Вредные примеси в железоуглеродистых сплавах нарушающие связи между зернами металла

Обновлено: 03.05.2024

Ст – индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 - это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 % . по содер углерода:низкоугл до 0.25, среднеугл 0.3-0.6, высокоугл выше 0.7. по качеству: обыкновенного,качеств и высококач.По назначению: конструкционные, инструментальные, специальные.

Фосфор (0,01-0,05%) – вредная примесь, способствует росту зерна, придаёт хладноломкость, снижает пластичность и ударную вязкость.

Сера (0,01-0,04%) – не растворима в железе и образует сульфид железа – FeS. Придаёт хрупкость при высоких температурах (800 гр.) Сталь с повышенным содержанием серы не поддаётся горячей обработке давлением.

Марганец (0,3-0,8%) – для устранения красноломкости, раскисления, повышения прокаливаемости, предела прочности, твёрдости, не влияя на пластичность.

Кремний (0,2-0,5%) – влияние аналогично марганцу. Но затрудняет свариваемость вследствие большой окисляемости.

Газы – в сталях содержаться в небольших кол-вах в зависимости от способа пр-ва. Водород охрупчивает материал.

Спец примеси – вводят для получения заданных св-в, наз-ют легировочными.

Углеродистые инструментальные стали бывают двух видов: качественные и высококачественные.

Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют буквой "У" (углеродистая) ; следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Высококачественные стали дополнительно маркируются буквой "А" в конце (У10А) .

Инструментальные углеродистые стали: Обладают высокой твёрдостью (60-65 HRC) , прочностью и износостойкостью и применяются для изготовления различного инструмента.

Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А) , У10 (У10А) , У11 (У11А) , У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент и т.д.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13) , у которых после термической обработки структура мартенсит и карбиды.

Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвёртки, топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обработки трооститную структуру.

Углеродистые стали в исходном (отожжённом) состоянии имеют структуру зернистого перлита, низкую твердость (HB 170-180) и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760-780 0 С, т.е. несколько выше Ас1, но ниже Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворбные частицы вторичного цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий инструмент из сталей У10-У12 для уменьшения деформаций охлаждают в горячих средах (ступенчатая закалка) .

Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости (62-63 HRC) .

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента только для резанья материалов с малой скоростью, так как их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190-200 0 С.

Диаграмма состояния Фе-Фе3Ц

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит –

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539 o С С. Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой

3. Цементит (Fe₃C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

3. Аустенит (А) (С) – твердый раствор внедрения углерода в

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 o С (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147 o С (точка Е).

4. Мартенсит –упорядоченный пересыщенный ТВ р-р углерода в альфа железе.

5. Перлит –смесь феррита и цементита.

6. Феррит –ТВ р-р небольшого кол-ва углерода (до 0,04 %) и других примесей в альфа железе. Мячкий, пластичный и недостаточно прочный.

Вредные примеси в стали

Вредные примеси в стали не только ухудшают ее состав, но и могут привести к последующей деформации изготовленного из нее изделия. Однако нельзя все их рассматривать как нежелательные. Некоторые из них относят к полезным, а от других вообще невозможно избавиться, так как они постоянные. Да и нет необходимости их устранять, поскольку постоянные примеси могут влиять на качественные характеристики стали.

В этой статье мы поговорим о том, какими являются вредные примеси стали и как они влияют на ее состав и характеристики стальных изделий.

Полезные и специальные примеси в стали

В стали встречаются вредные и полезные примеси. Сначала остановимся на полезных, к которым относят марганец и кремний:

Марганец – это химический элемент, благодаря которому возрастает прокаливаемость стали и снижается влияние серы, оказывающей вредное воздействие на металл.
Кремний – примесь данного элемента помогает раскислить сталь и, как следствие, повысить ее прочность. Его специально добавляют в металл в ходе его выплавки.

Углеродистая сталь содержит примесь кремния не более 0,35–0,4 % и марганец в количестве 0,5–0,8 %. Переход марганца и кремния в сталь происходит во время раскисления в ходе выплавки. Эти химические элементы соединяются с кислородом закиси железа FеO, а затем, превращаясь в окислы, переходят в шлак, то есть, иначе говоря, раскисляют сталь.

Данный процесс оказывает благоприятное воздействие на свойства стали. За счет дегазации металла кремнием увеличивается ее плотность. Часть химического элемента остается в феррите (твердом растворе) уже после раскисления, что приводит к значительному возрастанию предела текучести. При этом способность к холодной высадке и вытяжке у стали снижается.

