Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, долговечностью и другими требуемыми свойствами. Причем эти свойства можно регулировать, изменять в широком диапазоне значений изменением концентрации углерода, легирующих элементов, термообработкой. Отметим и относительно невысокую стоимость многих марок сталей. К недостаткам многих сталей следует отнести низкую коррозионную стойкость. Основными компонентами сплавов являются железо и углерод. Кроме них в сплавах железа с углеродом содержится некоторое количество постоянных и случайных примесей.
Концентрация углерода в сталях не превышает 2.14%. При содержании углерода свыше 2.14% до 4.3% сплавы называют чугунами. Углерод в железоуглеродистых сталях находится в связанном или свободном состоянии, и его концентрация оказывает определяющее влияние на свойства сталей.
С повышением содержания углерода в стали возрастают прочность и твердость, но снижается пластичность и вязкость сталей. От содержания углерода зависят технологические свойства стали (при его увеличении снижается способность к деформациям, затруднена свариваемость), возможности упрочнения при термической обработке (стали с малым содержанием углерода не подвержены закалке).
Постоянными примесями в стали являются Mn, Si, S, P, а также газы О2, N2, H2. Марганец, кремний – полезные примеси, Mn уменьшает вредное действие кислорода и серы, повышает прочность, Mn, Si способствует раскислению, Si оказывает упрочняющие действие. Содержание Mn, Si колеблется от 0,3 до 0,8%.
Сера, фосфор – вредные примеси в стали. Сера вызывает красноломкость стали – хрупкость при горячей обработке давлением, снижает пластичность и вязкость сталей. Фосфор упрочняет сталь, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости сталей при понижении температуры. Поэтому содержание S и P в сталях ограничивают до сотых долей процента и контролируют. Однако повышенное содержание серы улучшает обрабатываемость сталей резанием, что и используются на практике в марках автоматных сталей.
Кислород, азот, водород – вредные скрытые примеси, их влияние проявляется в снижении пластичности и повышении склонности сталей к хрупкому разрушению, так как приводит к образованию неметаллических включений (оксидов, нитридов), водород вызывает водородную хрупкость.
В зависимости от температуры и содержания углерода железоуглеродистые сплавы образует ряд структурных составляющих (фаз), рисунок 24.
Феррит (Ф) – твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Феррит магнитен, на диаграмме состояния занимает область GPQ (рисунок 24), имеет ОЦК кристаллическую решетку, низкую прочность и твердость, высокую пластичность.
Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в γ - железе, имеет ГЦК кристаллическую решетку, немагнитен, на диаграмме состояния занимает область выше линии AGSE.
Цементит – химическое соединение железа с углеродом, Fe3C. Цементит магнитен, обладает высокой твердостью и очень низкой пластичностью, является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита.
Графит – представляет свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью, содержится в стали в виде включений, форма которых оказывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.
Перлит (П) – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, образующаяся при температуре 727ОС в результате распада аустенита при охлаждении. Перлит может быть пластинчатым или зернистым, что определяет его механический свойства.
Помимо названых составляющих в железоуглеродистых сплавах могут быть неметаллические включения (соединения с кислородом, азотом, серой, фосфором и другими), которые с железом образуют различные фазы.