Раскислена только ферромарганцем сталь

Обновлено: 03.05.2024

Расшифровка марок сталей и чугунов? Иногда этот вопрос кажется просто неразрешимым. Еще с университетской скамьи, когда преподают материаловедение, этот вопрос рассматривается как-то скомкано и не всегда понятно, хотя если разобраться все довольно просто.

Сегодня начал искать наиболее полный и в тоже время наиболее сжатый материал по расшифровке марок сталей и чугунов, интернет полнится из сайта в сайт повторяющейся информацией. Наиболее полно на приведенный выше вопрос ответил этот ресурс, а наиболее сжато и доступно, приведенная ниже методическая работа (автора, к сожалению, не нашел):

СОДЕРЖАНИЕ

Расшифровка обозначений марок сталей и чугунов

Изучение принципов обозначения марок сталей и чугунов

Задание:

Ознакомиться с методикой маркировки различных марок сталей и чугунов по методическим указаниям

Дать расшифровку марок сталей и чугунов по карточке индивидуального задания

Сведения из теории

Чугуны. Что такое чугун?

Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, постоянные примеси. Они мало пластичны, не прокатываются и не куются. Чугуны обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами. За счет этого из чугунов можно делать отливки значительно более сложной формы, чем из сталей

Разновидности чугунов:

В зависимости от того, какой формы присутствует углерод в сплавах, различают:

белые;
серые;
ковкие;
высокопрочные чугуны.

Белый чугун

Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Весь углерод в этом чугуне находится в связанном состоянии в виде цементит.Белые чугуны имеют большую твердость (НВ 450-550) и , как следствие этого, они очень хрупкие и для изготовления деталей машин не используются.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его износостойкость, в том числе и при воздействии агрессивных сред. Это свойство учитывают при изготовлении из него поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей на ковкий чугун, поэтому его называют передельным.

Серый чугун

В сером чугуне углерод находится в виде графита пластинчатой формы..

Серые чугуны маркируются сочетанием букв «С» - серый, «Ч»- чугун и цифрами, которые обозначают временное сопротивление разрыву при растяжении в МПа.

Высокопрочный чугун

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, так как структурв углерода в нем -шаровидный графит. Это повышает прочность чугуна и позволяет получить сплавы с достаточно высокой пластичностью и вязкостью.

Обозначение марки включает буквы «В» - высокопрочный, «Ч» - чугун и цифры, обозначающие временное сопротивление разрыву при растяжении в МПа.

Ковкий чугун

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Несмотря на свое название, они никогда не подвергаются ковке.

Конфигурация детали из ковкого чугуна определяется формой отливки. Ковкие чугуны маркируют «К» - ковкий, «Ч» - чугун и цифрами.

Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, МПа: вторые - относительное удлинение при разрыве в %.

Чугуны со специальными свойствами

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионностойкие чугуны.

Износостойкие (антифрикционные ) чугуны

Обозначают сочетанием букв АЧС, АЧК, АЧВ. Буквы С, К, В обозначают вид чугуна: серый, ковкий, высокопрочный. Цифра обозначает номер чугуна. Для легирования антифрикционных чугунов применяют хром, никель, медь, титан.

Жаростойкие и жаропрочные чугуны

Обозначают набором заглавных букв русского алфавита и следующими за ними букв. Буква «Ч» - чугун.

Буква «Ш», стоящая в конце марки означает шаровидную форму графита. Остальные буквы означают легирующие элементы, а числа, слежующие за ними, соответствуют их процентному содержанию в чугуне.

Жаростойкие чугуны применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, работающих в газовых средах при температуре 900-11000 0 С.

Коррозионностойкие чугуны

Короозионностойкие чугуны обладают высокой стойкостью в газовой, воздушной и щелочных средах.Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах.

Примеры обозначения и расшифровки чугунов:

СЧ15 - серый чугун, временное сопротивление при растяжении 150Мпа.

КЧ45-7 - ковкий чугун, временное сопротивление при растяжении 450Мпа, относительное удлинение 7%.

ВЧ70 - высокопрочный чугун, временное сопротивление при растяжении 700 МПА

АЧВ - 2 - антифрикционный высокопрочный чугун, номер 2.

ЧН20Д2ХШ - жаропрочный высоколегированный чугун, содержащий никеля 20%, 2% меди, 1% хрома, остальное - железо, углерод, форма графита - шаровидная

ЧС17 - коррозионностойкий кремниевый чугун, содержащий 17% кремния, остальное -железо, углерод.

Стали. Что такое сталь?

Сталь - сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2,14 %, а также ряд других элементов

Классификация сталей

Для правильного прочтения марки необходимо учитывать ее место в классификации стали по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные.
Стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Стали по качеству классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
Классификация по степени раскисления. Стали по степени раскисления классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Таблица 1. - Классификация сталей

Конструкционные стали - стали, предназначенные для изготовления различных деталей, узлов механизмов и конструкций.

Инструментальные стали - стали, применяемые для обработки материалов резанием или давлением, а также для изготовления измерительного инструмента

Специальные стали — это высоколегированные (свыше 10%) стали, обладающие особыми свойствами - коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью, износостойкостью и др.

Углеродистые стали

К углеродистым сталям относят стали, не содержащие специально введенные легирующие элементы.

Конструкционные углеродистые стали

Стали углеродистые обыкновенного качества (сталь с достаточно высоким содержанием вредных примесей S и P) обозначают согласно ГОСТ 380-94.

Эти наиболее широко распространенные стали поставляют в виде проката в нормализованном состоянии и применяют в машиностроении, строительстве и в других отраслях.

Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это условный номер марки. Чем больше число, тем больше содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.

Перед символом Ст указывают группу гарантированных свойст: А, Б, В. Если указание о группе отсутствует, значит предполагается группа А. Например, СТ3; БСт4; ВСт2.

После номера марки стали указывают степень раскисления: кп -кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная сталь. Например, ВСтЗпс.

Таблица 2. - Структура обозначения углеродистых сталей

Группа стали

Обозначение

Номер стали

Степень
раскисления

Таблица 3. Значение букв и цифр, употребляющихся при маркировке сталей обыкновенного качества

Расшифровка обозначения

Группа сталей, поставляемая с гарантированными механическими свойствами. Обычно при обозначении сталей букву А опускают

Группа сталей, поставляемая с гарантированным химическим составом

Группа сталей, поставляемая с гарантированными химическим составом и механическими свойствами

Сокращенное обозначение термина «сталь»

Условные марки стали

Наличие буквы Г после номера стали означает повышенное содержание марганца

Сталь «кипящая», раскисленная только ферромарганцем

Сталь «полуспокойная», раскисленная ферромарганцем и алюминием

Сталь «спокойная», то есть полностью раскисленная.

Примеры обозначения и расшифровки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

БСТ2кп - сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, группы Б, поставляемая с гарантированным химическим составом, номер 2, кипящая.

СТ5Гпс - сталь конструкционная обыкновенного качества , группы , поставляемая с гарантированными механическими свойствами, номер 5, содержание марганца до 1%, полуспокойная.

ВСтЗсп - сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, группы В, поставляемая с гарантированным химическим составом и механическими свойствами, номер 3, спокойная.

Обозначение углеродистых качественных конструкционных сталей

Качественная конструкционная сталь - сталь с заметно меньшим содержанием серы, фосфора и других вредных примесей. Обозначается согласно ГОСТ 1050-88.

Сталь маркируют двузначными числами, которые обозначают содержание углерода в сотых долях процента, и поставляют с гарантированными показателями химического состава и механических свойств. По степени раскисления сталь подразделяют на кипящую (кп), полуспокойную (пс), спокойную (без указания индекса). Буква Г в марках сталей указывает на повышенное содержание марганца (до 1%).

Примеры обозначения и расшифровки углеродистых качественных конструкционных сталей:

Сталь 05кп -сталь конструкционная низкоуглеродистая, качественная, содержащая углерода 0,05%, кипящая.

Сталь 25 - сталь конструкционная низкоуглеродистая, качественная, содержащая углерода 0,25%, спокойная.

Сталь 60Г - сталь конструкционная среднеуглеродистая, качественная, содержащая углерода 0,6%, марганца 1%, спокойная.

Автоматные стали. Обозначение и маркировка автоматных сталей

По ГОСТ 1414-75 эти стали маркируют буквой А и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Применяют следующие марки автоматной стали: А12,А20, АЗО, А40Г. Из стали А12 готовят неответственные детали, из стали других марок — более ответственные детали, работающие при значительных напряжениях и повышенных давлениях. Сортамент автоматной стали предусматривает изготовление сортового проката в виде прутков круглого, квадратного и шестигранного сечений. Эти стали не применяют для изготовления сварных конструкций.

Котельные стали. Стали листовые для котлов и сосудов, работающих под давлением, применяют для изготовления паровых котлов, судовых топок, камер горения газовых турбин и других деталей. Они должны работать при переменных давлениях и температуре до 450"С. Кроме того, котельная сталь должна хорошо свариваться. Для получения таких свойств в углеродистую сталь вводят технологическую добавку (титан) и дополнительно раскисляют ее алюминием. Выпускают следующие марки углеродистой котельной стали 12К, 15К, 16К, 18K.20K.22Kc содержанием в них углерода от 0,08 до 0,28%. Эти стали поставляют в виде листов с толщиной до 200 мм и поковок в состоянии после нормализации и отпуска.

Примеры обозначения и расшифровка автоматных сталей :

АС12ХН - сталь автоматная легированная, низкоуглеродистая, содержащая 0,12 % углерода, 1% хрома и никеля.

Инструментальные углеродистые стали

Обозначение и маркировка инструментальных углеродистых сталей

Инструментальный углеродистые стали маркируют в соответствии с ГОСТ 1435-90.

Инструментальные углеродистые стали выпускают следующих марок: У7.У8ГА.У8Г, У9, У 10, У 11, У 12 и У 13. Цифры указывают на содержание углерода в десятых долях процента. Буква Г после цифры означает, что сталь имеет повышенное содержание марганца. Марка инструментальной углеродистой стали высокого качества имеет букву А.

Примеры обозначения и расшифровки

У12 - сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 1,2% углерода, качественная.

У8ГА - сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,8% углерода, 1% марганца, высококачественная

У9А - сталь инструментальная, высокоуглеродистая, содержащая 0,9% углерода, высококачественная.

Легированные стали

Легированной называют сталь со специально введенным одним или более легирующим элементом.

Обозначение и маркировка легированных сталей

Легированные стали маркируются комбинацией цифр и заглавных букв алфавита. В обозначении нет слова «сталь» или символа «Ст». Например, 40Х, 38ХМ10А, 20Х13. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента. Следующие буквы являются сокращенным обозначением элемента. Цифры, стоящие после букв, обозначают содержание этого элемента в целых процентах. Если за буквой не стоит цифра, значит содержание этого элемента до 1%.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Бескремнистый способ раскисления стали основан на высказанных проф. Активные примеси ( к которым относятся водород и крем-некислородные соединения типа SiO) влияют на состояние границ зерен в процессе формирования структуры. Такая технология применительно к стали марок 17ГС, 17Г1С, выплавляемой в мартеновских печах большой мощности, была разработана сотрудниками Череповецкого металлургического завода и проф. [1]

Большую роль играет способ раскисления стали . Кипящая сталь, раскисленная только ферромарганцем, или спокойная сталь, раскисленная ферромарганцем и ферросилицием, получаются наследственно крупнозернистыми. Спокойная сталь, дополнительно раскисленная алюминием, становится наследственно мелкозернистой. Алюминий добавляют в количестве - 0 5 кг на 1 т стали. Алюминий растворяется в жидкой стали и образует с растворенным в ней азотом нитриды. Они также растворяются в стали, но при охлаждении после перехода в твердое состояние растворимость их быстро уменьшается. Нитриды выпадают в виде очень мелких включений по границам зерен и препятствуют их росту. Когда температура возрастает настолько, что нитриды опять могут раствориться в аустените, искусственные барьеры между зернами исчезают, и они начинают быстро расти. Аналогично могут влиять на рост зерна мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. [2]

Большую роль играет способ раскисления стали . Кипящая сталь, раскисленная только ферромарганцем, или спокойная сталь, раскисленная ферромарганцем и ферросилицием, получаются наследственно крупнозернистыми. Спокойная сталь, дополнительно раскисленная алюминием, становится наследственно мелкозернистой. Алюминий добавляют в количестве - 0 5 кг на I т стали. Алюминий растворяется в жидкой стали и образует с растворенным в ней азотом нитриды. Они также растворяются в стали, но при охлаждении после перехода в твердое состояние растворимость их быстро уменьшается. Нитриды выпадают в виде очень мелких включений по границам зерен и препятствуют их росту. Когда температура возрастает настолько, что нитриды опять могут раствориться в аустените, искусственные барьеры между зернами исчезают, и они начинают быстро расти. Аналогично могут влиять на рост зерна мелкодисперсные карбиды легирующих элементов. [4]

Строение слитка зависит от способа раскисления стали , температуры разливки, линейной скорости разливки, температуры стенок изложницы и их толщины, химического состава стали и ряда других факторов. [5]

По характеру ведения процесса и способу раскисления стали делят на спокойные, полуспокойные, кипящие. [6]

В частности, важную роль играет способ раскисления стали , которым определяется получение кипящей, полуспокойной или спокойной стали. При изготовлении кипящей стали окислы железа и марганца раскисляют углеродом стали, а не специально вводимыми сильными раскис-лителями. При изготовлении кипящей стали ее разливают в изложницы до того, как произошло полное раскисление, которое продолжается в изложнице и сопровождается выделением газов, что создает картину кипения. Кипящая сталь характеризуется наличием значительного количества газовых пузырей в слитке, которые при прокатке завариваются. Кипящая сталь обладает большей склонностью к старению и имеет низкую жаропрочность. [7]

В частности, важную роль играет способ раскисления стали , которым определяется получение кипящей полуспокойной или спокойной стали. При изготовлении кипящей стали окислы железа и марганца раскисляют углеродом стали, а не специально вводимыми сильными раскис-лителями. При изготовлении кипящей стали ее разливают в изложницы до того, как произошло лолное раскисление, которое продолжается в изложнице и сопровождается выделением газов, что создает картину кипения. Кипящая сталь характеризуется наличием значительного количества газовых пузырей в слитке, которые при прокатке завариваются. Кипящая сталь обладает большей склонностью к старению и имеет низкую жаропрочность. [8]

Термины кипящая и спокойная укачивают на технологию плавки и способ раскисления стали . Кипящая сталь раскисляется только ферромарганцем, для раскисления спокойной стали применяются марганец, кремний и часто алюминий. [9]

Второй способ предусматривает в начале марки заглавную букву, характеризующую способ раскисления стали ( U - кипящая, R - спокойная или полуспокойная, RR - сталь, успокоенная по спецтехнологии), затем следуют буквы St, далее двухзначное ( МПа / 10) или трехзначное ( МПа) число, характеризующее минимальное временное сопротивление разрыву ( предел прочности), и число, указывающее номер группы качества. Существуют три группы качества, причем третья имеет наиболее низкое содержание фосфора и серы. Между номером группы качества и цифрами, характеризующими временное сопротивление разрыву, ставится дефис. [10]

Один из основных факторов, влияющих на скорость графитизации, - способ раскисления стали . Если сталь раскислена алюминием в количестве не более 250 г / т, она оказывается стойкой против графитизации. При более высоком расходе алюминия в процессе раскисления склонность стали к графитизации усиливается. [11]

Скорость роста аустенитных зерен при перегреве выше температур Лез и Асст неодинакова у разных сталей; она в большой мере зависит от способа раскисления стали и от наличия некоторых легирующих элементов. [12]

Полосы из полуспокойных сталей обладают промежуточными свойствами по отношению к свойствам полос из кипящих и спокойных сталей. Однородность листов из целого слитка полуспокойной стали зависит от способа раскисления стали . Листы из полуспокойных сталей для глубокой вытяжки пригодны прежде всего для изготовления небольших штамповок. [13]

Сопоставление выносливости сварных соединений низколегированных сталей 14Г2, 19Г, 18ГФпс, 15ГС, 15Г2С, 14ХГС, 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С, 10Г2СД, 10Г2С1, 14ХМНДФР и 15ХГ2СМФР показало, что химический состав и механические свойства сталей практически не оказывают влияния на сопротивление усталости соединений в исходном состоянии. Выносливость не меняется и в тех случаях, когда стали проходят термическое упрочнение или же рафинирование синтетическими шлаками. Способ раскисления стали также не оказывает заметного влияния на выносливость соединений. [15]

Все о раскислении стали

Раскисление металла сводится к удалению кислорода из жидкого металла. Кислород может присутствовать в виде оксидов. А удаляется он специальными раскислителями или восстановителями, то есть веществами, которые способны связываться с кислородом. Эта процедура считается частью рафинирования металлов.

Что это такое?

От раскисления сталей зависит и их качество. Раскисление стали – процесс по снижению уровня кислорода в ней до показателя, который полностью исключает окислительные реакции в слитке. В процессе будут образовываться жидкие, твердые либо газообразные продукты, которые надо удалить, пока слиток не затвердеет. Именно они понижают качество стали, влияют на возможности материала. Сплав раскисляют строго дозированными добавками. Это ферросилиций, алюминий, ферромарганец, также кремний и титан. Обычно эти компоненты применяются в осаждающем методе раскисления.

Куда реже убрать кислород решают способом диффузного вмешательства, вакуумного либо электрошлакового раскисления. После таких манипуляций применяться будет большая усадочная раковина, то есть цена спокойной стали возрастет. Но усадочную раковину не используют, а отрезают от основной части, потому что она считается дефектом разливки сплава. И слиток потеряет до 16% всей массы.

Алгоритм раскисления предполагает несколько этапов: растворение раскислителей в жидком металле, процессы с участием раскислителя и кислорода, а также формирование зародышей, и выпуск продуктов раскисления.

Классификация сталей по степени раскисления

Всего существует 3 степени сталераскисления. Чтобы получить эталон выплавки слитка, кипение регулируется, либо предотвращается вовсе. И если регулируется, сталь будут называть кипящей, если останавливается – спокойной. Но так как стали подразделяются все же на 3 вида, есть еще промежуточный – полуспокойные.

Спокойные

В английском языке такой вид называется совсем иначе, чем в русском, – killed steel. Тем не менее это одна и та же сталь. У спокойного вида фактически не происходит газовыделения при отвердевании слитка после разливки. И это является итогом полного сталераскисления: из стали целиком удаляется кислород, образуется усадочная раковина вверху слитка. Потом эту часть отрезают, и отдают в лом.

Все виды легированных сталей, большая часть низколегированных сталей и многие виды углеродистых наименований используют именно в виде спокойной стали. Если говорить о непрерывной разливке, сталь также подвергают «успокоению». У этого материала гомогенная структура, химический состав ее распределен равномерно, свойства также равны. А получение данного вида требует раскисления алюминием, ферромарганцевыми сплавами, а также кремнистыми.

Бывает, применяется силицид кальция или некие иные раскислители тех же свойств. Такая степень раскисления, например, у стали 20.

Кипящие

Для такого вида, наоборот, характерен высокий уровень выделения газов во время затвердевания материала. Химический состав стали будет различаться по поперечному сечению, а также между верхней и нижней частями слитка. Как итог, в наружной слиточной оболочке формируется условно чистое железо, и сердцевина слитка имеет высокую концентрацию примесных и легирующих составляющих. В частности, это углерод, фосфор, сера и азот, имеющие низкую температуру плавления.

Наружная часть слитка получается почище, потому ее используют при прокатке. В целом же слитки из данного вида стали отлично подходят для изготовления таких ходовых изделий, как плиты, трубы, проволока. Что же до производственной технологии, так она предполагает максимум марганца и углерода. В этой стали, к слову, нет большого количества очевидных раскислителей (титана, кремния, также алюминия). И кипящая сталь существенно дешевле других вариаций в этой классификации. Верхнюю часть слитка не отправляют в лом, и раскислители используют не активно.

Полуспокойные

Выделение газов в данном случае будет подавляться не полностью, ведь стали раскисляются только частично. То есть больше, чем в спокойных газах, но значительно меньше, чем в кипящих. Это промежуточный вариант. До того момента, как газы начнут выделяться, в слитке сформируется корковый слой, довольно толстый. Если сталь полураскислена грамотно, усадочной раковины не будет. Правда, будут пузыри, широко рассеянные по толще в центре верхушки слитка. Но эти пузыри все равно заварятся при прокатке слитка.

Использование полуспокойные стали находят, как правило, в сортовом прокате, изготовлении труб и штрипса. Главное, что их отличает, – довольно неоднородный химсостав, что-то между спокойной и кипящей сталью (что и логично).

А еще отличаются они меньшей сегрегацией химэлементов по сравнению со спокойным видом. А также обязательно нужно отметить, что в верхней части слитка отслеживается тенденция к положительной химической сегрегации.

Есть еще один тип стали, которая раскислена, она называется закупоренная. Очень похожа на кипящую сталь, но по степени подавления продукции газов она будет посреди кипящей и полуспокойной. На производство таких слитков идет меньше раскислителей, чем для тех же полуспокойных. А значит, есть маневр для формирования наружного слоя слитка при затвердевании. Если стальные слитки закупоривают механически, применяются очень тяжелые чугунные крышки (сверху они герметизируют изложницу, тормозя образование наружной оболочки).

Основные способы

Главным способом по праву считается глубинное раскисление. Другое его название – осаждающее. Его используют при выплавке стали во всех агрегатах плавления стали и проводят присадкой в металл элементов, что связывают кислород в прочные окислы, потому и название такое – глубинное. Включения окислов удаляются полноценно либо относительно полноценно в ходе осаждения. То есть они всплывают, или их выносит металлопотоками и трансформацией в шлак, либо на межфазные твердые поверхности.

Другой способ раскисления – диффузионный. Он осуществляется за счет диффузий, в которых участвуют металл и шлак, что содержит менее 1% оксида железа. Этот шлак – вполне себе восстановитель относительно металла, и он способен понизить в последнем кислородный показатель. Наконец, еще один способ сводится к вакуумной обработке стали. И зависит он от того, что в вакууме равновесное с углеродом включение кислорода снижается.

Рост зерна аустенита. Мелкозернистые и крупнозернистые стали

Первые зерна образуются на границе между ферритом и цементитом - структурными составляющими перлита. В 1 см 2 площадь граница между ферритом и цементитом составляет несколько м 2 , из-за чего превращение начинается с образования множества зерен и образуется большое число малых зерен аустенита. Размер этих зерен характеризует так называемую величину начального зерна аустенита. Дальнейший нагрев (или выдержка) по окончании превращения вызывает рост аустенитных зерен. Рост зерна - самопроизвольный процесс. Различают два типа сталей: наследственно мелкозернистую и наследственно крупнозернистую; первая характеризуется малой скоростью к росту зерна, вторая повышенной склонностью.

Рис. 36. Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

Переход через критическую точку А₁ сопровождается резким уменьшением зерна. При дальнейшем нагреве зерно из мелкозернистой стали не растет до 950-1000 о С, после чего устраняются факторы, препятствующие росту, и зерно начинает быстро расти. У крупно зернистой стали рост начинается после перехода через критическую точку.

Размеры перлитных зерен тем больше, чем крупнее зерна аустенита. Последующие охлаждение не измельчает размер зерен.

Различают три типа зерна стали: начальное зерно, размер зерна аустенита в момент окончания перлито-аустенитного превращения; наследственное зерно (природное) зерно - склонность аустенитных зерен к росту; действительное зерно - размер зерна аустенита в данных конкретных условиях.

Сталь раскисленная только ферромарганцем (кипящая сталь) или ферромарганцем и ферросилицием наследственно крупнозернистая сталь, а сталь, дополнительно раскисленная алюминием - мелкозернистая. Природу мелкозернистости объясняет теория барьеров. Алюминий, введенный в жидкую сталь незадолго до ее разливки по изложницах, образует с растворенными в жидкой стали азотом и кислородом частицы нитридов и оксидов (AlN, Al₂O₃). Эти соединения растворяются в жидком металле, а после кристаллизации выделяются в виде мельчайших частиц на поверхности зерен, препятствую их росту за счет движения границ.

Понятия о превращениях в переохлажденном аустените (перлитное, бейнитное, мартенситное). Метастабильные структуры.

Распад аустенита при охлаждении стали сопровождается двумя процессами: снижение температуры (увеличение переохлаждения), с одной стороны, увеличивает разность свободных энергий аустенита и перлита, что ускоряет превращение, а с другой стороны, уменьшает скорость диффузии углерода D, а это замедляет превращение. При высокой скорости охлаждения становится возможным бездиффузионное превращение аустенита в ферритоподобную структуру с содержанием углерода наследуемым из аустенита. Такое превращение получило название мартенсита. Протекает в металлических сплавах с полиморфными превращениями. На рис. 37. показана кристаллическая ячейка мартенсита. Мартенсит это пересыщенный твердый раствор углерода в ?- железе. Решетка мартенсита тетрагональная. Увеличение содержания углерода увеличивает тетрагональность, степень искажения решетки и твердость мартенсита. Последний имеет пластинчатое строение, однако при исследовании шлифов они воспринимаются как иглы из-за высокой дисперсности строения. Мартенситное превращение носит сдвиговой характер.

Рис. 37. Ячейка мартенсита

Рис. 38. Кинетическая кривая превращения перлита в аустенит

Рис. 39. Кинетические кривые превращения аустенита в перлит при различных температурах

Процесс образования перлита - это процесс зарождения центров перлита и роста перлитных кристаллов. Для этого нужны надлежащие физические условия: Процесс происходит во времени и может быть изображен в виде так называемой кинетической кривой превращения, показывающей количество образовавшегося перлита за время превращения. Рис. 38. Точка а на кривой показывает момент, когда обнаруживается начало превращения, а точка b - завершение превращения. На положение кривых оказывает влияние степени переохлаждения. Рис. 39. При высокой температуре t1 (малая степень переохлаждения) превращение развивается медленно и продолжительность инкубационного периода и время превращения сокращаются. Максимум скорости превращения соответствует температуре t4, дальнейшие снижение температуры приведет уже к уменьшению скорости превращения. Кинетические кривые превращения аустенита в перлит полученные для разных температур используются для построения диаграмм изотермического превращения аустенита.

Микроскопическое исследование структуры углеродистых сталей

Изучить микроструктуру углеродистых сталей в равновесном состоянии. Научиться определять массовую долю углерода в стали и марку стали по ее микроструктуре. Освоить маркировку углеродистых сталей.

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

Металлографический микроскоп, набор микрошлифов углеродистых сталей в равновесном состоянии с различной массовой долей углерода.

Компоненты и фазы в углеродистых сталях в равновесном состоянии.

К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %.

Основными компонентами углеродистых сталей являются железо и углерод.

Железо является полиморфным металлом, имеющим разные кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При температурах ниже 910 °С, железо существует в α -модификации, кристаллическое строение которой представляет собой объемно-центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация железа называется α -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392 °С существует γ -железо с гранецентрированной кубической решеткой.

Углерод является неметаллическим элементом, обладающим полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).

Рис. 3.9. Фрагмент диаграммы состояния «железо-цементит»:а) фазовая; б) структурная.

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при нормальной температуре менее 0,006 % углерода. У феррита низкие твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе, при нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии не существует.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид железа Fе₃C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит 6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень низкая пластичность.

Согласно фазовой диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,а) углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз: феррита и цементита. Одному проценту углерода соответствует 15 процентов цементита. Исходя из этого массовая доля цементитной фазы находится умножением массовой доли углерода, содержащегося в стали, на 15. Поскольку в феррите содержится очень малая доля процента углерода, то практически весь углерод, имеющийся в стали, входит в состав цементита. Поэтому увеличение массовой доли углерода в стали ведет к увеличению массовой доли цементитной фазы, что приводит к повышению твердости и прочности, понижению пластичности и ударной вязкости.

Фазы в углеродистых сталях определенным образом располагаются в их объемах, образуя в зависимости от массовой доли углерода, ту или иную структуру. Равновесные структуры углеродистых сталей указываются на структурной диаграмме «железо – цементит» (рис. 3.9,б).

ВЛИЯНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ

По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.

Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру (рис. 3.10, б) – эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной основе. В литой, горячекатанной и кованой стали присутствует пластинчатый перлит, состоящий из пластинок феррита и цементита. В отожженной стали присутствует зернистый перлит, где цементит находится в форме зернышек. На рис. 3.10,б схематически изображено пластинчатое строение перлита, в котором темные полосы представляют тени на светлом фоне феррита от выступающих после травления шлифа цементитных частиц. При микроскопическом исследовании для случая большой степени дисперсности цементитных частиц или малых увеличений микроскопа двухфазное строение перлита может не выявляться. В таких случаях перлит выявляется и виде сплошного темного фона.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8 % С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3.10,а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Количественное соотношение этих структурных составляющих зависит от массовой доли углерода в стали. Поскольку феррит содержит очень мало углерода (менее 0,006 %), то основным носителем углерода в доэвтектоидной стали является перлит, характеризующийся постоянной массовой долей углерода (0,8 %). Поэтому с увеличением в стали массовой доли углерода доля перлита в структуре увеличивается, а феррита соответственно уменьшается. Изменение структуры влечет за собой изменения механических свойств. Направление этих изменений можно определить на основе сопоставления свойств структурных составляющих. Перлит содержит 88 % ферритной фазы и 12 % цементитной и поэтому, по сравнению с ферритной структурной составляющей, обладает большей твердостью и прочностью. Следовательно, с увеличением массовой доли углерода в доэвтектоидной стали увеличивается доля перлита в ее структуре, что приводит к увеличению твердости и прочности и уменьшению пластичности и ударной вязкости.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 3.10, в).

Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали.

Рис. 3.10. Микроструктура углеродистых сталей: а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной(слева – схематическое изображение).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ УГЛЕРОДА В СТАЛИ И МАРКИ СТАЛИ ПО ЕЕ СТРУКТУРЕ

Возможность определения массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

где Fn – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (3.6), можно определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мn и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мn и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке углеродистой стали соответствуют регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода.

МАРКИРОВКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 3.3). Если после марки стоят буквы «кп» - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если «сп» – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если «пс» – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавсредств всех типов.

2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента. Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %. Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы п т.и.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после термической обработки хорошим комплексом механических свойств, применяются для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).

Высокоуглеродистые стали (55, 60) обладают более высокий прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3. Стали углеродистые инструментальные качественные и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3.4). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква «А», это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.

1. Название работы.

3. Фазовая и структурная диаграммы Fe–Fe₃С (рис. 3.9).

4. Расчет массовой доли углерода доэвтектоидной стали.

5. Схемы микроструктур углеродистых сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, с указанием марки стали, ее химического состава и механических свойств, назначения стали.

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94

Марка стали	Массовая доля элементов, %
C	Mn	Si
Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст3пс Ст4сп Ст5сп Ст6пс	< 0,23 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,09 – 0,15 0,14 – 0,22 0,18 – 0,27 0,28 – 0,37 0,38 – 0,49	– 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,30 – 0,65 0,40 – 0,70 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80	– < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 0,15 – 0,30 0,05 – 0,15

Химический состав углеродистых инструментальныхкачественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Маркистали	Массовая доля элементов, %
C	Si	Mn	S	P
Не более
У7; У7А	0,65 – 0,74	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У8; У8А	0,75 – 0,84	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У9; У9А	0,85 – 0,94	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У10;У10А	0,95 – 1,04	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У11;У11А	1,05 – 1,14	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У12;У12А	1,15 – 1,24	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025
У13;У13А	1,25 – 1,35	0,17 – 0,33	0,17 – 0,33	0,028; 0.018	0,030; 0,025

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

Что такое сталь?

Компоненты углеродистых сталей.

Дать определение фаз углеродистых сталей (феррита, цементита, аустенита).

Охарактеризовать механические свойства феррита и цементита.

Влияние массовой доли углерода на количественное соотношение фаз и механические свойства стали.

Что такое перлит?

Структурные составляющие углеродистых сталей и особенности их механических свойств.

Читайте также: