Каково максимальное теоретически содержание углерода в сталях в
Обновлено: 01.05.2024
Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А t ≤ 727 о С), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.
В следующей теме 2.2 будет показано, как влияет ускоренное охлаждение стали из аустенитного состояния на ее структуру и механические свойства. Происходящие при таком охлаждении процессы реализуются при закалке сталей, являющейся первым этапом упрочняющей термической обработки.
Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.
Вопросы для самопроверки к теме 2.1
1. Попробуйте начертить по памяти диаграмму состояния Fe-Fe3C (без левого верхнего угла) и указать характерные критические температуры и концентрации углерода, соответствующие различным группам сплавов.
2. Охарактеризуйте фазы, присутствующие в углеродистых сталях и белых чугунах. Каковы механические свойства этих фаз?
3. Какова причина наличия двух твердых растворов углерода в железе?
4. Укажите фазы в двухфазных областях диаграммы.
5. Какое превращение формирует окончательную структуру углеродистых сталей?
6. Каковы концентрационные интервалы (по содержанию С) и структуры эвтектоидной, до – и заэвтектоидных сталей?
7. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии; что она собой представляет?
8. Каково содержание углерода в эвтектическом, до - и заэвтектических белых чугунах? Каковы их структуры?
9. Нарисуйте по памяти (качественно) зависимость механических свойств железоуглеродистых сплавов от содержания углерода. Объясните ее.
10. На чем основана классификация углеродистых сталей по назначению? Приведите несколько марок сталей различного назначения, укажите содержание в них углерода.
11. Почему белые чугуны не используют в качестве конструкционных материалов?
12. От каких структурных факторов зависят механические свойства серых чугунов?
13. Назовите различные виды серых чугунов. На чем основана эта классификация? Какова маркировка этих сплавов?
14. Опишите структуру наиболее прочного (теоретически) из всех разновидностей серых чугунов.
Промежуточные тесты к теме 2.1
I. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %)?
II. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых сплавах:
III. Укажите номера всех типовых структур металлической основы различных видов серых чугунов:
3) феррит + перлит;
4) ледебурит + цементит первичный;
IV. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых?
V. Какой химический элемент преобладает в сталях?
VI. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей прочностью?
1. Шаровидный графит (Г) + феррит (Ф).
2. Шаровидный Г + перлит (П).
3. Пластинчатый Г + П.
4. Хлопьевидный Г +Ф + П.
5. Хлопьевидный Г + Ф.
VII. Из каких фаз формируется равновесная структура углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах?
VIII. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с увеличением содержания в них углерода?
1. Твердость и пластичность растут.
2. Твердость и пластичность падают.
3. Твердость растет, пластичность падает.
4. Твердость падает, пластичность, пластичность растет.
5. Твердость растет, пластичность не изменяется.
IX. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в равновесном состоянии при комнатной температуре?
2. Цементит вторичный.
X. По каким из перечисленных характеристик серые чугуны выгодно отличаются от углеродистых сталей?
Структура и свойства чугунов
Сплавы, содержащие > 2,14 %С (правее т. Е на диаграмме «железо-цементит», см. рис. 2.1.1), называются чугунами.
Чугуны, кристаллизующиеся в соответствии с диаграммой Fe-Ц, называются белыми (из-за светлого оттенка излома, обусловленного большим количеством цементита в структуре). Из диаграммы Fe-Ц следует, что затвердевание этих сплавов происходит при Т £ 1147 о С непосредственно ниже линии солидус ЕCF в результате превращения
Такое превращение (затвердевание жидкой фазы в смесь двух твердых при фиксированном составе фаз и постоянной температуре) называется эвтектическим1, а образующаяся смесь кристаллов – эвтектикой (греч. – «легко плавящаяся» – из диаграммы Fe-Ц видно, что чугуны имеют наименьшую температуру плавления среди железоуглеродистых сплавов).
Эвтектика в белых чугунах называется ледебуритом (по фамилии исследователя – Ледебура). В момент образования (см. (2.3)) она состоит из аустенита и цементита, но при Т£ 727 о С аустенит превращается в перлит (напомним, что РSК – линия эвтектоидного – перлитного превращения, см. (2.1)). Поэтому при нормальных температурах ледебурит(Л) – сложная структурная составляющая; представляет собой светлую цементитную основу с темными включениями перлитных зерен.
По структуре белые чугуны делятся на доэвтектические(2,14…4,3 %С) со структурой Л+П+ЦII, эвтектические(4,3 %С)– Л и заэвтектические (4,3…6,67 %С) – Л+ЦII.
Наличие легкоплавкой эвтектики (ледебурита) в белых чугунах обеспечивает их высокие литейные свойства.
Механические же свойства этих сплавов можно оценить, экстраполировав зависимости, показанные на рис. 2.1.3, на содержание углерода > 2,14 %.
Видно, что белые чугуны обладают очень высокой твердостью, но низкими значениями пластичности, ударной вязкости и прочности, что является следствием большого количества цементита в структуре (о свойствах Ц – в разделе 2.1.1). Поэтому белые чугуны как конструкционные материалы не используются.
На практике в качестве дешевых литейных конструкционных материалов широко применяются серые чугуны.
Принципиальное отличие структуры серых чугунов от белых в том, что углерод в них находится не в химически связанном состоянии (т.е. в виде Fe3C – цементита), а в свободном – в виде включений графита[14] различной формы.
Уровень механических свойств серых чугунов зависит от двух основных структурных факторов:
1) формы (и количества) графитных включений,
2) структуры металлической основы.
По первому признаку эти сплавы делятся:
1) на собственно серые чугуны (СЧ), в которых графит имеет форму длинных заостренных пластин. Разновидностью этих чугунов являются модифицированные СЧ, в которых пластинки графита мелкие и имеют завихренную форму;
2) высокопрочные чугуны (ВЧ) с шаровидным (глобулярным) графитом;
3) ковкие чугуны (КЧ) с хлопьевидным графитом.
Структура металлической основы любого из этих чугунов может быть одного из трех видов: феррит (Ф), феррит+перлит (Ф+П) и перлит (П).
В табл. 2.1 в качестве примера приведены некоторые марки и механические свойства различных видов серых чугунов.
Классификация, маркировка и механические свойства
различных видов серых чугунов
Очевидно, что механические свойства чугуна данного вида (т.е. с определенной формой графитных включений) определяются структурой металлической основы, т.к. от феррита к перлиту увеличивается содержание углерода, соответственно растут твердость и прочность, падают пластичность и ударная вязкость (см. рис. 2.1.3).
Свойства чугунов с данной структурой металлической основы зависят от формы графитных включений. Наихудшая форма графита в СЧ, т.к. острые концы пластин при нагружении являются очагами зарождения микротрещин. Особо низкий комплекс механических свойств получается, если пластин графита так много и они настолько длинны, что разобщают металлическую основу (матрицу) чугуна (см. табл. 2.1).
По сути любые серые чугуны представляют собой углеродистые доэвтектоидные (Ф+П), эвтектоидные (П) стали или техническое железо (Ф) (см. тему 2.1.1) с включениями графита. Очевидно, что графит уменьшает прочность и пластичность металлической основы. Поэтому чугуны имеют более низкие механические свойства по сравнению с углеродистыми сталями. Однако от сталей они отличаются более высокими литейными свойствами, низкой стоимостью, нечувствительностью к дефектам поверхности, демпфирующими и антифрикционными свойствами.
Итак в данной теме (2.1) было показано, как изменяется структура и механические свойства промышленных железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов) в зависимости от содержания углерода. Наиболее важным пунктом этой темы являются зависимости механических свойств, представленные на рис. 2.1.3, поскольку они являются основой классификации сталей по назначению.
Следует, однако, подчеркнуть, что приведенный на этом рисунке комплекс механических свойств соответствует сталям в равновесном[15] состоянии (т.е. со структурами, формирующимися по диаграмме состояния Fe-Fе3C).
На практике все ответственные стальные изделия подвергают специальной упрочняющей термической обработке, в результате которой качественный характер зависимостей механических свойств от содержания углерода (рис. 2.1.3) сохраняется, но количественные показатели вследствие структурных превращений существенно изменяются.