Рекомендовано к прочтению

По этой причине производители снижают количество кремния в сталях, изготавливаемых для холодной штамповки и высадки. Прочность металла значительно повышается благодаря примеси марганца. Последний сильно уменьшает красноломкость стали, оставляя пластичность практически неизменной. Таким образом, резко падает хрупкость стали при воздействии высокой температуры, которая возникала из-за присутствия серы.

Для получения сталей, имеющих определенные свойства, в металл добавляют специальные примеси. Они носят название легирующих элементов. Стали же именуют легированными.

Остановимся подробно на назначении некоторых элементов:

Алюминий – его примесь помогает повысить окалино- и жаростойкость стали.
Медь – увеличивает стойкость стали к коррозии.
Хром – повышает прочность, твердость сталей, увеличивает стойкость к коррозии, при этом пластичность падает незначительно. Нержавеющей сталь делает большое содержание хрома.
Никель – повышает пластичность, прочность, делает сталь стойкой к коррозии.
Вольфрам – при добавлении в сталь создает корбиды (химические соединения повышенной твердости). Они значительно повышают красностойкость и твердость. Под воздействием вольфрама сталь перестает расширяться в процессе нагревания, а хрупкость при отпуске уходит.
Ванадий – способствует возрастанию плотности, прочности и твердости стали. Он признается прекрасным раскислителем.
Кобальт – под его воздействием увеличивается жаропрочность, стойкость к ударным нагрузкам, возрастают магнитные свойства.
Молибден – улучшается сопротивляемость стали к окислению в ходе воздействия на нее высоких температур, возрастает упругость, красностойкость, увеличивается стойкость к коррозии, повышается предел прочности к растяжению.
Титан – являясь прекрасным раскислителем, он повышает стойкость к коррозии, увеличивает плотность и прочность металла, делает лучше его обрабатываемость.
Церий – способствует возрастанию пластичности и прочности стали.
Цирконий (Ц) – воздействует на зернистость стали, давая возможность изготовить металл с установленным размером зерна, делает его мельче.
Лантан, неодим и цезий – уменьшают пористость стали, сокращают количество серы, делают качество поверхности лучше, а зерно мельче.

Вредные примеси в стали, которые ухудшают ее свойства

Давайте разберемся, какие вредные примеси содержатся в стали. Основными являются фосфор и сера.

Сера (S) содержится в сталях высокого качества в количестве не более 0,02–0,03 %. Для металла общего назначения этот показатель повышается до 0,03–0,04 %. С помощью спецобработки количество серы уменьшается до 0,005 %.

Растворения серы в железе не происходит, а образуется FeS (сульфид железа). Он входит в эвтектику, образующуюся при температуре +988 °С.

При высоком содержании серы сталь становится красноломкой. Это происходит из-за появления на границах зерен сульфидных эвтектик, имеющих низкую способность к плавке. Красноломкость появляется при температуре красного каления стали – +800 °С.

Плохое влияние сера оказывает на свариваемость, пластичность, ударную вязкость, а также поверхность металла. Это особенно заметно, если марганец и углерод содержатся лишь в небольших количествах.

VT-metall предлагает услуги:

Лазерная резка металла Гибка металла Порошковая покраска металла Сварочные работы

Склонность к сегрегации на границах зерен у серы значительна. По этой причине в ходе нагрева пластичность стали падает. Если металл предназначен для дальнейшей обработки автоматическим механическим способом, то в состав обязательно добавляют серу в количестве от 0,08 % до 0,33 %, так как она способствует возрастанию у подшипниковых сталей усталостной прочности.

Марганец же снижает вредное воздействие серы на сталь. При жидком состоянии сплава он вступает в реакцию с образованием сульфида марганца, температура плавления которого составляет +1620 °С. Она значительно превышает температуру горячей обработки металла (от +800 °С до +1200 °С). При таком нагреве сульфиды марганца достаточно пластичны и просто деформируются.

Сегрегация фосфора (Р) в значительно меньшей, чем серы и углерода, степени происходит в ходе затвердевания сталей. Идет его растворение в феррите, из-за чего прочность металла увеличивается. Чем больший процент фосфора содержит сталь, тем выше ее хладноломкость и ниже ударная вязкость, пластичность.

Высокая температура среды позволяет достичь растворимости фосфора в пределах 1,2 %. Чем ниже становится температура, тем меньше растворимость фосфора. Она постепенно опускается до 0,02–0,03 %. Именно такое содержание данного химического элемента наблюдается в сталях. Это может говорить о том, что он, как правило, полностью растворяется в альфа-железе.

Отпускная хрупкость хромистых, хромоникелевых и хромомарганцевых, марганцевых и магниево-кремниевых легированных сталей во многом зависит от сегрегации фосфора по границам зерен. Элемент способствует замедлению распада мартенсита и повышает упрочняемость.

С целью улучшения механической (автоматической) обработки в низколегированные стали добавляют большое содержание фосфора.

При наличии углерода в количестве 0,1 % в конструкционной низколегированной стали фосфор должен увеличивать антикоррозийные свойства, а также прочность металла.

Наличие фосфора в хромоникелевых аустеничных сталях приводит к увеличению предела текучести. При попадании аустеничной нержавеющей стали в среду сильного окислителя присутствие в ее составе фосфора вызывает коррозию на границах зерен. Такое поведение предопределено сегрегацией фосфора на этих границах.

Вредные примеси в стали – это не только сера и фосфор, но и углерод.

Медленно остывая, сталь приобретает структуру, состоящую их двух фаз – цементита и феррита. Цементит связан в стали с углеродом. Его содержание прямо пропорционально количеству последнего. При этом цементит имеет твердость, значительно превышающую жесткость феррита. Цементит, вернее, входящие в его состав частицы (хрупкие, твердые), увеличивают сопротивляемость деформации, повышая противодействие движению дислокации. Помимо того, снижается вязкость и пластичность металла.

Как следствие, при возрастании процента углерода происходит увеличение твердости стали, пределов ее текучести и прочности, снижение относительных сужения и удлинения, а также ударной вязкости. То есть чем больше углерода, тем легче сталь переходит в хладноломкое состояние. Если содержание углерода в стали колеблется в диапазоне 1,0–1,1 %, то растет твердость металла в отожженном состоянии. При этом предел прочности снижается.

Такое явление, как снижение прочности, наблюдается по причине выделения аустенита вторичного цементита на границах бывшего зерна. Этот цементит делает сплошную сетку в сталях с вышеуказанным составом. В ходе растяжения сетка напрягается и цемент, хрупкий по своей природе, начинает разрушаться. Все это является причиной распада и последующего уменьшения предела прочности. Увеличивая количество углерода, можно добиться уменьшения плотности стали, увеличения электросопротивляемости, коэрцитивной силы, снижения остаточной индукции, теплопроводности и магнитной проницаемости.

Рассматривая вопрос о том, какие вредные примеси присутствуют в стали, нельзя забывать о влиянии азота (N). Под его воздействием в металле образуются нитриды, представляющие собой неметаллические хрупкие инородные тела, которые делают свойства стали значительно хуже.

Однако вредные примеси в стали являются в какой-то мере полезными, а иногда и неустранимыми. К положительным сторонам примеси азота стоит отнести его способность увеличить аустеничную область диаграммы состояния металла. Он делает аустеничную структуру стабильнее. Кроме того, он способен заменить собой никель (но только частично) в рассматриваемых сталях.

Для увеличения прочности низколегированной стали прибегают к добавлению титана, ванадия и ниобия (нитридообразующих элементов). В процессе горячей обработки и последующего охлаждения, взаимодействуя, они создают небольшие карбонитриды и нитриды, придающие стали прочность.

Даже небольшое количество олова (Sn) вредно для стали. В легированных сталях этот элемент способен вызвать отпускную хрупкость. Кроме того, олово сегрегируется на границах зерен стали, уменьшает ее горячую пластичность в аустенитно-ферритной области диаграммы состояния. Непрерывнолитые слитки под воздействием олова имеют низкое качество поверхности.

Обсуждая вредные примеси в стали и их влияние на материал, нельзя забывать, пожалуй, о самом опасном из них – водороде. В процессе сварки этот химический элемент во всех случаях является вредной примесью. Причина заключается в излишнем охрупчивании стали. При проведении сварочных работ водород может попасть в расплав из:

атмосферы дугового разряда;
может уже содержаться в металле.

Поглощенный из атмосферы водород, пребывающий в ионизированном и атомарном виде, в ходе кристаллизации значительно уменьшает собственную растворимость. В результате его последующего выделения из материала в нем образуются трещины и поры.

Водород, уже находящийся в металле, может быть в виде гидрида (связанном) или в диффузно-подвижном состоянии (в виде твердого раствора). Молекулярный водород содержится в микронесплошностях материала.

Снизить количество водорода в сварочной зоне можно следующими способами:

используют окислители атмосферы (применяют специальные руднокислые электроды или работают под защитой CO₂);
покрытия электродов и флюсы дополняют хлоридами и фторидами (ими могут быть соли и плавиковый шпат);
проводят просушку материалов, предназначенных для сварки (флюса, электродов, газов, проволоки и пр.).

Кислород.

Вредные примеси в стали включают в себя и кислород, который понижает пластичность металла. Для защиты материала при сварке используют процесс раскисления шва до определенной нормы. В ходе сварки титана, алюминия и прочих высокоактивных металлов мастера делают атмосферу внутри рабочей зоны без кислорода. Используя для этого гелий, аргон, галидные флюсы, они создают вакуум, поскольку для этих металлов достаточно сложно найти раскислители.

Сурьма (Sb) оказывает вредное влияние на поверхность стали (непрерывнолитых слитков). Причина заключается в ее сегрегации в процессе затвердевания металла. Когда сталь переходит в твердое состояние, сурьма сегрегирует на границах зерен, что приводит у легированных сталей к отпускной хрупкости.

Почему следует обращаться именно к нам

Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.

Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:

цветные металлы;
чугун;
нержавеющую сталь.

При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.

Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.

Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.

Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.

Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.

Контрольно-измерительные материалы по дисциплине "Материаловедение" для автомехаников

1.Какие из перечисленных ниже свойств металлов являются механическими?

а) жидкотекучесть б) теплопроводность в) твердость.

2.Из указанных свойств металлов выберите те, которые являются технологическими:

а) жидкотекучесть, усадка, прокаливаемость б) цвет, температура плавления, теплоемкость в) прочность, ударная вязкость, выносливость

3.Из указанных свойств металлов и сплавов выберите те, которые не являются эксплуатационными:

а) плотность б) износостойкость в)хладностойкость г) жаропрочность д)антифрикционность

4.Укажите, какие металлы относятся к цветным.

а) цинк, медь, олово, свинец; б) железо, марганец, хром;

в) марганец, золото, вольфрам; г) молибден, ванадий, железо.

5.Укажите, какие металлы относятся к черным.

а) цинк, медь, олово; б) свинец, железо, хром;

в) марганец, хром, железо; г) золото, ванадий, вольфрам.

6.Серебристо белый металл с низкой плотностью, высокой прочностью, коррозионной и химической стойкостью, электропроводностью. Благородный цветной металл.

а) чугун; б) серебро; в) ртуть.

7.Тугоплавкий цветной металл, обладающий высокой электропроводностью. В чистом виде имеет красный цвет на изломе. В природе встречается в чистом виде.

а) вольфрам; б) марганец; в) медь; г) золото.

8. Легирующий элемент- цветной металл, при добавлении которого в сталь до 18 %, делает ее устойчивой к химической коррозии (жаропрочной).

а) хром; б) никель; в) ниобий; г) титан.

9.Эксплуатационные качества масла зависят от…

а) его качества; б) содержания различных примесей; в) физико-химических свойств.

10. Что препятствует перемещению одной детали по поверхности другой?

а) трение; б) шероховатость; в) коррозия.

Инструкция по выполнению заданий№В1-В2: соотнесите написанное в столбцах

букв из столбца 1 и обозначающих правильные ответы на вопросы из столбца 2.

В1. Установите соответствие между свойствами и их определениями: каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца

А) Температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое.

Б) Способность металла проводить электрический ток

В) Способность тел передавать с той или иной скоростью тепло при нагревании и охлаждении

1. Температура плавления

В2 Установите соответствие между термином и его определением.

А) Термическая обработка, при которой сталь нагревается до определенной температуры, выдерживается при ней и затем медленно охлаждается в печи для получения равновесной, менее твердой структуры, свободной от остаточных напряжений.

Б) Химические элементы, специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств (резко улучшающие его свойства).

В) Железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2,14 % углерода

ЧАСТЬ- C

задание с развернутым решением.

C 1 Определить вид стали и ее состав: 18ХГТ

1. Усталость материалов — это…

а) свойство, противоположное выносливости материалов

б) явление разрушения при многократном действии нагрузки

в) способность металлов и сплавов без разрушения изменять свою форму при обработке давлением.

2.Способность тела поглощать тепловую энергию при нагревании – это?

а) температура плавления; б) теплопроводность; в) теплоемкость; г) плотность.

3.Способность тел проводить тепло при нагревании и охлаждении — это?

4.Назовите группу сплавов, основу которых составляет железо.

а) черные; б) цветные; в) антифрикционные.

5.Микроскопически однородная система, состоящая из двух и более компонентов, это?

а) компонент; б) элемент; в) сплав; г) металл.

6. Вредная примесь в железоуглеродистых сплавах. Нарушает связь между зернами металла. При наличие в стали приводит к охрупчиванию, в чугуне к хлодноломкости.

а) фосфор; б) углерод; в) мышьяк; г) сера.

7. Какой из перечисленных сплавов имеет название: латунь оловянная с содержанием меди 90%, олова 1%, цинка 8%.

а) ЛА 85-0,6 б) ЛО 90- 1 в) БрОТиН 6-5-4.

8. Какое из предложенных утверждений не верно.

а) сера и фосфор являются основными легирующими компонентами при производстве сплавов черных металлов;

б) бронзы обладают хорошими литейными и антифрикционными свойствами, высокой прочностью и твердостью, коррозионной стойкостью и хорошо обрабатываются резанием;

в) сплавы на основе алюминия и меди (АЛ7; АЛ12) обладают высокими литейными свойствами, применяют для отливки головок цилиндров маломощных двигателей воздушного охлаждения.

9. Масляная пленка образуется благодаря наличию в масле…

а) присадок; б) поверхностно-активных полимерных молекул; в) бензина.

10. Что может повысить вязкость масел?

а) температура; б) присадки; в) трение

Инструкция по выполнению заданий №В1-В2: соотнесите написанное в столбцах

А) Вид пластичной деформации, характеризуемый уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил

Б) Способность металла создавать собственное магнитное поле, либо самостоятельно, либо под действием внешнего магнитного поля

Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов

В состав обычных углеродистых сталей кроме железа и углерода входят в небольшом количестве примеси кремния, марганца, фосфора, серы, кислорода, азота. Их присутствие вызывается условиями получения стали. В обычных углеродистых сталях содержание кремния не превышает 0,35 % и марганца 0,9 %. В таких количествах они не оказывают существенного влияния на механические свойства сталей.

Фосфор относится к числу вредных примесей. Образуя с α-железом твердый раствор замещения, фосфор сильно искажает кристаллическую решетку феррита, в связи с чем повышаются его твердость и хрупкость. Наличие фосфора в количестве более 0,045 % делает сталь хрупкой при низких температурах. Фосфор является сильно ликвирующим эле-ментом, поэтому содержание его в сталях не должно превышать 0,07 %. Фосфор способствует росту зерен, что ухудшает механические свойства стали. В присутствии меди добавки фосфора могут улучшать обрабатываемость и повышать коррозионную стойкость сплава.

Сера, так же как и фосфор, - вредная примесь. Сера находится в стали в виде химического соединения FеS, образуя с железом легкоплавкую эвтектику с температурой затвердевания около 985 °С. Затвердевая в последнюю очередь, она располагается по границам зерен, разобщая их хрупкой и непрочной оболочкой. При нагреве стали до красного каления эти оболочки частично расплавляются, и прочная связь между зернами нарушается. Поэтому сталь с повышенным содержанием серы становится хрупкой при горячей механической обработке. Кроме того, сера понижает коррозионную стойкость и ухудшает свариваемость стали. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %.

Повышенным содержанием кислорода характеризуются плохо раскисленные стали. Кислород находится в стали преимущественно в виде хрупких оксидов: FеО, SiO₂, Al₂O₃. FеО растворяется в железе, но при охлаждении растворимость его снижаетсяи закись железа выделяется в виде хрупких шлаковых прослоек на поверхности зерен металла, способствуя повышению хрупкости и понижению ударной вязкости. В спокойной стали 0,002…0,001 % кислорода, в кипящей — 0,03…0,08 %.

Азот присутствует в стали в виде нитрида Fe₄N или в свободном виде, располагаясь в дефектах кристаллов, трещинах, повышая хрупкость. Повышенное содержание азота снижает пластичность стали.

Существенное влияние на свойства чугуна оказывает форма углеродной составляющей. При медленном охлаждении чугуна цементит распадается с образованием графита. Кремний способствует графитизации чугуна. Марганец в количестве 0,5…1,4 % препятствует графитизации. Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. Сера, являясь вредной примесью, ухудшает литейные свойства чугуна, увеличивает его усадку, повышает склонность к трещинообразованию, снижает температуру хрупкости. Чтобы устранить вредное влияние серы, в состав чугуна вводят марганец. Марганец образует с серой тугоплавкое соединение MnS – пластичный сульфид марганца, с температурой плавления 1620 °С.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали производится с целью придать ей ту или иную структуру для изменения соответствующим образом ее свойств, поскольку последние определяются структурой металла. При этом под термином “термическая обработка” понимают лишь такие приемы изменения внутреннего строения стали при которых как действующим фактором пользуются исключительно только теплом, не прибегая к другим воздействиям. Основой процессов термической обработки является полиморфизм железа и его твердых растворов определяющих структуру стали. Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждением с различной скоростью. Различают три основных вида термической обработки стали: закалку, отпуск и отжиг.

При медленном охлаждении стали происходит полный распад аустенита с образованием равновесной структуры, представленной ферритом и цементитом. В процессе закалки получают сталь неравновесной структуры повышенной твердости. Под закалкой понимают термическую обработку, состо-ящую в нагреве стали до температуры выше критической точки Ас₁ (линия РSK, рис.7) или Ас₃ (линия GS на диаграмме состояния железо – цементит), выдержке и последующем быстром охлаждении. Различают два вида превращений в стали при закалке: закалка на мартенсит и закалка на ферритно-цементитную смесь. При скорости охлаждения стали ≥ V_кр происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит (рис.9). При этом имеет место перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную объемно-центрированную решетку мартенсита. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железе. Таким образом, главным фактором закаливаемости является содержание углерода.

В практике термической обработки при регулировании скорости охлаждения аустенита с целью получения требуемой структуры стали пользуются С-образными кривыми, получаемыми для каждой марки стали опытным путем (рис. 10). По оси ординат показана температура переохлаждения аустенита, а по оси абсцисс – логарифм времени. Линия А₁ - нижняя критическая точка, соответствующая 727 °С. Первая С-образная кривая лежащая ближе к оси ординат показывает начало, а вторая С-образная кривая соответственно окончание превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь.

Мартенсит отличается высокой твердостью (600…650 НВ) и хрупкостью. Критическая скорость охлаждения при закалке это минимальная скорость охлаждения для получения мартенситной структуры. Регулируя скорость охлаждения ниже критической V_кр,можно получать структуры пониженной твердости в виде смесей связанных между собой частиц феррита и цементита: перлит, сорбит или троостит. Эти структуры отличаются друг от друга количеством и степенью дисперсности зерен цементита, а также степенью дисперсности зерен. Свойства неравновесных структур стали приведены в табл.8.1.

Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов.

Углерод (C) является основным элементом, придающим стали повышенную прочность и определенный уровень пластичности. Этот элемент повышает также упругость, износостойкость и выносливость при переменных нагрузках. Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в сером чугуне. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность. При содержании более 0.8% углерода твердость возрастает, а прочность уменьшается, так как сплав становится более хрупким.

Марганец (Mn) - при содержании в стали (0,5 - 0,8%) и кремний (Si) - при содержании в стали (0,35 -0,50%) - раскисляют сталь при ее выплавке. Они придают ей плотность и однородность, упрочняют, делают более упругой и повышают сопротивление истиранию. Марганец парализует вредное действие серы, образуя с ней соединение, заметно повышает прочность горячекатанной стали и повышает порог хладноломкости стали. Кремний сильно повышает предел текучести, что снижает способность стали к вытяжке и особенно к холодной высадке. При повышении содержания кремния уменьшается порог хладноломкости.

Кремний и марганец попадают в железоуглеродистый сплав при его выплавке в процессе раскисления. Кремний и марганец удаляют из сплава закись железа.

Кремний, растворяясь в феррите, повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости. Марганец образует твердый раствор с железом и немного повышает твердость и прочность. В присутствии серы он частично связывается с серой в сернистый марганец и переходит в шлак. Это способствует удалению серы из сплава, т.е. кремний и марганец являются полезными примесями. В железоуглеродистых сплавах обычно не более 0,35-0,4% Siи 0,5-0,8 Mn.

Сера (S) и фосфор (P) - вредные примеси. Они могут скапливаться в отдельных частях слитка или заготовки (чаще в центральной) и усиливать этим вредное действие.

Сера, являясь вредной примесью, образует сернистое железо FeS, которое нерастворимо в железе, и легкоплавкую эвтектику. При кристаллизации сплава легкоплавкая эвтектика располагается по границам зерен и при повторном нагреве расплавляется, в результате чего нарушается связь между зернами, что приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит название красноломкости. Повышенное содержание серы в стали вызывает красноломкость (хрупкость при высоких температурах), поэтому допускается содержание серы в сталях до 0,035%-0,06% S.

Фосфор растворяется в железе, искажает кристаллическую решетку и ухудшает пластические свойства сплава. Фосфор является вредной примесью, так как повышенное содержание фосфора вызывает хладноломкость (хрупкость при обычных и пониженных температурах), и его содержание в сталях не должно превышать 0,025-0,08%.

Хром (Cr) - в углеродистую сталь попадает из шихты при выплавки стали в печах. При патентировании проволоки (вид термообработки проволоки) хром оказывает вредное действие, задерживающее термообрабтку. Поэтому его содержание ограничивают до 0,1 • 0,15%; В легированную сталь хром вводят для повышения ее прочности и прокаливаемости. В сочетании с никелем хром используется для производства нержавеющих и жаропрочных сплавов.

Никель (Ni) - при небольших содержаниях его - не оказывает вредного действия, но несколько задерживает процесс патентирования. В легированную сталь никель вводится для повышения вязкости, коррозионной стойкости и придания некоторых других качеств стали.

Азот (N), кислород (O) и водород (H) - присутствуют в стали в виде хрупких неметаллических включений. Они ухудшают механические свойства, снижают сроки службы изделий. Эти элементы присутствуют в сплавах или в виде хрупких неметаллических включений, например окислов FeO, SiO₂, AI₂O₃, нитридов Fe₄N, или в свободном состоянии. При этом они располагаются в дефектных местах в виде молекулярного и атомарного газов. Мелкие неметаллические включения образуются при раскислении стали, а крупные попадают в жидкую сталь из шлака, футеровки печи, материала желоба и ковша. Наибольший вред приносят крупные включения. Неметаллические соединения являются концентраторами напряжений и могут понизить механические свойства (прочность, пластичность)стали.

Водород поглощается сталью в атомарном состоянии. При охлаждении сплава растворимость водорода уменьшается, и его атомы накапливаются в микропорах. В результате этого в микропорах развивается большое давление. Таким образом, водород может явиться причиной образования внутренних надрывов в металле (флокенов).

Существует много прогрессивных методов выплавки железоуглеродистых сплавов, обеспечивающих уменьшение содержания кислорода, азота и водорода, что улучшает механические свойства сплавов.

18) Тема: Макроструктурный анализ металлов и сплавов

Макроанализ - исследование структуры металлов и сплавов невооруженым глазом или при увеличении до 30 раз через лупу. При макроанализе применяют два метода: метод изломов и метод макрошлифов. Метод изломов – позволяет установить характер предшествующей обработки металлов давлением, величину зерен, вид чугуна, дефекты внутреннего строения (поры, трещины и др.). Для изучения излома образцы ломают и место излома изучают визуально или пользуются лупой. Метод макрошлифов – дает возможность исследовать структуру, образующуюся в процессе кристаллизации или последующей обработки давлением. Этим способом можно выявить волокнистость, ликвацию серы и фосфора, различного вида дефекты: усадочную раковину, газовые пузыри, поры, трещины и др. Макрошлиф приготовляют шлифованием образца. Подготовленную поверхность травят соответствующим реактивом для выявления структуры. Волокнистость, возникающую при обработке металлов давлением, выявляют глубоким травлением одной отшлифованной стороны образца в сильных кислотах, нагретых до 70…1000С. При этом примеси, скопившиеся на границах зерен, растворяются быстрее основного металла, в результате чего образуется рельефная поверхность в виде тонких волокон. Волокнистость, повторяющаяся конфигурацию сечения детали, свидетельствует о правильной технологии горячей обработки давлением . При несоответствии расположения волокон контуру детали в местах перехода от одной конфигурации к другой создаются напряжения, сокращающие эксплуатационный срок ее службы.

21)превращения в сталях.виды закалочных структур.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием аллотропических превращений в твердом состоянии. Охлаждая сталь с различными скоростями и вызывая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам.

Сорбит (первая закалочная структура), получающийся при низких скоростях охлаждения, представляет собой смесь феррита и цементита; он отличается от перлита более тонкодисперсным строением, твердость сорбита HRC 20. Стали с сорбитной структурой используются для изготовления нагруженных изделий.

Троостит (вторая закалочная структура) получается при средних скоростях охлаждения в результате распада переохлажденного аустенита при 500…550 °C, обладает значительной упругостью; представляет собой тонкодисперсную смесь феррита и цементита. Твердость троостита составляет HRC 30…40. Сталь со структурой троостита отличается высокими значениями прочности и упругости. Ее обычно используют для изготовления пружин и рессор.

Превращение аустенита в мартенсит происходит при очень быстром охлаждении. При этом фиксируется типичная для мартенсита игольчатая структура. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит – твердая и хрупкая структура; твердость его составляет HRC 62…66.

22) Поверхностная закалка состоит в нагреве поверхностного слоя стали выше А_с3 с последующим охлаждением для получения высокой твердости и прочности в поверхностном слое детали в сочетании с вязкой сердцевиной.

Для поверхностной закалки применяют обычно углеродистые стали, содержащие около 0.4 % С. Глубокая прокаливаемость при этом методе не используется, поэтому легированные стали обычно не применяют.

После закалки проводят низкий отпуск 200°С или самоотпуск.

После закалки и отпуска твердость стали на поверхности – 45-55 HRC, в сердцевине – 25-30HRC.

Нагрев под закалку проводят:

– в расплавленных металлах или солях,

– пламенем газовых или кислород-ацетиленовых горелок,

– токами высокой частоты (ТВЧ).

. Основное назначениеповерхностной закалки — повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемогоизделия. Сердцевина изделия остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. Чаще применяютповерхностную закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты, предложенную В. П. Вологдинымв 1935 г. Этот способ нагрева отличается высокой производительностью, легко управляем и обеспечиваетхорошее качество закаленного слоя. Закаливаемая деталь помещается в индуктор (катушку), по которомупропускается ток высокой частоты, создающий переменное магнитное поле. В поверхностном слоеобрабатываемого изделия возникают вихревые токи и выделяется джоулево тепло. Ток проходит, восновном, в поверхностном слое проводника, и ~ 90 % тепла выделяется в этом слое толщиной γ = 5000√ρ/μfсм, которая зависит от электросопротивления ρ, Ом • см, нагреваемого металла, магнитной проницаемостиμ, Гс/Э, и частоты тока f, Гц. В последние годы все чаще начинают применять для нагрева изделий дляповерхностной закалки концентрированные излучения с высокой плотностью энергии (плазменные,лазерные, электронные лучи и др.). При их использовании поверхностная закалка может идти с оплавлениемповерхности, что обеспечивает формирование неравновесной структуры поверхностного слоя в результатеперехода из жидкого состояния в твердое. Реже, главным образом для крупных изделий, применяютповерхностную закалка с нагревом газовым пламенем. Требуемая глубина закаленного слоя, определяемаяразмерами и условиями работы детали, 0,5-3,0 мм. При поверхностной закалке твердость поверхностногослоя, как правило, выше достигаемой у той же стали при обычных способах закалки в связи с особенностямиструктуры аустенита, образующейся при быстром нагреве, и значительными напряжениями в поверхностно й зоне;

23)Старение стали — изменение свойств материала (стали), протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Такие процессы происходят главным образом в низкоуглеродистых сталях (менее 0,25 % С). При старении за счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения избыточных фаз и феррита (карбидов, нитридов) повышаются прочность, порог хладноломкости и снижается сопротивление хрупкому разрушению. Склонность стали к старению снижается при легировании её алюминием, титаном или ванадием.

Механическое или деформационное старение — это процесс, протекающий после пластической деформации, если она происходит ниже температуры пе рекристаллизации. Такое старение развивается в течение 15-16 суток при комнатной температуре и в течение нескольких минут при 200—350 °C. При нагреве деформированной стали возможно образование частиц карбидов и метастабильной нитридной фазы Fe₁₆N₂ или стабильного нитрида Fe₄N. Развитие деформационного старения резко ухудшает штампуемость листовой стали, поэтому многие углеродистые стали подвергают обязательно испытаниям на склонность их к деформационному старению.

2.Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали применяют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до отрицательных температур, до температуры ниже т. М_к (–80 o С). Обычно для этого используют сухой лед.

Обработку холодом необходимо проводить сразу после закалки, чтобы не допустить стабилизации аустенита. Увеличение твердости после обработки холодом обычно составляет 1…4 HRC.

После обработки холодом сталь подвергают низкому отпуску, так как обработка холодом не снижает внутренних напряжений.

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты.

24) Дефекты термической обработки стали

Нарушение в проведении термической обработки металлических изделий приводят к возникновению разнообразных дефектов. К основным дефектам закалки относятся: недогрев, перегрев, пережог, обезуглероживание, коробление, трещины и др.

Если нагрев стали был ниже критической точки, то говорят о закалке с недогревом. Этот дефект исправимый, для чего сталь подвергают отжигу, а затем проводят закалку в соответствии с технологическими рекомендациями.

Пережог стали может иметь место при значительном перегреве стали перед закалкой. При этом сталь становится очень хрупкой. Этот дефект неисправимый (брак).

Обезуглероживание и окисление поверхности происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без контролируемых атмосфер. Чтобы избежать этих дефектов, надо нагрев вести в специальных печах с защитной (контролируемой) атмосферой, нейтральной по отношению к сталям.

Закалка стали сопровождается увеличением ее объема, что приводит к значительным внутренним напряжениям, которые являются причиной образования трещин и коробления. Трещины являются неисправимым дефектом, а коробления можно устранить последующей рихтовкой или правкой.

Читайте также: