница между сталями и чугунами соответствует наибольшей растворимости углерода в аустените.
Цементит является метастабильной фазой, претерпевающей изменения при легировании и термической обработке сплавов. Различают первичный цементит, выделяющийся при кристаллизации из жидкого расплава, вторичный и третичный цементиты, выделяющиеся при распаде, аустенита и феррита. Твердость цементита в четыре раза больше аустенита и в 9 —10 раз — феррита.
Графит — стабильная фаза, выделяющаяся при медленном охлаждении сплава и наличии графитизирующих элементов Si, Ni, Cu, Al и других включений, служащих графитными зародышами. Графит имеет слоистое строение, малую прочность и электропроводность, мягок и хрупок.
Стали после отвердения не содержат легкоплавкой эвтектики — ледебурита, — характерной для чугуна при содержании углерода 4,3 %. При высоком нагреве стали имеют структуру чистого аустенита. В зависимости от процентного содержания углерода железоуглеродистые сплавы имеют следующие наименования:
техническое железо (С < 0,02 %);
доэвтектоидные стали (С = 0,02...0,8 %);
эвтектоидные стали (С = 0,8 %);
заэвтектоидные стали (С = 0,8... 2,14 %);
доэвтектические чугуны (С = 2,14...4,3 %);
эвтектика — ледебурит (С = 4,3 %);
заэвтектические чугуны (С = 4,3...6,67 %).
Сплавы железа с углеродом после окончания кристаллизации имеют различную структуру, но одинаковый фазовый состав; при температурах ниже 727 °С они состоят из феррита и цементита.
После охлаждения сталь состоит из цементита и феррита, и от их соотношения зависят многие свойства стали. При содержании углерода в стали более 2 % твердость ее возрастает, а временное сопротивление уменьшается, что объясняется выделением по границам бывшего зерна вторичного цементита. Кремний и марганец присутствуют в стали в количествах соответственно 0,35 — 0,4 и 0,5 — 0,8 %. Кремний повышает предел текучести и снижает способность стали к холодной деформации. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, но уменьшает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах, вызванную серой. Сера образует с железом химическое соединение FeS. Кроме того, она снижает ударную вязкость и предел выносливости, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость. Поэтому содержание серы в стали ограничивается до 0,06 %. Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS, практически исключающее красноломкость.
Фосфор является вредной примесью в стали. Растворяясь в феррите, он сильно искажает кристаллическую решетку, повышает предел текучести и порог хладноломкости; уменьшает деформативность. Содержание его в стали ограничивается до 0,08 %.
Азот и кислород повышают порог хладноломкости, уменьшают ударную вязкость и предел выносливости стали.
Особенно вреден растворенный в стали водород. Он не только охрупчивает ее, но и приводит к образованию в катаных заготовках и поковках тонких трещин — флокенов. Их удаляют специальной термической обработкой или вакуумированием стали в жидком состоянии.