Таким путем добиваются улучшения механических свойств сталей с данным содержанием углерода (т.е. различных марок; например, твердость эвтектоидной стали У8 можно повысить в » 4 раза).
Внимание!
Раздел 2.1 - первый раздел «Опорного конспекта», посвященный конкретным промышленным сплавам – углеродистым сталям и чугунам (наиболее применяемым материалам машиностроения). Особое внимание следует обратить на зависимость структуры и механических свойств сталей от содержания углерода, а также на структурные превращения, происходящие в сталях при их медленном охлаждении от высоких температур. Важно усвоить, что окончательная структура сталей формируется в результате перлитного превращения (А Ф + Ц при t ≤ 727 о С), обусловленного явлением полиморфизма в этих сплавах.
Заметим также, что знание материала темы 2.1 необходимо для выполнения контрольных работ. Учитывая все это, рекомендуем помимо изучения данной темы выполнить лабораторные работы 4 и 5 (или хотя бы ознакомиться с их содержанием), а также не забыть про вопросы для самопроверки.
Основы материаловедения
Тесты по основам материаловедения. Свойста металлов обеспечивающих возможность их успешной обработки давлением.
Просмотр содержимого документа
«Основы материаловедения»
ОСНОВЫ МатериаловедениЯ
I Вариант
1. Какое из перечисленных свойств металлов обеспечивает возможность их
успешной обработки давлением:
1. высокая прочность
2. высокая теплопроводность
3. высокое электросопротивление
4. высокая пластичность
5. хорошие литейные свойства
2. Каково максимальное (теоретически) содержание углерода в сталях (в %):
3. Каково основное достоинство быстрорежущих сталей:
1. высокая твердость
2. коррозионная стойкость
3. высокая прочность
4. низкая стоимость
5. высокая теплостойкость
4. Какая термическая обработка применяется для придания ответственным
стальным изделиям оптимальных механических и эксплуатационных свойств:
4. закалка + отпуск
5. горячая пластическая деформация
5. Какая характерная особенность баббита, серого чугуна и свинцовой бронзы
обусловливает возможность их применения для подшипников скольжения:
1. гетерогенная (неоднородная) структура
2. высокая твердость
3. низкая твердость
5. низкая температура плавления
6. Какое из перечисленных свойств (параметров) в наибольшей степени
характеризует сопротивление материала хрупкому разрушению:
2. предел прочности
3. относительное удлинение
4. ударная вязкость
7. Какая технология применяется для получения изделий из ковкого чугуна:
1. холодная штамповка
2. горячая пластическая деформация
4. литьё с применением модифицирования
5. длительный отжиг отливок из белого чугуна
8. Из какого сплава следует изготовить режущи хирургический инструмент
многоразового использования:
9. Какой вид термической обработки необходим для полной ликвидации
наклепа в металле:
1. низкий отпуск
3. рекристаллизационный отжиг
10. Какой из перечисленных сплавов принципиально не упрочняется
термической обработкой:
11. Какой процесс приводит к полному возвращению свойств наклепанного
металла в исходное (до деформации) состояние:
12. Какова цель модифицирования высокопрочных чугунов:
1. измельчение пластинок графита
2. получение перлитной структуры металлической основы
3. придание графитным включениям шаровидной формы
4. уменьшение количества цементита в структуре
5. устранение ледебурита в структуре
13. Какую марку стали следует предпочесть для изготовления недорогого
изделия методом холодной штамповки:
14. Какую структуру должна иметь ответственная деталь из среднеуглеродистой
стали, работающая при динамических (ударных) нагрузках:
2. феррит + перлит
3. мартенсит + цементит вторичный
4. мартенсит отпуска
5. сорбит отпуска
15. Какая заключительная операция термической обработки сообщает сплаву
Д16 максимальную прочность:
2. низкий отпуск
3. искусственное старение
4. естественное старение
5. рекристаллизационный отжиг
16. Какой тип решетки имеет железо при комнатной температуре:
2. простая кубическая
3. объемноцентрированная кубическая
4. гранецентрированная кубическая
17. С какой из перечисленных структур чугун должен обладать наибольшей
1. шаровидный графит (Г) + феррит (Ф)
2. шаровидный Г + перлит (П)
3. пластинчатый Г + П
4. хлопьевидный Г + Ф + П
5. хлопьевидный Г + Ф
18. Какой химический элемент преобладает в сталях:
19. Какая фаза должна обязательно присутствовать в стали при температуре
её нагрева под закалку:
20. Какую структуру имеют латуни, обладающие наибольшей пластичностью:
4. однофазную аустенитную
5. однофазную ферритную
21. Как изменяются твердость и пластичность углеродистых сталей с
увеличением содержания в них углерода:
1. твердость и пластичность растут
2. твердость и пластичность падают
3. твердость растет, пластичность падает
4. твердость падает, пластичность растет
5. твердость растет, пластичность не изменяется
22. Какова основная структурная составляющая углеродистых сталей в
равновесном (отожженном) состоянии при комнатной температуре:
23. По каким из перечисленных свойств серые чугуны выгодно отличаются
от углеродистых сталей:
2. антифрикционные свойства
3. литейные свойства
4. обрабатываемость резанием
5. прочность
24. Как изменяется прочность и пластичность стали с повышением температуры отпуска:
1. прочность и пластичность увеличиваются
2. прочность растет, пластичность падает
3. прочность падает, пластичность растет
4. прочность не изменяется, пластичность растет
5. прочность и пластичность уменьшаются
25. Какой из перечисленных сплавов следует использовать для литых деталей
самолетов, переносных приборов и т.п.
II Вариант
1. Что такое наклеп (нагартовка)? Это:
1. упругая деформация
2. пластическое деформирование металла
3. холодная пластическая деформация
4. горячая пластическая деформация
5. упрочнение металла в результате холодной пластической деформации
2. Укажите все кристаллические фазы, присутствующие в железоуглеродистых
3. Какую марку стали следует использовать для изготовления инструмента,
обрабатывающего детали на больших скоростях резания:
4. Какая обработка стальных изделий называется улучшением:
1. закалка + низкий отпуск
2. высокий отпуск
3. закалка + высокий отпуск
4. шлифовка поверхности
5. дробеструйная обработка
5. Какой из перечисленных химических элементов обязательно присутствует
6. Какие дефекты кристаллической решетки обеспечивают высокую
пластичность металлов:
3. атомы примесей
4. дислоцированные (междоузельные) атомы
5. границы зерен
7. Перечислите все типовые структуры металлической основы различных
видов серых чугунов:
3. феррит + перлит
4. ледебурит + цементит первичный
8. Какую марку стали следует предпочесть для сварных конструкций,
работающих в агрессивных средах:
9. Какая структура получается при полной закалке доэвтектоидных сталей:
1. мартенсит + цементит вторичный
4. мартенсит + феррит
10. Каково максимально возможное содержание Zn (в %) в однофазных
() латунях:
11. Какое из перечисленных утверждений неверно? Холодная пластическая деформация:
1. повышает прочность металла
2. повышает электросопротивление
3. снижает пластичность
4. повышает ударную вязкость
5. повышает твердость
12. Наличием какой фазы в структуре серые чугуны отличаются от белых
13. Что такое теплостойкость сплава:
1. способность выдерживать высокие температуры
2. способность не изменять размеры изделия при нагревании
3. способность сохранять высокую твердость при длительном нагревании
4. способность не окисляться при высоких температурах
14. Какая структура обеспечивает максимальную твердость доэвтектоидной
1. перлит + феррит
3. мартенсит отпуска
15. Какие две операции и в какой последовательности используются для
эффективного упрочнения сплавов типа дуралюмин:
4. обработка холодом
16. Какой материал следует использовать для обшивки самолетов:
2. углеродистая сталь
3. высокопрочный чугун
17. Укажите фазы, из которых формируется равновесная структура
углеродистых сталей и белых чугунов при нормальных температурах:
18. Укажите, какую структуру должна иметь сталь У12 после грамотно
проведенной закалки:
1. перлит + цементит вторичный (П+Ц II)
3. аустенит + Ц II
19. Измерение какого механического свойства используется обычно для
контроля качества термической обработки:
20. Какой из перечисленных сплавов успешно используется в качестве
подшипникового (антифрикционного) материала:
21. В чем причина роста твердости сталей в равновесном (отожженном)
состоянии при увеличении содержания в них углерода:
1. уменьшается размер зерна
2. увеличивается наклеп
3. в структуре появляется ледебурит
4. возрастает количество цементита в структуре
5. при большом количестве углерода в структуре появляется мартенсит
22. Какой из перечисленных материалов обладает наибольшей пластичностью:
1. эвтектоидная сталь
2. доэвтектоидная сталь
3. заэвтектоидная сталь
4. доэвтектический белый чугун
5. техническое железо
23. Какой химический элемент (и в каком количестве) делает сталь
коррозионностойкой:
24. Расположите необходимые операции обработки стальных шестерен
в правильной последовательности:
3. высокий отпуск
4. средний отпуск
5. низкий отпуск
25. Укажите два наиболее важных достоинства сплавов типа дуралюмин,
обусловивших их широкое применение в качестве конструкционных
авиационных материалов:
3. хорошая ударная вязкость
4. высокая удельная прочность
5. коррозионная стойкость
Правильный ответ I
(ПО1): 4 (высокая пластичность)
ПО2: 3 (2,14 %С)
ПО3: 5 (высокая теплостойкость)
ПО4: 4 (закалка +отпуск) т.к. обеспечивает оптимальное сочетание прочности, твердости и пластичности, ударной вязкости.
ПО5: 1 (гетерогенная структура) - такая структура, состоящая из мягких и твердых структурных составляющих, обеспечивает хорошее удержание смазки в зоне трения.
ПО6: 4 (ударная вязкость)
ПО7: 5 (длительный отжиг отливок из белого чугуна)
ПО8: 4 (40Х13) ПО9: 3 (рекристаллизационный отжиг) ПО10: 2 (АМц) ПО11: 4 (рекристаллизация) ПО12: 3 (придание графитным включениям шаровидной формы) ПО13: 1 (сталь 08 с минимальным содержанием углерода) ПО14: 5 (сорбит отпуска или зернистый сорбит) ПО15: 4 (естественное старение) ПО16: 3 (объемноцентрированная кубическая ) ПО17: 2 (шаровидный Г + П - высокопрочный чугун на перлитной основе) ПО18: 3 (железо) ПО19: 2 - аустенит, т.к. в результате закалки он превращается в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость, что является целью закалки. ПО20: 1 (однофазную ) ПО21: 3 (твердость растет, пластичность падает) ПО22: 3 (перлит) ПО23: по всем, кроме 5 (прочность) ПО24: 3 (прочность падает, пластичность растет) ПО25: 4 (силумин - литейный Al - сплав)
Правильный ответ II ПО1: 5 (упрочнение металла в результате холодной пластической деформации) ПО2: 2, 3, 5 (феррит, цементит, аустенит) ПО3: 4 (Р6М5) ПО4: 3 (закалка + высокий отпуск) ПО5: 3 (Zn) ПО6: 2 (дислокации) ПО7: 1, 3, 5, (феррит, феррит + перлит, перлит) ПО8: 3 (12Х18Н10Т) ПО9: 2 (мартенсит) получаемый в результате закалки стали. ПО10: 4 (39 % Zn) ПО11: 4 (повышает ударную вязкость) ПО12: 2 (графит) ПО13: 3 (способность сохранять высокую твердость при длительном нагревании) ПО14: 4 (мартенсит) ПО15: 3, 5 (закалка + старение) ПО16: 4 - дуралюмин, т.к. он обладает высокой удельной прочностью (отношение прочности к удельному весу), хорошей коррозионной стойкостью и деформируемостью. ПО17: 2, 3 (феррит и цементит) ПО18: 4 (М + Ц II) ПО19: 2 (твердость) ПО20: 3 (БрС30 - свинцовая бронза) ПО21:4 (возрастает количество цементита в структуре) ПО22: 5 (техническое железо) ПО23: 3 (Cr в количестве 13%) ПО24: 2,1,5 (цементация - закалка - низкий отпуск) ПО25: 4.5 (высокая удельная прочность и коррозионная стойкость)
Влияние углерода на свойства стали
Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.
Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.
С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 19).
При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.
Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.
Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.
По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.
Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.
Обозначение марок - буквенно-цифровое.
Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.
Группа - А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.
Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.
Сплавы группы - В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.
Степень раскисленности, обозначают буквами кп - кипящие, пс - полуспокойные и сп - спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 - Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.
При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.
В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.
Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.
Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой - У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0,7 - 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву - А. например У7А, У13А, У10А.
По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:
1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит;
2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис.20.а);
3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.20, б, в);
4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.20, г).
Рис.20 Микроструктуры сталей:
а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).
Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.
Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 - 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.
Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки
В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром - X, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан – Т, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий - Б, цирконий - Ц, азот - А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.
У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква - А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.
Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.
Углеродистые конструкционные стали
В настоящее время сталь является основным металлическим материалом промышленности. Большое разнообразие химического состава сталей и видов их обработки позволяет получать различные свойства и удовлетворять запросы многих отраслей техники. В настоящее время ежегодно в мире выплавляют стали более 2000 марок.
Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, назначению и др.
По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По содержанию углерода те и другие условно делят на низкоуглеродистые (С ≤ 0,25%, среднеуглеродистые (0,3 …0,6%С) и высокоуглеродистые (≥0,7%С).
Легированные стали в зависимости от содержания легирующих элементов разделяют на низколегированные, содержащие менее 2,5% легирующих элементов; среднелегированные – 2,5 – 10% легирующих элементов; высоколегированные – более 10% легирующих элементов.
По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникельмолибденовые, хромокремнемарганцевоникелевые и т.д. В связи с тем что более широко используются стали легированные несколькими элементами, что делает данную классификацию громоздкой.
По качеству стали классифицируются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные.
Классификация по качеству. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств во многом зависят от содержания вредных примесей – серы и фосфора и газов (О2, N2, Н2), поэтому их нормы содержания являются основными показателями для разделения сталей по качеству.
По качеству различают стали:
- обыкновенного качества (углеродистые), S≤0,05%, Р≤0,04%;
- качественные (углеродистые и легированные) S≤0,04%, Р≤0,035%;
- высококачественные (углеродистые и легированные) S≤0,025%, Р≤0,025%;
- особовысококачественные (легированные) S≤0,015%, Р≤0,015%.
По степени раскисления стали (углеродистые) классифицируют на спокойные, кипящие и полуспокойные. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. При их затвердевании выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали. Полуспокойные стали раскисляют марганцем и алюминием и по степени раскисленности занимают промежуточное положение. Легированные стали выплавляются только спокойные.
Классификация по структуре для углеродистых сталей (в отожженном состоянии) приведена в главе 1, а легированных (в отожженном и нормализированном состояниях) - в разделах 3 настоящей главы.
По назначению (применению) стали объединены в группы: конструкционные, инструментальные и со специальными свойствами. Данная классификация является более содержательной, чем рассмотренные ранее классификации. Она в большей мере характеризует стали, поэтому ее рассмотрению уделяется больше внимания.
Конструкционными называются стали, применяемые в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Они могут быть углеродистыми и легированными. Содержание углерода в этих сталях не превышает 0,6%. Однако в некоторых случаях может достигать 1%.
Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Поэтому конструкционные стали, кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (σв – временное сопротивление, σ0,2 – предел текучести, δ – относительное удлинение, ψ – относительное сужение, НВ – твердость) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т.е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения.
Конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т.д.), резанием, обладать высокой прокаливаемостью. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.
Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калибровочной и шлифованной стали, в виде листов, полос, фасонных профилей и др.
Углеродистые конструкционные стали (стали общего назначения). Стали углеродистые обыкновенного качества выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электропечах. Стали широко применяются в строительстве. Ряд марок сталей назначается и для деталей машиностроения. Сталь изготавливается горячекатаной – сортовой, фасонной, толстолистовой, тонколистовой, широкополосной (универсальной) – и холоднокатаной – тонколистовой. Из стали изготавливаются трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и др.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В маркировке сталей буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки, за исключением марки Ст0, в сталях увеличивается количество углерода. Информацию о количественном химическом составе (в том числе и о содержании углерода марка стали не содержит).
Стали обыкновенного качества содержат, по сравнению с другими сталями, повышенное содержание серы – до 0,05%, фосфора – до 0,04%, а в стали марки Ст0: серы не более 0,06%, фосфора – не более 0,07%.
Сталь с номерами марок 1, 2, 3, 4 изготавливают кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп), с номерами 5 и 6 полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по степени раскисления не разделяют. Степень раскисления обозначается буквами кп, пс, сп, приводимыми в конце наименования стали. Например: Ст1кп, Ст2пс, Ст5сп и др.
Сталь марок Ст 3пс, Ст 3сп и Ст 5пс изготавливают с повышенным содержанием марганца. В обозначении этих марок сталей ставят букву Г. Ст 3Гпс, Ст 3Гсп, Ст 5Гпс.
Спокойные стали (раскисленные Mn, Si, Al) содержат пониженное количество кислорода и различных оксидов. Содержание кремния составляет 0,15-0,30%, однако даже в этих относительно малых количествах кремний повышает предел текучести и снижает пластичность.
Кипящие стали (раскисленные только Мn) содержат кремний лишь в качестве примеси (≤ 0,05%). Кипящие стали по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями имеют одинаковый предел прочности, но обладают более высокой пластичностью и хорошо подвергаются холодной обработке давлением (прокатке, вытяжке и др.). Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальны. Поскольку пластичность сталей зависит и от содержания углерода, то количество его в кипящих сталях не более 0,25%.
Полуспокойные стали (раскисленные Mn и Al) содержат кремния до 0,15%. По составу и свойствам они занимают промежуточное положение. Полуспокойные стали используют, в частности, для холодного выдавливания болтов и других деталей.
Химический состав сталей обыкновенного качества соответствует ГОСТ 380-94. Этот стандарт соответствует международным стандартам ИСО 630-80 «Сталь конструкционная. Пластины, широкие фаски, бруски и профили» и ИСО 1052-82 «Сталь конструкционная общего назначения», в части требований к химическому составу сталей.
Качественные углеродистые стали (стали общемашиностроительного назначения). Стали выплавляют в мартеновских и электрических печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы не должно превышать 0,04%, фосфора 0,035-0,04% (в зависимости от марки), стали также должны иметь меньшее, чем в сталях обыкновенного качества количество неметаллических включений.
Углеродистые качественные стали в соответствии с ГОСТ 1055-88 маркируют двухзначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: 05, 08, …, 15, …, 45, …, 60 (соответственно 0,05, 0,08, …, 0,15, …, 0,45, …, 0,60% С).
Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2% могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Кипящая сталь имеет в конце маркировки буквы кп, полуспокойная – пс. Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например: 08кп, 10пс, 18кп, 20, 25, 30, 35 и т.д. Химический состав углеродистых качественных конструкционных сталей соответствует ГОСТ 1050-88.
Качественные стали подразделяют на подгруппы. Низкоуглеродистые 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10сп, 10, 11кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей (прокладок, шайб, капотов тракторов, змеевиков), элементов сварных конструкций и т.д. Стали хорошо деформируются в холодном состоянии. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали принимать вытяжку, поэтому для холодной штамповки, особенно для вытяжки, более широко используют холоднокатаные полуспокойные и кипящие стали 08пс, 08кп.
Стали 15, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки, они менее пластичны несколько хуже деформируются в холодном состоянии. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используют для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (распределительных валков, шпинделей, фрикционных дисков, штоков, траверс, плунжеров и т.д.). Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость сталей невелика, поэтому их следует применять для изготовления небольших деталей или больших размеров не требующих сквозной прокаливаемости.
Стали марок 50, 55, 60 применяют после различных видов термической обработки – нормализации улучшения, закалки с низким отпуском, закалки ТВЧ и др., которые значительно повышают эксплуатационные и прочностные свойства деталей (зубчатые колеса, шпиндели, тяжело нагруженные валы, муфты сцепления, прокатные валки, колеса и бандажи для подвижного состава железных дорог, диски сцепления.
Читайте также: