Чем сталь 45 отличается от У8 и чугуна? Ставь точку «углерод, температура» на диаграмме, остужай сплав и смотри в микроскоп, сколько в нем феррита, перлита и цементита.
Сталь и чугун это железо с углеродом. Если углерода меньше 2,14 %, сплав называют сталью: ее можно ковать и гнуть. Больше 2,14 % это чугун: он хорошо льется, но хрупкий. Внутри сплава углерод живет по-разному. Он растворяется в железе (феррит, аустенит) или образует твердое и хрупкое соединение Fe3C, цементит. Найди на карте точку «углерод, температура», и диаграмма подскажет, какие зерна увидишь под микроскопом и сколько каждого вида.
Диаграмма отвечает не только «что», но и «сколько». Числа в карточках берутся из точки на диаграмме и меняются вместе с ней.
Какая доля каждой фазы?
Правило рычага. Через точку проводим горизонталь до двух границ области. Доля левой фазы равна длине противоположного, правого плеча, деленной на весь отрезок.
Сколько перлита в остывшей стали?
То же правило рычага, но для структуры при комнатной температуре: между ферритом (0,02 %) и перлитом (0,8 %). По доле перлита на шлифе металловед на глаз оценивает углерод в стали.
Как прочитать марку стали?
У конструкционных сталей число в марке это углерод в сотых долях процента. У инструментальных (буква У) в десятых: У8 это 0,8 %. Буквы после цифр означают добавки: Г марганец, Х хром, Н никель, С кремний.
Углерод никуда не девается: сколько его было в сплаве, столько и осталось, просто он разошелся по двум фазам. Пусть доля левой фазы Q, правой 1 − Q. Тогда весь углерод: Q · cлев + (1 − Q) · cпр = c. Отсюда и получается Q = (cпр − c) / (cпр − cлев).
Это ровно условие равновесия рычага. Точка сплава это опора, на концах грузы Q и 1 − Q. Чем ближе опора к одному концу, тем тяжелее груз на этом конце. Например, сталь 45 при 20 °C: рычаг от феррита (0,02 %) до перлита (0,8 %), опора на 0,45 %, и перлита выходит чуть больше половины.
Почему аустенит растворяет углерода в сто раз больше, чем феррит? В решетке ГЦК пустоты между атомами крупнее, и атому углерода есть где поместиться. Подробнее о решетках в теме «Кристаллическая решетка металла».
Температуру нагрева под закалку берут по линии GS: на 30–50 °C выше нее, а в цехе еще с запасом на прогрев. Сталь 45 закаливают с 820–850 °C. Режимы разобраны в теме «Закалка, отпуск и отжиг».
Раме самосвала нужна вязкость, поэтому берут малоуглеродистую сталь. Пальцу и валу нужна прочность, это сталь 40–45. Пружине и зубилу нужна твердость: 65Г и У8.
Чем больше углерода, тем хуже сталь сваривается: у шва вырастает твердая хрупкая зона. Сталь до 0,25 % C варят спокойно, сталь 45 уже с подогревом. Подробно в теме «Сварка и зона термического влияния».
Корпуса редукторов, ступицы и тормозные барабаны отливают из чугуна: состав около 4,3 % C плавится при самой низкой температуре, 1147 °C, и хорошо заполняет форму.
Шлиф сломанной детали показывают металловеду. По доле перлита и размеру зерна он скажет, та ли сталь и правильно ли ее обработали.
Кузнец греет сталь до аустенита, 1100–1200 °C: с решеткой ГЦК она мягкая и легко куется. Править деталь в синем или вишневом цвете на глаз опасно: можно попасть в хрупкий интервал.
Показана равновесная диаграмма Fe–Fe3C: так сплав ведет себя при очень медленном нагреве и охлаждении. При быстром охлаждении линии сдвигаются, а при закалке получается мартенсит, которого на этой диаграмме нет. Линии нарисованы отрезками между справочными точками, верхняя часть с δ-ферритом упрощена, линия ликвидуса цементита условная. Легирующие элементы (марганец, хром) тоже сдвигают линии, и 65Г ведет себя чуть иначе, чем чистая углеродистая сталь. Серый чугун СЧ20 на самом деле содержит углерод в виде пластинок графита, а не цементита: опыт показывает белый чугун того же состава. Твердость после отжига оценена по правилу смеси и дана для сравнения.