Какая сталь называется эвтектоидной
Обновлено: 28.04.2024
Сталями называется сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 % до 2,14 % углерода. При содержании углерода до 0,006 % сплавы однофазные и имеют структуру феррита, например, электролитическое железо.
Сплавы, содержащие от 0,006 % до 0,02 % углерода называются техническим железом (рисунок 4.7).
Увеличение содержания углерода вследствие его незначительной растворимости в феррите вызывает появление второй фазы - цементита третичного. При содержании углерода до 0,025 % структурно свободный цементит выделяется, главным образом, по границам зерен феррита. Это существенно понижает пластичность и вязкость стали, особенно, если цементит распола-
гается цепочками или образует сетку вокруг зерен феррита.
При увеличении содержания углерода выше 0,025 % в структуре стали образуется перлит; одновременно еще до 0,10 - 0,15 % С в стали появляются включения структурно свободного (третичного) цементита. С дальнейшим повышением содержания углерода третичный цементит входит в состав перлита.
За превращениями, протекающими в сталях в процессе их нагрева и охлаждения, можно проследить, пользуясь левой частью диаграммы состояния (рисунок 4.6).
По микроструктуре стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные (рисунки 4.8, 4.9, 4.10). Стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8 % называют доэвтектоидными; с содержанием 0,8 % углерода – эвтектоидными; с содержанием от 0,8 % до 2,14 % – заэвтектоидными.
Как следует из диаграммы Fe-Fe3C, при комнатной температуре в равновесном состоянии микроструктура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита (рисунок 4.8). Количественное соотношение между структурными составляющими (Ф и П) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита.
Микроструктура эвтектоидной стали (0,8 % С) состоит только из перлита (рисунок 4.9). Образуется из аустенита при охлаждении стали У8 (линия PSK). Строение перлита вследствие его значительной дисперсности (мелкозернистости) может быть детально различимо только при сравнительно больших увеличениях (×600).
Микроструктура заэвтектоидной стали (рисунок 4.10) состоит из перлита и вторичного цементита. Образуется у стали У9-У13 из аустенита при охлаждении. Сетка цементита начинает образовываться на линии ES, перлит – на линии PSK. Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14 %.
также светлую окраску, необходимо шлиф, протравленный 4 %-ным раство-
ром азотной кислоты, заново перешлифовать, переполировать и заново про-
травить раствором пикрата натрия, который окрашивает цементит в темный
По микроструктуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода, для чего нужно ориентировочно определить площадь (в процентах), занимаемую перлитом, в связи с тем, что в феррите растворено очень небольшое количество углерода, практически можно считать, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите.
где С – концентрация углерода в сплаве, в процентах;
П S - видимая часть площади микроструктуры, занимаемая перлитом
По количественному соотношению перлита и феррита, согласно ГОСТ 8233-56 Сталь. Эталоны микроструктуры, ферритно-перлитные структуры классифицируются по десятибальной шкале (таблица 4.1). Оценка производится визуально при 100-кратном увеличении по средней площади, занимаемой перлитом на микрошлифе.
Зависимость механических свойств углеродистых сталей от
Содержания углерода
Изменение содержания углерода вызывает изменения в структуре стали, что, в свою очередь, оказывает определяющее влияние на свойства стали.
В соответствии с диаграммой состояния структура стали в равновесном состоянии представляет собой смесь феррита и цементита, причем количество цементита увеличивается пропорционально содержанию углерода. Феррит малопрочен и пластичен, цементит твёрд и хрупок. Поэтому увеличение цементита приводит к повышению твердости, прочности и снижению пластичности.
оказывает вторичный цементит, образующий хрупкий каркас вокруг зерен
перлита. Под нагрузкой этот каркас преждевременно разрушается, вызывая
снижение прочности, пластичности. Из-за этого заэвтектоидные стали при-
меняют после специального отжига со структурой зернистого перлита, отли-
чающегося от пластинчатого перлита меньшей твердостью и большей пла-
Углерод изменяет технологические свойства стали: обрабатываемость резанием, давлением, свариваемость. Увеличение содержания углерода ведет к снижению обрабатываемости резанием. Лучшей обрабатываемостью резанием обладают стали с содержанием 0,3 - 0,4 % С.
С увеличением содержания углерода снижается технологическая пластичность – способность деформироваться в горячем и, особенно, в холодном состоянии. Для сложной холодной штамповки содержание углерода ограничивается 0,1 %.
Углерод затрудняет свариваемость сталей. Хорошей свариваемостью обладают низкоуглеродистые стали. Для иллюстрации на рисунке 4.11 приведен график зависимости механических свойств стали от содержания углерода.
Классификация и маркировка углеродистых сталей
Углеродистые стали подразделяют на низкоуглеродистые до 0,25 % C, среднеуглеродистые (0,3 - 0,6 % C), высокоуглеродистые (более 0,6 % С). По применению углеродистые стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали классифицируют на стали обык-
новенного качества и качественные.
Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6, обозначающая но-
мер марки стали (с увеличением номера возрастает содержание углерода),
например: Ст1, Ст2, …, Ст6. Чем больше номер, тем выше прочность и твер-
дость, но ниже пластичность (таблица 4.2). Наиболее пластичные и наименее
твердые - Ст0, Ст1, Ст2 - идут на изготовление кровельных листов, крепеж-
ных изделий; наиболее твердая и прочная сталь этой группы - Ст6 применя-
ется, например, в производстве рельсов, рессор. Стали обыкновенного каче-
ства выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, швеллеры и
Углеродистые качественные стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества содержанием вредных примесей и неме-
Качественную сталь маркируют двузначным числом, обозначающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистую сталь марок 08, 10, 15, 20, 25 применяют для изготовления метизов и деталей, от которых не требуется высокой прочности. Среднеуглеродистые стали 30, 35, …, 55 отличаются большей прочностью, меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. Высокоуглеродистые стали марок 60, 65, …, 85 имеют большую твердость и прочность и применяются для изготовления ответст-
венных деталей машин.
Качественные инструментальные стали маркируют буквой У и цифрой, указывающей на содержание углерода в десятых долях процента: У7, У8 и т.д. Высококачественные инструментальные стали маркируют так же, как и
качественные, но в конце марки ставят букву А: У7А, У8А - У12А.
Порядок выполнения работы
4.8.1 Изучите по диаграмме состояния Fe – Fe3C превращения, проис-
ходящие в железоуглеродистых сплавах при охлаждении.
4.8.2 Ознакомьтесь со структурными составляющими железоуглероди-
стых сплавов. Найдите на диаграмме состояния области существования этих
4.8.3 Получите у лаборанта микрошлифы образцов различных сталей. С помощью металлографического микроскопа изучите структурные
составляющие железоуглеродистых сплавов. Определите вид сплава: сталь
(доэвтектоидная, эвтектоидная, заэвтектоидная).
4.8.4 Зарисуйте все просмотренные структуры с указанием фазовых и
структурных составляющих. Микроструктуры зарисовать в квадратах разме-
ром 50 × 50 мм. Основное при зарисовке микроструктуры – уловить харак-
терные особенности микроструктуры и передать их на рисунке. Нет надобно-
сти передавать на рисунке фотографически точное изображение. Фазы и
структурные составляющие указывать стрелками, на полях писать их наиме-
Содержание отчета
4.9.1 Цель работы.
4.9.2 Краткое описание структурных составляющих железоуглероди-
4.9.3 Рисунок диаграммы состояния Fe – Fe3C.
4.9.4 Схемы и описание микроструктуры сталей и чугунов.
4.9.5 Выводы по работе. В выводах указывается влияние содержания
углерода на структуру и механические свойства; влияние формы графитовых
включений и структуры металлической основы на свойства чугунов.
4.10 Контрольные вопросы
4.10.1 Какие железоуглеродистые сплавы относятся к техническому
железу, сталям и чугунам?
4.10.2 Каковы фазовые и структурные составляющие системы Fe-C?
Характеристика структурных составляющих.
4.10.3 Какая из структур железоуглеродистых сплавов является меха-
нической смесью феррита и цементита?
4.10.4 Что такое ледебурит?
4.10.5 Как классифицируют по структуре стали и чугуны?
Приложение А
Приобретение навыков работы с диаграммой состояния железо-углерод
Сплав содержит 0,7 % углерода. Заданная температура 600 °С.
| Номера темпе- ратурных интервалов | Температурные границы интер- валов, °С | Концентрация углерода в фазовых состояниях, % | Струк- тур- ный состав | Вариантность системы |
| верхние границы | нижние границы | наименование фазы | на верх- ней гра- нице тем- пера- турного интервала | на ниж- ней гра- нице тем- пера- турного интервала |
| Ж А | 0,7 0,2 | 2,25 0,7 | Ж+А | |
| А | 0,7 | 0,7 | А | |
| А Ф | 0,7 0,016 | 0,8 0,02 | А+Ф | |
| Ф А Fe3С | 0,8 0,02 6,67 | 0,8 0,02 6,67 | А+Ф+ П | |
| Ф Fe3С | 0,02 6,67 | 0,01 6,67 | Ф+П | |
| Ж - жидкость, А - аустенит, Ф - феррит, П - перлит, Fe3С - цементит |
Лабораторная работа № 5
Упражнения по диаграмме железо-углерод *)
Цель работы
Приобретение навыков работы с диаграммами состояния на примере
Общие сведения
Диаграммы состояния представляют собой графическое изображение состояния сплавов. Свойства сплавов определяются, прежде всего, составом фаз и их количественным соотношением. Сведения о составе и соотношении фазовых составляющих можно получить, анализируя диаграмму состояния. Зная диаграмму состояния, можно представить полную картину кри-
сталлизации любого сплава, формирования его структуры. Диаграмма со-
стояния позволяет оценить свойства сплавов, найти оптимальные параметры
таких технологических процессов как литье, термическая и химико-
термическая обработка, сделать заключение о возможности обработки давле-
5.3.1 Получите у преподавателя задание на выполнение работы (на пер-
вом этапе - концентрацию углерода в сплаве, на втором – температуру спла-
Все о заэвтектоидной стали
Заэвтектоидная сталь – особый вид металла, в составе которого присутствует от 0,8 до 2% углерода. Материал востребован в промышленной сфере, отличается высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной прочностью.
Общее описание
Заэвтектоидные стали представляют собой нестандартный материал, который изготавливают с применением углерода в количестве от 0,8 до 2%. Структура стандартного металла при комнатной температуре состоит из:
Последний отличается светлым оттенком структуры, основу которой представляют зерна или сетка, расположенная вдоль границ зерен другого компонента. В редких случаях микроструктура цементита представляет собой иглы.
Общее число зерен цементита в составе заэвтектоидной стали достигает 3,4% или 20,4% и определяется процентным соотношением углерода. Однако даже небольшой процент компонента приводит к повышению прочностных свойств материала и снижению пластичности стали.
Площадь, которую занимает цементит в составе металла, невелика, и просто так, на глаз, определить наличие компонента трудно. Поэтому опытным путем сначала определяют содержание углеродных компонентов, а затем подсчитывают приблизительное количество цементита, если в этом есть необходимость, используя процентное соотношение.
Свойства
Заэвтектоидная сталь отличается повышенной твердостью, которая влияет на обрабатываемость материала, а также на:
поведение стали при закалке;
свойства, которые формируются после закалки.
При этом микроструктура стали способна меняться в зависимости от того, какой способ горячей механической обработки или режим отжига был выбран.
Наконец, на свойства материала оказывает влияние процентное содержание его составляющих. Например, сталь, структура которой включает тонкопластинчатый или точечный перлит, способна перегреваться при полной закалке. Объясняется это наличием мелких пластинок в структуре, которые переходят в раствор аустенита даже при небольших температурах нагрева.
Для обработки стали такого типа проводят закалку с применением небольших температур. Нормализация материала способствует повышению прочности. Если обработка производится при слишком высоких температурах, возникает вероятность повышения хрупкости материала за счет роста зерна.
Другими свойствами обладает заэвтектоидная сталь, структура которой содержит крупнозернистый перлит. Материал характеризуется плохой закаливаемостью. Объяснить это просто, если еще раз посмотреть на структуру. Крупные зерна или пластины, в роли которых также может выступать перлит, замедленно переходят в раствор аустенита в процессе нагрева за счет небольшого отношения поверхности к объему.
Поэтому большая часть карбидов не подвергается растворению в растворе, который не образуется. Отдельные участки структуры стали, в свою очередь, получают недостаточное насыщение углеродом. Мастера рекомендуют нагревать сталь при закалке до более высоких температур по сравнению с предыдущим вариантом. В результате такой обработки устраняют нежелательные изменения структуры.
Маркировка
Заэвтектоидная сталь представляет инструментальный материал, востребованный в промышленной сфере. У металла есть свои характеристики и маркировка, которую регламентирует ГОСТ 1435-74. Стандартные марки:
У14 и так далее.
Число в маркировке означает процентное содержание углерода, У – наименование основного элемента структуры.
Обработка
Одним из основных видов обработки заэвтектоидных сталей является отжиг с нагревом в межкритический интервал температур. Главная цель такого метода обработки – достижение необходимой структуры, где цементит приобретает глобулярную форму.
Если рассматривать отдельно обработку перлита, то этот компонент отличается небольшой твердостью и высоким показателем пластичности по сравнению с цементитом. Поэтому при правильном обжиге компонент способен улучшить обрабатываемость материала и обеспечить отличную штампуемость.
Стандартная обработка заэвтектоидной стали представляет неполный отжиг, который называется сфероидизирующем или отжигом на зернистый перлит. Обработка повышает эксплуатационные характеристики металла, продлевает срок его службы и устойчивость к внешним воздействиям.
Сферы применения
Стали заэвтектоидного типа используют в разных сферах.
Машиностроение. Материал востребован в производстве различных деталей для оснащения механизмов транспортных средств. А также стали идут на создание элементов корпусных конструкций благодаря высокой прочности и долговечности. Перед использованием металла проходят тщательную термическую обработку.
Строительство. В основном заэвтектоидный материал применяют в производстве сварных металлоконструкций для создания прочных изделий. При этом термической обработке материал подвергают в редких случаях, когда требуется формирование конструкций повышенной прочности.
Заэвтектоиодная сталь – востребованный материал с высоким запасом прочности. Отличается твердостью, устойчивостью к разным воздействиям и универсальностью использования.
Стали доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные,
Структура сталей формируется в результате перекристаллизации аустенита. Микроструктуры сталей представлены на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Микроструктуры сталей: а – доэвтектоидная сталь ; б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь .
По содержанию углерода и по структуре стали подразделяются на:
- эвтектоидные (С=0,8%), структура перлит (П), перлит может быть пластинчатый или зернистый (рис. 9.3 б и 9.3 в);
По микроструктуре сплавов можно приблизительно определить количество углерода в составе сплава, учитывая следующее: количество углерода в перлите составляет 0,8 %, в цементите – 6,67 %. Ввиду малой растворимости углерода в феррите, принимается, что в нем углерода нет.
Контрольные вопросы
1. Назовите классификацию сталей по содержанию углерода и по структуре.
2. Какова микроструктура доэвтектоидных сплавов?
3. Какова микроструктура заэвтектоидных сплавов?
4. Что можно определить по микроструктуре сплавов?
Чугуны. Влияние основных примесей на структуру
И свойства чугунов
Чугун отличается от стали: по составу – более высокое содержание углерода и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.
Углерод и кремний способствуют графитизации, марганец затрудняет графитизацию и способствует отбеливанию чугуна.
Сера способствует отбеливанию чугуна и ухудшает литейные свойства, ее содержание ограничено – 0,08…0,12 %.
Фосфор на процесс графитизации не влияет, но улучшает жидкотекучесть, Фосфор является в чугунах полезной примесью, его содержание – 0,3…0,8 %.
Положительные стороны наличия графита:
· графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
· чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;
· из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
· детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
· чугун значительно дешевле стали;
· производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.
1. Чем чугун отличается от стали по составу?
2. Чем чугун отличается от стали по технологическим свойствам?
3. Как наличие углерода и кремния влияет на свойства чугуна?
4. Как наличие сера влияет на свойства чугуна?
5. Как наличие фосфора влияет на свойства чугуна?
6. Назовите положительные стороны наличия графита.
3.4. Виды чугунов. Белый и серый чугуны. Применение белых и серых чугунов
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
· белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
· серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
· половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.
Наиболее широкое распространение получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.
Влияние формы графита на механические свойства чугунов.
Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл. Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита. Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение ( ) дпя серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв. Сопротивление сжатию снижается мало.
Белый чугун - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0,03-0,30%) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна - из сложных карбидов и легированного феррита. Классифицируется:
- передельный чугун - П1, П2;
- передельный чугун для отливок - ПЛ1, ПЛ2,
- передельный фосфористый чугун - ПФ1, ПФ2, ПФ3,
- передельный высококачественный чугун - ПВК1, ПВК2, ПВК3;
Серый чугун. Структура не оказывает влияние на пластичность, она остается чрезвычайно низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.
Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.
В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок.
Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию.
Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.
Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С увеличением содержания углерода и кремния увеличивается степень графитизации и склонность к образованию ферритовой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.
Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. Это базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие, блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугунатакже используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Обозначаются индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на СЧ 15.
1. Как классифицируются чугуны в зависимости от состава углерода в чугуне.
2. Какое максимальное количество углерода должно быть в составе чугуна?
3. Какое минимальное количество углерода должно быть в составе чугуна для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести)?
4. Какое влияние оказывает форма графита на механические свойства чугунов?
5. Дайте определение белых чугунов.
6. Назовите классификацию белых чугунов.
7. Как маркируются белые чугуны?
8. Назовите область применения белых чугунов.
9. Дайте определение серых чугунов.
10. Назовите область применения серых чугунов.
11. Назовите факторы, влияющие на структуру металлической основы.
12. Как маркируются серые чугуны?
Ковкий чугун
Ковкий чугун получают отжигом белого доэвтектоидного чугуна.
Хорошие свойства у отливок обеспечиваются, если в процессе кристаллизации и охлаждения отливок в форме не происходит процесс графитизации. Чтобы предотвратить графитизацию, чугуны должны иметь пониженное содержание углерода и кремния.
Ковкие чугуны содержат: углерода – 2,4…3,0 %, кремния – 0,8…1,4 %, марганца – 0,3…1,0 %, фосфора – до 0,2 %, серы – до 0,1 %.
Различают 7 марок ковкого чугуна: три с ферритной (КЧ 30 – 6) и четыре с перлитной (КЧ 65 – 3) основой.
По механическим и технологическим свойствам ковкий чугун занимает промежуточное положение между серым чугуном и сталью. Недостатком ковкого чугуна по сравнению с высокопрочным является ограничение толщины стенок для отливки и необходимость отжига.
Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках.
Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.
Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.
Обозначаются индексом КЧ (высокопрочный чугун) и двумя числами, первое из которых показывает значение предела прочности, умноженное на 10 -1 , а второе – относительное удлинение - КЧ 30 - 6.
1. Дайте определение ковкого чугуна.
2. Назовите область применения ковких чугунов.
3. Как маркируются ковкие чугуны?
Высокопрочный чугун
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом.
Высокопрочные чугуны могут иметь ферритную (ВЧ 35), феррито-перлитную (ВЧ45) и перлитную (ВЧ 80) металлическую основу. Получают эти чугуны из серых, в результате модифицирования магнием или церием (добавляется 0,03…0,07% от массы отливки). По сравнению с серыми чугунами, механические свойства повышаются, это вызвано отсутствием неравномерности в распределении напряжений из-за шаровидной формы графита.
Чугуны с перлитной металлической основой имеют высокие показатели прочности при меньшем значении пластичности. Соотношение пластичности и прочности ферритных чугунов - обратное.
Высокопрочные чугуны обладают высоким пределом текучести, достаточно высокой ударной вязкостью и усталостной прочностью. Из-за высокого модуля упругости достаточно высокая обрабатываемость резанием. Обладают удовлетворительной свариваемостью. Литейные напряжения в отливках несколько выше, чем для серого чугуна.
Высокопрочные чугуны содержат: углерода – 3,2…3,8 %, кремния – 1,9…2,6 %, марганца – 0,6…0,8 %, фосфора – до 0,12 %, серы – до 0,3 %.
Из высокопрочного чугуна изготовляют тонкостенные отливки (поршневые кольца), шаботы ковочных молотов, станины и рамы прессов и прокатных станов, изложницы, резцедержатели.
Отливки коленчатых валов массой до 2..3 т, взамен кованых валов из стали, обладают более высокой циклической вязкостью, малочувствительны к внешним концентраторам напряжения, обладают лучшими антифрикционными свойствами и значительно дешевле.
Обозначаются индексом ВЧ (высокопрочный чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на ВЧ 100.
Доэвтектоидные стали
Покупателям металлургической продукции обязательно надо знать, что собой представляет доэвтектоидная сталь. Внимания заслуживают ее структура после полного отжига, микроструктура и марки, процедура закалки стали. Нужно также выяснить ее ключевые характеристики, в том числе и то, каково содержание углерода.
Что это и как изготавливают?
Термин «доэвтектоидная сталь» означает конкретное расположение стального сплава на специальной технологической диаграмме железоуглеродистых соединений. Это расположение будет левее, нежели у обычных эвтектоидных сплавов. Основная часть соединений образована ферритом и перлитом. При микроскопическом изучении отличить такие зерна не составляет труда. Светлые зерна представляют собой феррит, который почти не подвержен травлению.
Что немаловажно, такие зерна не только светлы, они еще и полигональны. Перлит же образован комбинацией феррита с цементитом. Соответственно, это вещество травится лучше, и при микроскопии всегда выглядит темнее чистого феррита. Содержание углерода прямо влияет на пропорцию темных и светлых зон.
Определить это просто: чем большее содержится количество углерода в процентном исчислении, тем меньше будет обнаруживаться феррит и тем больше в составе представлен перлит.
Такое простое обстоятельство позволяет обходиться в большинстве случаев без изощренного химического анализа. Если его и проводят, то он неизменно подтверждает оценки, данные при грамотной микроскопии. Но проблема в том, что такой подход приемлем только для отожженных или находящихся в нормализованном состоянии сплавов. После легирования металла сделать это нельзя, и тогда уже придется заниматься полноценным химическим анализом.
Структура доэвтектоидных сталей зависит от химического распада аустенита при понижении температуры. Потому температурная динамика этого процесса приобретает особое значение. Дисперсность сплава определяется уровнем переохлаждения (в металлургическом, конечно, смысле). Все доэвтектоидные стали характеризуются содержанием углерода не выше 0,8%. Технология производства мало отличается от выработки других черных сплавов.
Влияя на кривую охлаждения и подстраивая интенсивность прогрева, технологи научились добиваться точно предсказуемых результатов. Удается гарантированно управлять дисперсностью, задавая строго необходимые показатели конечного продукта. Даже с учетом последующего отжига содержание углерода очень важно удержать в нормативных пределах. Нельзя обойтись при производстве и без так называемой нормализации. Она подразумевает улучшение фракционного состава аустенита. Частицы феррита и перлита должны стать меньше, иначе о нормальных свойствах готового продукта речи не идет. Однако сам по себе процесс сложен, и за ним должны следить опытные специалисты.
При нарушении требований зерна могут начать увеличиваться. Тогда плавка фактически уходит в брак.
Структура
Как уже говорилось, доэвтектоидный сплав состоит из перлитных и ферритных участков. Но эта микроструктура сохраняется только до определенного момента. На каком-то этапе наступает фазовая перекристаллизация. В ходе этого процесса вместо перлита формируется аустенит, состоящий из мелких зерен. На следующем этапе повышения температуры чрезмерная часть феррита будет растворена в аустените. Если температура растет еще больше, аустенитному преобразованию подвергается и перлит. Иногда рост нагрева продолжается. В этом случае сначала остается чистый аустенит, а затем его качество начинает ухудшаться. Распухание зерен характерно для любых видов стали. Однако для каждого типа сплавов этот процесс течет неодинаково.
Закаленная доэвтектоидная сталь — достаточно часто встречающийся продукт. Конкретная температура закаливания подбирается с учетом химического состава металла. Существенное превышение нормального температурного показателя не допускается. В итоге такие сплавы после нормализации имеют преимущественно мартенситную структуру.
Такое строение гарантирует оптимальные твердость и прочность. После полного отжига сталь состоит из излишнего феррита и перлита.
Характеристики
Строение перлита крайне важно для оценки свойств продукта. Доэвтектоидная сталь наилучшим образом обрабатывается при структуре, основанной на феррит-пластинчатом перлите. Для сравнения: эвтектоидный и заэвтектоидный металл обработать проще, если структура образована зернистым перлитом. Если вместе с мартенситом после закалки остается небольшое количество перлита, то твердость сплава понижается, а после отпуска станут хуже его механические свойства.
По износостойкости он уступает заэвтектоидным соединениям. Проигрыш касается и такого немаловажного свойства, как твердость. Однако есть и преимущество — так называемая красностойкость или, если говорить более развернуто, устойчивость против отпуска при разогреве инструментов. В ходе изотермического преобразования аустенит будет выделять феррит. Для сравнения: в заэвтектоидных сплавах из него обособляется другой компонент (цементит). После неполного отжига можно улучшить обрабатываемость заготовок резанием, а после полного отжига особенно мелкозернистый металл может стать пластичнее.
Прошедший механическую обработку в горячем состоянии материал преимущественно состоит из мелких зерен. Профессионалы тогда говорят, что его микроструктура удовлетворительна, и потребности в отжиге почти нет. Но все же высокий отпуск для повышения практических свойств и уменьшения неоправданной твердости после форсированного охлаждения бывает необходим. Установлено, что высокотемпературный отпуск для доэвтектоидной стали лучше, чем полный отжиг. Он позволяет оптимизировать разрезаемость заготовок.
Прочность доэвтектоидного металла может довольно сильно отличаться. После закалки или отпуска при низких температурах она достигает максимума при концентрации кислорода в 0,6-0,7%. Отпуская металл при более высокой температуре, приходится мириться с меньшей твердостью и с падением прочностных показателей. Зато материал становится пластичнее и вязче, лучше переносит динамические нагрузки. Подобное обстоятельство позволяет изготавливать из подобного сырья инструмент для манипуляций с мягкими материалами, который чаще подвергается ударным нагрузкам, чем значительному давлению.
Свойства, как уже указано, зависят во многом от структурно-химического состава. Так, сплав на основе зернистого перлита имеет большую твердость, нежели тот, в чьем составе будет преобладать пластинчатый подтип. Но различия есть даже между отдельными марками материалов. Так, конструкционные углеродистые стали нормального качества обозначаются сочетанием символов «Ст». Вслед за ним идет цифра, соответствующая марочному номеру.
Чем выше номер, тем тверже и прочнее материал. Оборотной стороной этого момента оказывается падение пластичности. Самый гибкий вид стали отпускают на производство кровельного материала и крепежных метизов. Особо качественные виды сплава маркируют двузначным числом, показывающим концентрацию углерода в сотых долях процента.
Для инструментальных сталей характерно обозначение «У», дальше идет индекс десятых долей процента. А при особом качестве в конец записи добавляют букву «А».
Применение
Выше уже отмечалось, что доэвтектоидные ферритовые стали имеют чуть более низкую прочность, чем другие сплавы. Но это не мешает активно их использовать в различных случаях. Так, подобные материалы находят применение в машиностроительном производстве. В этом случае используют самые качественные марки стали. Их требуется тщательно обжигать и нормализовывать.
Доэвтектоидная сталь может иметь также низкое содержание феррита. В этом случае ее преимущественно применяют для изготовления строительных конструкций и элементов. Дешевизна таких марок материала позволяет заметно сэкономить. Причина проста — особая механическая прочность в этом случае не всегда нужна. Зато износостойкость и упругость будут вполне необходимы, что и делает целесообразным применение эвтектоидного типа сталей.
Методика производства таких сплавов примерно совпадает с процессом производства иных черных металлов и сплавов. Ее осуществляют путем нагрева до определенных температур и последующих проработок. Однако есть свои особенности и нюансы. Главная тонкость — поддержание распада аустенита одновременно с охлаждением. Регулируя интенсивность прогрева и остужения, можно гибко влиять на дисперсность ключевых компонентов, что крайне серьезно отражается на складывании определенных параметров вещества.
Концентрация углерода, обуславливаемая перлитом, остается без всяких изменений. На нее не повлияет даже дальнейший отжиг. Может применяться сразу несколько вариантов отжига, вернее, выбор между ними остается на усмотрение технологов. При неполной методике аустенит греют интенсивно, пока его температура не достигнет критической точки. Далее переходят к охладительной нормализации.
В таком режиме обеспечивается эффективный распад аустенита на искомые вещества. При полном отжиге температура составляет от 700 до 800 градусов. В таких условиях резко активизируется распад феррита. Специалисты стремятся при этом еще и поддержать оптимальную скорость понижения температуры. Отрегулировать ее помогают манипуляции с дверцами рабочей камеры. Влиять на открытие и закрытие этой дверцы могут как действия технического персонала, так и автоматические программы работы современных изотермических печей. Неполный отжиг ведут, прогревая металл более чем до 800 градусов. Но в таком случае критично время высокотемпературной обработки. Устранить феррит полностью не получится.
Может возникнуть вопрос того, зачем прибегать к манипуляции, которая не повышает качество материала и будущих конструкций. Однако смысл в подобной работе вполне есть. Именно неполнота термообработки дает возможность сберечь мягкость структуры. Да, полученный продукт можно использовать не везде, где применяют иные углеродистые стали. Однако механическая обработка существенно улучшается и упрощается, что порадует многих мастеров. Дешевизна тоже является бонусом. На обжиге дело не заканчивается. Его сменяют такие процедуры, как нормализация и нагрев. При них металл может прогреваться до 1000 градусов и более. Однако суть в том, что нормализуются доэвтектоидные стали уже после окончания высокотемпературной фазы. Процесс идет при охлаждении в окружении спокойного воздуха.
Конечная точка — окончательное преобразование структуры материала. В ходе нормализации металл надо остужать быстрее, чем при отжиге. Иначе важное условие (уменьшение размеров зерен) будет недостижимо. Так или иначе, и отжигаемый, и нормализуемый сплав приобретают все более мелкозернистую структуру. Коренное отличие между этими обработками состоит в том, что нормализация повышает дисперсность, а перлит фактически сменяется сорбитом, имеющим более высокие прочностные показатели.
Они могут даже быть лучшими, чем у качественной отожженной стали. Максимальное повышение дисперсности сорбита достигается при начале охладительного процесса с более высоких температур. Но в определенный момент эта закономерность нарушается, и качество готового продукта падает. Учесть все подобные нюансы могут только подготовленные технологи.
Важно обратить внимание и на процедуру неполной закалки, которая заслуживает отдельного разговора.
При ней наиболее ответственной частью работы оказывается охлаждение. Если этот прием выполняется неправильно, вся долгая предыдущая работа во многом обесценивается. Чтобы аустенит стал мартенситом, скорость падения температуры должна быть больше критической. В противном случае мартенсит распадется на комбинацию бейнита, троостита и сорбита. Если сплав содержит легирующие добавки, то критичная скорость манипуляции понижается, мартенсит оказывается более стойким к распаду.
Однако нахождение дополнительных элементов в виде соединений, напротив, приводит к возникновению центров кристаллизации. Из-за них охладительный процесс заметно осложняется. В целом эвтектоидные стали имеют самую низкую критическую скорость среди других углеродистых сплавов. Но и тут есть отличия между марками, партиями с различным химическим составом. Остужать металл при содержании углерода свыше 0,3% можно преимущественно водой.
Такой метод более привлекателен, нежели использование спокойного воздуха и другие решения. Охлаждающую способность воды могут регулировать введением дополнительных компонентов. Подбор идеального охлаждающего агента на все случаи жизни невозможен, и технологи вынуждены соблюдать баланс. Прерывистая закалка в двух средах близка к оптимальному режиму, но провести ее грамотно могут лишь квалифицированные термисты. При ступенчатом закаливании мартенситное превращение происходит в воздушной среде.
Читайте также: