Черные металлы — это такие металлы или сплавы, в которых основным компонентом является железо. Вся современная индустрия базируется в основном на применении черных металлов. Это обусловлено значительными сырьевыми ресурсами железных руд, сравнительной простотой технологии выплавки черных металлов и их высокими механическими свойствами. Важнейшие из механических свойств черных металлов — их прочность и пластичность.
В основу технической классификации черных металлов положен их химический состав. В зависимости от наличия в них легирующих компонентов они делятся на железо и его сплавы. На основании содержания углерода все железные сплавы делят на чугун и сталь-
Сталями называют железные сплавы с содержанием углерода от 0,2 до 1,7%, а чугунами—с содержанием углерода более 1,7%. Стали в свою очередь делятся на две группы: нелегированные, или углеродистые, и легированные.
Углеродистыми называются такие стали, в которых важнейшим компонентом является углерод, а другие примеси заметного влияния на их свойства не оказывают.
Легированными называются такие стали, которые содержат, помимо углерода, другие специально введенные компоненты, например W, V, Сг, Ni, Mo и др.
Чугуны по этому признаку делятся также на нелегированные и легированные.
В зависимости от содержания углерода нелегированные стали делятся на три подгруппы: малоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (от 0,25 до 0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).
В зависимости от способа металлургического производства различают: а) бессемеровскую сталь, б) мартеновскую сталь и в) электросталь. В зависимости от назначения сталь делится на следующие группы: а) конструкционная сталь, предназначенная для изготовления разных конструкций, машин и приборов; б) инструментальная сталь — для изготовления режущего и измерительного инструмента и штампов; в) специальная сталь (сталь с особыми физическими свойствами), например нержавеющая, жароупорная, кислотоупорная сталь и т. д.
Марки сталей условно обозначаются цифрами и буквами. Цифры перед буквами обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Буквы указывают содержание легирующего элемента: X — хром, М — молибден, В — вольфрам, Н — никель, Ф — ванадий. Если содержание легирующего элемента превышает 1%, то перед соответствующей буквой ставят цифру, указывающую процентное содержание легирующего элемента. Например, марка 20ХН2В обозначает высококачественную сталь, содержащую 0,15— 0,25% углерода, хром, никель (менее 1%) и 2% вольфрама.
Обычная углеродистая сталь, помимо углерода, марганца, кремния, серы и фосфора, количество которых регламентировано ГОСТ, содержит в небольших количествах другие элементы, а также различные загрязнения (газы, шлаковые включения), которые снижают ее механические свойства. Железо известно в нескольких аллотропических видоизменениях. При нормальных условиях оно находится в так называемом магнитном состоянии (железо) и имеет кристаллическую решетку в форме объемно центрированного куба. Атомы железа в такой решетке занимают 68% ее пространства. При температуре 768° С железо теряет магнитные свойства и переходит в немагнитное (железо) без изменения кристаллического строения, а при температуре 910° образуется новая его форма — железо, — которая аналогично железу немагнитна, но имеет кристаллическую решетку гранецентрированного куба. Атомы в этой решетке занимают 74% объема ячейки куба. Наконец, при температуре 1390° происходит дальнейшее превращение железа в 8-железо. Кристаллическая решетка железа — объемно центрированный куб, и по физическим свойствам оно аналогично железу с той лишь разницей, которую вносит температурный интервал, отделяющий эти превращения.
Наибольший практический интерес представляет собой превращение а-железа в f-форму, сопровождающееся изменением кристаллической решетки и физических свойств железа.
При переходе железа в железо растворимость в нем углерода сильно возрастает. Так, максимальная при 720°С растворимость углерода в а-железе составляет не более 0,04%, а в - железе—0,83%.
Превращение, сопровождающееся изменением кристаллической структуры железа, его физических свойств и растворимости в нем углерода и других элементов, имеет огромное практическое значение, так как на этом явлении основана термическая (тепловая) обработка стали и чугуна.
Введение в железо углерода и других элементов резко изменяет его физико-механические свойства. Особенно сильно сказывается влияние углерода на прочности и пластичности железоуглеродистых сплавов. Чем больше углерода, тем сплав тверже и прочнее, но вместе с тем пластичность его уменьшается.
В зависимости от содержания углерода, температуры нагрева и скорости охлаждения железоуглеродистых сплавов структура и физико-механические свойства их очень сильно изменяются.
Способность этих сплавов образовывать различные структуры, а следовательно, и изменять физико-механические свойства основана на том, что твердый раствор углерода в железе, называемый аустенитом, весьма неустойчив и способен существовать преимущественно при высоких температурах. При охлаждении аустенит распадается и в зависимости от скорости охлаждения превращается в иные структуры.
При медленном охлаждении в результате распада аустенита образуются две фазы: феррит и цементит. Из этих фаз возникают структурные составляющие: перлит и ледебурит, а при особых условиях, например при высоком содержании кремния, — свободный графит (углерод отжига).
Краткая характеристика вышеперечисленных фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов следующая.
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода в железе; он имеет кристаллическую решетку железа способно растворять при t = 1145°С до 1,7% углерода. Кроме того, в нем могут растворяться марганец, никель и другие элементы. В отличие от других фаз аустенит не магнитен.
В железоуглеродистых сплавах при обычном, медленном охлаждении аустенит распадается при 720°С с образованием смеси феррита и цементита.
Феррит — магнитная модификация железа (а-железо), практически лишенная углерода, но содержащая в растворенном состоянии небольшое количество кремния, серы и фосфора. Феррит — самая мягкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов, обладает сильно магнитными свойствами.
Цементит представляет собой химическое соединение углерода с железом (карбид железа Fe3C), содержащее в своем составе 6,67 %С. Цементит — самая твердая и в то же время самая хрупкая структурная составляющая железоуглеродистых сплавов. При обычных температурах он магнитен. Под микроскопом цементит обнаруживается в виде округлых скоплений, залегающих на стыке ферритовых зерен, или в виде сетки.
Перлит — смесь цементита и феррита, соответствующая полному распаду твердого раствора аустенита. Концентрация углерода в перлите составляет 0,83%.
Графит — свободный углерод в составе железоуглеродистых сплавов, образующийся при медленном охлаждении или при специальной термической их обработке.
Ледебурит — смесь аустенита и цементита, соответствующая содержанию углерода в нем 4,3%. Ледебурит обладает высокой твердостью и хрупкостью и является структурой, типичной для белых чугунов.