Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей. Свойства углеродной стали

38. Влияние углерода на свойства углеродистых сталей.

 С ростом содержания углерода в структуре стали увелич. кол-во цементита, при одноврем. сниж. доли феррита. Измен. соотнош. между составляющими привод. к уменьш. пластичности, а также к повыш. прочн. и твердости. Прочность повыш. до содержания углерода около 1%, а затем она уменьш., т.к. образ. грубая сетка цементита вторичного. Углерод влияет на вязкие свойства. Увелич. содержания углерода повыш. порог хладоломкости и сниж. уд. вязкость. Повыш. электросопротивл. и коэрцитивная сила, сниж. магнитн. проницаемость и плотн. магнитн. индукции.

Углерод оказ. влиян. и на технологич. св-ва. Повыш. содержания углерода ухудшает литейн. св-ва стали (использ. стали с содерж. углерода до 0,4 %), обрабатываем. давлением и резанием, свариваемость.

39. Влияние постоянных примесей на свойства углеродистых сталей.

1. Постоян. примеси: кремний, марганец, сера, фосфор. Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они явл. технологич. примесями. Содерж. марганца не превыш. 0,5…0,8 %. Повыш. прочность, не снижая пластичности, и резко сниж. красноломкость стали, вызван. влиянием серы. Содержание кремния не превыш. 0,35…0,4 %. Дегазируя металл, повышает плотн. слитка. Кремний раствор. в феррите и повыш. прочность стали, особенно повыш. предел текучести, . Но наблюдается некот. сниж. пластичности, что сниж. способн. стали к вытяжке. Содерж. фосфора в стали 0,025…0,045 %. Растворяясь в феррите, искажает кристаллич. реш. и увелич. предел прочности и предел текучести , но сниж. пластичн. и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увелич. темпер. перехода в хрупкое состояние, вызыв. хладоломкость, уменьш. работу распространения трещин, резанием.

Сера S – уменьш. пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Снижает механич. свойства, особенно уд. вязкость аи пластичность (и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. 2. . Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

3.  Спец. примеси – специально вводятся в сталь для получ. заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

40. Углеродист. И легиров. Стали: стали углеродистые обыкнов. Качества, качеств. Углеродистые стали, углеродист. Стали спец.Назнач.

Углеродист. стали подраздел. на три осн. гр.: стали угле­родист. обыкновен. кач-ва, качеств. углеродист. стали и уг­леродист. стали спец. назнач. (автоматную, котельную и др.).

Стали углеродист. обыкновен. качества. Эти наиболее шир. распростр. стали поставляют в виде проката в нормализован. состоянии и примен. в машиностроении, строи-ве и в др. отраслях.

Углеродист.стали обыкновен. качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры—это усл. номер марки. Чем больше число, тем больше содерж. углерода, выше прочн. и ниже пластичн.

В зав. от назнач. и гарантируемых св-в углеродистые стали обыкновен. качества поставляют трех групп: А, Б, В. Индексы, стоящие справа от номера марки, означают: кп—кипящая, пс— полуспокойная, сп — спокойная сталь. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означ. повышен. содерж. марганца. В обозначениях марок слева от букв Ст указаны группы (Б и В) стали.

Стали углеродист. качествен. конструкционные. От сталей обык­новен. качества они отлич. меньшим содерж. серы, фос­фора и др. вредных примесей, более узкими пределами содерж. углерода в кажд. марке и больш-ве случаев более высоким содер­ж. кремния (Si) и марганца (Мn ).

Сталь маркируют двузначн. числами, кот. обознач. содер­ж. углерода в сотых долях процента, и поставл. с гарантирован. показателями химич. состава и механич. свойств.

Стали углеродист. спец. назначения. Сста­ли с хорошей и повышен. обрабатываемостью резанием (автоматные стали). Они предназнач. в осн. для изготовл. деталей массо­в. прои-ва. При обработке таких сталей на станках-автоматах об­раз. короткая и мелкая стружка, сниж. расход режущего инст­румента и уменьш. шероховатость обработан. поверхностей.

studfiles.net

Влияние углерода на свойства стали

Углеродистые стали

Примерно 80 % от всего объема выплавляемой стали составляют углеродистые стали. Оставшиеся 20 % – это стали легированные, в которые специально добавлены различные компоненты для повышения каких-либо эксплуатационных характеристик. Углеродистые стали содержат только железо, углерод и небольшую долю компонентов, неизбежно попадающих в сталь при выплавке: кремний, марганец, серу и фосфор.

Итак, углеродистые стали – это сплавы на основе железа, содержащие до 2 % углерода, а также марганец, кремний, серу и фосфор в количествах, зависящих от способа выплавки.

Влияние углерода на свойства стали

Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, создающий 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. 67).

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 20º. Это значит, что уже сталь с 0,4 % С переходит в хрупкое состояние примерно при 0 ºС, 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.

Влияние постоянных примесей на свойства стали

Полезные примеси, марганец и кремний, попадают в сталь из исходного материала – чугуна, а также при раскислении.

Марганец, содержащийся в углеродистой стали в количестве 0,3-0,8 %, повышает предел прочности, немного снижает вязкость. Он связывает серу в сульфид MnS, в этом его главная польза.

Содержание кремния в углеродистой стали не должно превышать 0,4 %. Он растворяется в феррите по типу внедрения, поэтому значительно повышает предел текучести. При этом ухудшается штампуемость стали: листовая сталь может давать надрывы при глубокой вытяжке. Сталь, предназначенную для получения деталей холодной листовой штамповкой, кремнием (ферросилицием) не раскисляют.

Сера – вредная примесь. Она вызывает красноломкость стали: хрупкость при горячей обработке давлением. В сталь попадает, в основном, из доменного топлива – кокса. Сера с железом образует сульфид FeS, а FeS с железом образует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 ºС. Под ковку и прокатку стальные слитки нагревают до 1200 ºС. Поэтому границы зерен могут оплавиться, и металл разрушится.

Марганец активнее железа взаимодействует с серой и связывает ее в сульфид MnS, который эвтектики не образует. Но сульфиды, как любые неметаллические включения, являются концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость. Поэтому содержание серы в стали должно быть ограничено.

Фосфор, напротив, вызывает хладноломкость стали, сдвигая порог хладноломкости в область более высоких температур. Каждая сотая доля процента фосфора повышает t50 примерно на 25º! Это значит, что фосфор еще опаснее, чем сера. Его содержание еще более ограничено. Для снижения содержания фосфора в стали нужно повышать качество шихты, применять флюсы, удаляющие фосфор.

При выплавке в сталь попадают газы (азот, кислород, водород). Это тоже вредные примеси. Они снижают пластичность, увеличивают склонность к хрупкому разрушению. Оксиды являются местами зарождения трещин. Азот делает сталь непригодной для холодной штамповки. Водород вызывает охрупчивание закаленной стали. Он восстанавливает металлы из оксидов с образованием воды, а вода испаряется при нагреве и вызывает внутренние надрывы в металле – флокены. Содержание газов в стали ограничивается тысячными долями процента.

Классификация углеродистых сталей

Стали можно подразделять на группы по различным классификационным признакам.

1. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. В свою очередь, углеродистые стали можно подразделить на низкоуглеродистые (до 0,3 % С), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,6 % С) и высокоуглеродистые (свыше 0,6 % С).

2. По структуре стали классифицируют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные, о чем уже говорилось при рассмотрении диаграммы железо – углерод.

3. По назначению можно выделить много различных групп. Основные группы – это строительные стали, конструкционные стали, инструментальные стали. В свою очередь, конструкционные стали делятся на цементуемые стали, улучшаемые стали, рессорно-пружинные стали и т. д.

4. По степени раскисления стали подразделяются на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскислением называют последний этап выплавки стали, когда в расплав добавляют более активные, чем железо, металлы с целью отнять у железа кислород, восстановить его из оксида FeO. Марганец и кремний вводятся в жидкую сталь в виде ферросплавов – ферромарганца и ферросилиция, алюминий – в виде металла технической чистоты. Недостаточно раскисленная сталь в изложнице «кипит»: из нее выделяются пузырьки CO, так как идет процесс восстановления железа углеродом, поэтому ее называют кипящей.

Спокойная сталь – это хорошо раскисленная сталь. При выплавке в конце процесса осуществляется последовательно раскисление ее марганцем, кремнием и алюминием.

Полуспокойная сталь раскисляется только марганцем и алюминием. Поэтому из нее в меньшей степени удален кислород.

Кипящая сталь – это плохо раскисленная сталь. Раскисление в этом случае осуществляется только марганцем. В стали к моменту разливки остается кислород, образующий с углеродом газообразный оксид CO. Пузырьки CO поднимаются в жидкой стали к поверхности, создавая видимость «кипения» расплава в изложнице. Они сохраняются в слитке стали при кристаллизации, ухудшая механические свойства.

5. Классификация сталей по качеству лежит в основе маркировки углеродистых сталей. Качество стали – это металлургическое понятие. Оно определяется содержанием вредных примесей: серы, фосфора и газов. Чем этих примесей меньше, тем качество стали выше. Дальнейшая обработка, механическая или термическая, не способна изменить качество стали, сложившееся в процессе выплавки. Выделяют четыре группы сталей:

Стали обыкновен - Качественные Высококачест- Особо высокока-

ного качества стали венные стали чественные стали

ГОСТ 380-94 ГОСТ 1050-88

≤ 0,05 % S ≤ 0,04 % S ≤ 0,025 % S и P ≤ 0,015 % S и P

≤ 0,04 % P ≤ 0,035 % P

Маркировка углеродистых сталей

Стали обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6 и Ст3Г, Ст5Г с повышенным содержанием марганца. Буквы Ст обозначают «сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки увеличивается содержание углерода и марганца в стали. Например, в стали марки Ст1 содержится 0,06-0,12 % С и 0,25-0,5 % Mn; в стали марки Ст6 – 0,38-0,49 % С и 0,5-0,8 % Mn. Стали Ст3Г и Ст5Г содержат около 1 % Mn. Чем больше номер марки, тем выше прочностные свойства и ниже пластичность стали. Например, сталь марки Ст1 имеет sв = 320-400 МПа и d > 33 %, а сталь марки Cт6 – sв = 600-720 МПа и d = 11–16 %.

В конце марки ставятся буквы «кп», «пс» или «сп», показывающие степень раскисления стали при выплавке. Они означают соответственно «кипящая», «полуспокойная» и «спокойная». Например, Ст3кп, Ст4пс, Ст5Гсп.

Содержание кремния в стали определяется степенью раскисления. Кипящая сталь почти не содержит кремния (не более 0,05 %). В полуспокойной стали доля кремния составляет 0,05-0,15 %, в спокойной – 0,15-0,3 %.

Степень раскисления сказывается на свойствах стали и ее стоимости. Кипящие стали самые дешевые, но у спокойных более высокие механические свойства, меньшая склонность к хладноломкости. Зато кипящие стали можно использовать для получения деталей листовой штамповкой с глубокой вытяжкой. У спокойных сталей с повышенным содержанием кремния сопротивление деформированию возрастает, сталь сильно упрочняется, и возможно появление надрывов при штамповке.

Стали обыкновенного качества поставляются в горячекатаном состоянии. Их структура и свойства заданы при получении изделий на металлургическом заводе. Поэтому при изготовлении деталей на предприятиях-потребителях металла без применения горячей обработки механические свойства стали будут соответствовать гарантированному ГОСТом для данной марки уровню.

Если из этих сталей получают изделия с применением горячей обработки (ковки, штамповки), то структура и, следовательно, свойства стали меняются. Для улучшения структуры и свойств после изготовления изделия горячей обработкой давлением может проводиться термическая обработка – отжиг или нормализация.

Металлургические заводы выпускают стали обыкновенного качества в виде проката самого различного профиля и размеров. Это могут быть прутки круглого, квадратного, шестигранного сечения; уголки, швеллеры, листы, трубы, балки и т. д.

Стали обыкновенного качества, особенно стали марок Ст2, Ст3, применяются для изготовления сварных конструкций (фермы, рамы).

В сельскохозяйственном машиностроении из сталей Ст3, Ст4 делают валики, оси, рычаги, получаемые холодной штамповкой, цементируемые шестерни, червяки, поршневые кольца.

Среднеуглеродистые стали Ст5 и Ст6 применяют для более нагруженных изделий: рельсов, валов, железнодорожных колес.

Качественные стали. Гарантируется и химический состав, и механические свойства. Поставляются в виде проката и нормализованных поковок.

Марки конструкционных качественных сталей обозначаются содержанием углерода в сотых долях процента:

05, 08, 10, 15, 20, … 45, 50, … 85.

В марках спокойных качественных сталей степень раскисления не указывается. Кипящими (почти не содержащими кремния) могут быть стали марок 05, 08, 10, 15, 20; полуспокойными (около 0,17 % Si) – стали 08, 10, 15, 20.

Примеры марок качественных сталей: 35, 70, 08кп, 10пс.

Назначение конструкционных качественных сталей:

Стали марок 05, 08, 10 – для получения деталей из листа глубокой вытяжкой.

Стали 15, 20, 25 – для изготовления мелких деталей, работающих в нормализованном состоянии (крепеж, втулки, трубы, змеевики), а также для цементуемых деталей (кулачки, малонагруженные шестерни).

Стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 – улучшаемые стали. Они упрочняются закалкой с высоким отпуском. Детали работают в условиях усталостного износа (шатуны, оси, маховики, зубчатые колеса, коленчатые валы).

Стали марок 50, 55и 60 могут подвергаться нормализации и поверхностной закалке ТВЧ. Так упрочняют шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерен, длинные валы и ходовые винты.

Стали 60-85 и близкие к углеродистым стали 60Г, 65Г, 70Г применяют в качестве рессорно-пружинных.

Марки инструментальных качественных сталей обозначаются буквой «У» и содержанием углерода в десятых долях процента:

У7, У8, У9, … У14.

Высококачественные стали содержат пониженное количество вредных примесей, благодаря чему менее склонны к хрупкому разрушению, более надежны при эксплуатации. Обозначение марок такое же, как и у качественных сталей, но в конце марки ставится буква «А»: 45А, У10А.

Особо высококачественные стали содержат еще меньше вредных примесей и неметаллических включений. Этого можно добиться только за счет двойного переплава. Способ переплава указывается в конце марки через дефис: «-Ш» – электрошлаковый, «-ВД» – вакуумно-дуговой, «-ШД» – электрошлаковый и вакуумно-дуговой и т. п. Именно это обозначение говорит об особо высоком качестве стали. Но углеродистые стали с таким уровнем качества не выплавляют, так как это делает сталь неоправданно дорогой. Только легированные стали для особо ответственных назначений подвергают двойному переплаву:

30ХГС-Ш, 5ХНТ-ВД, ШХ15-Ш.

Лекция 11

Чугуны

Чугуны – это сплавы на основе железа, содержащие от 2 до 5 % углерода, а также марганец, кремний и вредные примеси. Это литейный и передельный материал.

Допустимые количества полезных и вредных примесей в чугунах примерно в 5-10 раз больше, чем в сталях.

В зависимости от того, в какой форме содержится углерод, различают следующие виды чугунов: белые, в которых весь углерод связан в карбид железа Fe3C (рис. 68, а), серые с пластинчатым графитом (рис. 68, б), ковкие – с хлопьевидным графитом (рис. 68, в) и высокопрочные – с шаровидным графитом (рис. 68, г).

Рис. 68. Виды чугунов:

а – белый заэвтектический; б – серый; в – ковкий; г – высокопрочный

(б, в, г – структура металлической основы не показана)

Белые чугуны

Белые чугуны содержат углерод только в связанном виде – в виде цементита. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические, эвтектические и заэвтектические. В структуру любого белого чугуна входит эвтектика – ледебурит. В момент образования он состоит из аустенита и цементита, а при температуре ниже 727 ºC – из перлита и цементита.

Излом белого чугуна светлый, блестящий – «белый», отсюда и название. Твердость составляет 450-500 HB, материал очень хрупкий и твердый. Резанием (лезвийным инструментом) не обрабатывается, для изготовления деталей не используется.

Применяют отбеленные чугунные детали, у которых сердцевина имеет структуру серого чугуна, а с поверхности есть слой белого чугуна толщиной 5-7 мм. Так можно изготавливать прокатные валки, тормозные колодки, шары мельниц для размола горных пород, лемехи плугов, зубья ковшей экскаваторов, доски в драгах, – то есть, изделия, от которых требуется высокая твердость и износостойкость поверхности.

Для получения структуры белого чугуна в отливке необходимо быстрое охлаждение, а также минимальное содержание кремния и присутствие марганца и хрома («отбеливающих» компонентов).

Главное назначение белого чугуна – передел в ковкий чугун.

Серые чугуны

В сером чугуне весь углерод или его часть находятся в свободном виде – в виде графита.

Диаграмма состояния железо – цементит является метастабильной (не совсем равновесной). При очень медленном охлаждении расплавленного чугуна реализуется стабильная, равновесная диаграмма железо – графит. Ее точки и линии смещены чуть влево и вверх (рис. 69, а).

а б

Рис. 69. Равновесная диаграмма состояния железо-графит (а)

и схема, иллюстрирующая вероятность образования графита и цементита (б)

Графит в сером чугуне – это кристаллы сложной формы – «розетки», растущие из одного центра в виде сильно искривленных лепестков (рис. 70, а). В плоскости шлифа графит виден как отдельные пластинки, прямолинейные или изогнутые, так как плоскость шлифа пересекает графитные лепестки. Такой графит называют пластинчатым.

Металлическая основа серого чугуна может быть ферритной, перлитной или смешанной – феррито-перлитной (рис. 70, б). Излом серого чугуна темно-серого цвета, а в ферритном чугуне, в котором весь углерод содержится в виде графита, – бархатно-черного.

Механические свойства серых чугунов зависят от структуры основы и от количества, формы и размеров графитовых включений. Перлитные серые чугуны тверже и прочнее, ферритные – наименее прочные, феррито-перлитные – имеют промежуточные характеристики. Графит играет роль надрезов, трещин в металлической основе. Прочность графита при растяжении несопоставима с прочностью металла, поэтому пластичность чугунов очень мала (δ ≤ 0,5 %), а предел прочности при растяжении значительно ниже, чем у стали. (Говорят, что чугун – это сталь, испорченная графитом.) Но на сжатие графит работает хорошо:

В сжатия = 2В изгиба = 4В растяжения.

Серый чугун – самый дешевый литейный сплав. Имеет высокую жидкотекучесть и малую усадку, что позволяет получать тонкостенные фасонные отливки. Хорошо обрабатывается резанием: дает мелкую сыпучую стружку, графит является твердой смазкой и уменьшает тем самым износ инструмента. Благодаря графиту, в сером чугуне быстро затухают механические колебания, в том числе звуковые, что позволяет уменьшить шум при работе оборудования. Чугун нечувствителен к надрезам на поверхности деталей (в отличие от стали).

Детали из чугуна изготавливают литьем с последующей обработкой резанием. Для получения структуры серого чугуна в отливке сплав должен содержать много кремния и углерода, но мало марганца, чтобы не образовался цементит.

ГОСТ 1412-85 включает 6 основных марок серого чугуна. Чугун – единственный сплав, в марке которого зашифрован не химический состав, а механические свойства. Например, марка СЧ12 означает: серый чугун с пределом прочности при растяжении 120 МПа (12 кг/мм2).

Серые чугуны применяют для изготовления деталей, работающих с небольшими нагрузками, в основном, на сжатие. Это колонны, опоры, корпуса, станины, крышки, суппорты, зубчатые колеса, канализационные трубы, ванны, батареи.

Высокопрочные чугуны

В высокопрочных чугунах графит имеет шаровидную форму.

Они содержат 2,7-3,5 % углерода. Их модифицируют в ковше магнием (0,02-0,08 %). Модификатор не позволяет растущему кристаллу графита принять естественную форму розетки. Атомы магния образуют тонкий слой на поверхности зародыша графита, увеличивая его поверхностную энергию. Стремление системы к минимальной свободной энергии приводит к тому, что графит кристаллизуется в виде шариков (у шара поверхность при заданном объеме минимальна). Металлическая основа может быть такой же, как у серых чугунов (рис. 71).

Такой вид чугунов был создан с целью повысить механические свойства чугуна, сохранив его преимущества перед сталью. Предел прочности при растяжении В и относительное удлинение δ у высокопрочных чугунов выше, чем у серых, так как шаровидные включения графита – более мягкие концентраторы напряжения, чем пластинчатые (см. рис. 72).

Маркировка высокопрочных чугунов по ГОСТ 7293-85 аналогична маркировке серых. Например, ВЧ90 означает: высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 900 МПа (90 кг/мм2).

Такие чугуны выдерживают значительные растягивающие нагрузки, поэтому применяются для более ответственных деталей: кузнечно-прессового оборудования, станин прокатных станов, коленчатых валов автомобилей, поршней, вентилей, крыльчаток, распределительных валиков. Отливки из высокопрочного чугуна широко используются в автомобиле- и тракторостроении вместо более дорогих стальных поковок. Их можно подвергать упрочняющей термообработке. Есть смысл выплавлять легированные высокопрочные чугуны для особых условий эксплуатации – с повышенной вязкостью при отрицательных температурах, жаропрочные, коррозионно-стойкие.

Ковкие чугуны

В ковких чугунах графит имеет хлопьевидную форму. Такой графит получается при отжиге белого доэвтектического чугуна с содержанием углерода 2,5-3 %. Его еще называют углеродом отжига.

При нагреве до температур, близких к солидусу, цементит в белом чугуне распадается на исходные компоненты: железо и углерод.

Fe3C → Fe + C.

Режим отжига может быть различным. Во время выдержки при температуре 1000 ºC распадается цементит эвтектики и получается перлитный ковкий чугун (рис. 73, режим а). Если сделать отжиг в две стадии, с выдержкой вначале немного ниже 1147 ºC, а затем чуть ниже температуры перлитного превращения, то на первой стадии распадется цементит эвтектики, а на второй – цементит, входящий в перлит (рис. 73, режим б). При таком режиме получается ферритный ковкий чугун, самый мягкий и пластичный (рис. 74, а). Отжиг на ковкий чугун – длительная процедура, он занимает до 70-80 часов. Поэтому ковкий чугун самый дорогой.

Рис. 74. Ферритный (а) и перлитный (б) ковкий чугун

Маркировка ковких чугунов по ГОСТ 1215-92 включает характеристику не только прочности, но и пластичности. Например, КЧ45-7 означает ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 450 МПа (45 кг/мм2) и относительным удлинением 7 %. Но несмотря на повышенную пластичность материала, название «ковкий» – условное, ковать его нельзя.

Ковкие чугуны применяют для мелких деталей, работающих с вибрациями, ударами: крюков, скоб, картеров, ступиц и т. д.

Лекция 12

refdb.ru

Свойства углеродистой стали

Тeмы: Сварка стали.

Углеродистые качественные стали с нормальным (марки стали 10, 15, 20) и повышенным содержанием марганца (марки 15Г и 20Г) поставляют в соответствии c ГОСТ 1050-88 и 4543-71. Oни содержат пониженное количество серы и примeняются для изготовления конструкций в горячекатанoм состоянии и в меньшем объемe после закалки с отпуском (термоупрочнения) или нормализации. Механические свойства углеродистой стали этой группы зависят oт термической обработки. Сварные конструкции, сделанные из них, для повышения прочностных свойств можнo подвергать последующей термообработке. Механические свойства углеродистой стали некоторыx марок обычного качества, а также качественных сталей приведeны в таблицаx 1 и 2.

Таблицa1. Механические свойства углеродистой стали некоторых марок в холодном состоянии.

Таблица 2. Ударная вязкость KCV некоторых низкоуглеродистых конструкционных сталей.

Углеродистые стали марoк ВСт3Гпс, ВСт5Гпс, 15Г, 20Г c повышенным содержанием марганца пo свариваемости отнoсят к низколегированным конструкционным сталям.

Введенные в сталь легирующие элементы, образуя c железом, углеродом и дpугими элементами твердые растворы и химическиe соединения, изменяют свойства углеродистых сталей. Этo повышает механические свойства стали, в чaстности, снижает eё порог хладноломкости. В результатe появляется возможность снизить массу металлоконструкции.

Другие страницы по темам

Свойства углеродистой стали

, сварка сталей:

• < Хромистые стали
• Химический состав углеродистых сталей >

weldzone.info

Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость.

Временное сопротивление sВ достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe-FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.

При температуре горячей обработки (800…1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

Легированные стали и сплавы

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали, способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей - в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих - десятых долях), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюминий, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, Х - хром, Д - медь, Н - никель, Г - марганец, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные металлы, Б - ниобий. Например, сталь марки 12ХН3А содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на перлитные (малолегированные), мартенситные (среднелегированные) и аустенитные (высоколегированные).

Конструкционные легированные стали, их маркировка

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые улучшаемые и высокопрочные.

Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеродистые цементуемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность изделий приобретает высокую твердость (НRС 58…62), а сердцевина не упрочняется.

Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали - это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки - закалке с 820…880 °С в масле с последующим высоким отпуском (550…650 °С). Для тяжело нагруженных деталей крупных сечений применяют легированные стали (марки 40ХН, 30ХГСА и др.).

Для деталей с высоким пределом прочности (sВ = 1500…2500 МПа) используют высокопрочные комплексно-легированные и мартенситностареющие стали. Комплексно-легированные - это среднеуглеродистые стали, содержащие 0,25…0,6 % С, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергаемые термомеханической обработке. Мартенситностареющие стали - безуглеродистые (не более 0,03 % С) стали на основе железа с никелем содержащие кобальт, молибден, титан, хром и другие элементы (марки Н12К15М10, Н18К9М5Т). Мартенситностареющие стали закаливают с температуры 800…860 °С на воздухе с последующим старением при 450…500 °С. Применяются для особо ответственных тяжело нагруженных деталей.

К конструкционным легированным сталям могут быть отнесены также рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и др.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей, содержащих не менее 0,5 % С, это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300…400 °С).

К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г, 65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовления плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали (55С2, 60С2А, 70С3А), хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300 °С) и переменных нагрузках.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850…880 °С, отпуск 380…550 °С) обеспечивает получение высоких пределов прочности (sВ = 1200…1900 МПа) и текучести (s0,2 = 1100…1700 МПа).

Пружины и упругие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т, аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитомартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42…48. Существенное (до двух раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклепом посредством дробеструйной или гидроабразивной обработки, в процессе которой в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия (снижающие при эксплуатации деталей общий уровень напряжений растяжения в указанном слое).

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

stydopedia.ru

Свойство - углеродистая сталь - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2

Свойство - углеродистая сталь

Cтраница 2

На рис. 1.5 показаны изменение свойств углеродистой стали 20 при изменении температуры от 20 до 600 С.  [16]

Углерод - элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности ( относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0 8 % углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.  [17]

Углерод является основным элементом, влияющим на свойства углеродистой стали.  [18]

Углерод - элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности ( относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0 8 % углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.  [19]

Углерод - элемент, определяющий в основном свойства углеродистых сталей.  [20]

Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже при малом изменении содержания углерод оказывает заметное влияние на изменение свойств стали. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита. До 0 8 % С сталь состоит из феррита и перлита, более 0 8 % С в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит.  [21]

Исходя из условий нагрева в этих процессах и свойств углеродистой стали с разным содержанием углерода, сравнить характер распределения закаленного слоя в поверхности шестерен и указать, какой способ обработки был применен для каждой из них.  [22]

Учитывая условия нагрева и влияние различного содержания углерода на свойства углеродистой стали, сравнить характер распределения закаленного слоя поверхности и твердости зубчатых колес и указать, какой способ обработки был применен для каждого из них.  [24]

Учитывая условия нагрева и влияние различного содержания углерода на свойства углеродистой стали, сравнить характер распределения закаленного слоя в поверхности и твердости зубчатых колес и указать, какой способ обработки был применен для каждого из них.  [26]

На рис. 3 - 1 а, показаны изменения свойств углеродистой стали 20 при изменении температуры от 20 до 600 С. В интервале температур так называемой синеломкости ( 200 - 300 С) повышается прочность и снижается пластичность стали, поэтому следует избегать пластического деформирования малоуглеродистой стали в этом интервале температур. Этот интервал назван интервалом синеломкости потому, что после выдержки стали при температуре около 300 С светлая поверхность стали приобретает синий цвет, что обусловлено образованием тонкой окисной пленки. Снижение пластичности и повышение прочности в интервале синеломкости связано с диффузионной подвижностью атомов примесей. Пластическая деформация происходит путем перемещения дислокаций. Вокруг ядра дислокации, где имеются искажения кристаллической решетки, облегчается растворение атомов примесей. Поэтому вокруг нее образуется облако примесей. В процессе пластической деформации облако движется за дислокацией и тормозит ее перемещение. В результате пластичность снижается, а прочность возрастает. При температурах ниже интервала синеломкости диффузионная подвижность облака мала и дислокация легко обгоняет его. При температурах выше интервала синеломкости диффузионная подвижность облака настолько возрастает, что оно практически перестает тормозить перемещение дислокаций и пластичность вновь возрастает.  [27]

В табл. 1 приведены некоторые данные о составе и свойствах углеродистой стали общего назначения.  [28]

Способ производства легированной стали может в большей степени оказывать влияние на ее свойства, чем на свойства углеродистой стали. Сталь, полученная с применением современных способов рафинирования в печи или с применением рафинирующей обработки в ковше, может обладать рядом более высоких показателей механических свойств по сравнению со сталью обычной мартеновской выплавки. Как правило, сталь, полученная методом электрошлакового переплава, вакуумно-дугового переплава, а также вакуумированная в ковше, обладает лучшими пластическими свойствами и более высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Рафинирование позволяет также получать металл весьма чистый по неметаллическим включениям. Такой металл обладает более однородными свойствами.  [29]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

на тему

«Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей»

Алчевск 2009

1. Общая характеристика состава углеродистых сталей

Углеродистые стали являются основной продукцией чёрной металлургии (90%).

Стали (углеродистые) являются многокомпонентными сплавами. Кроме основы – железа (от 97,0 до 99,5% Fe) и углерода (до 2,14%), имеются ряд примесей: Mn, Si, S, P, O, N, H и др.

Наличие Mn, Si обусловлено технологическими особенностями производства (попадают в сталь в процессе раскисления).

Наличие P, S, O, N, H обусловлено невозможностью полного удаления их из металла при выплавке.

Случайные примеси Ni, Cr, Cu и др. – попадают из легированного металлического лома.

Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания.

Т.о., углерод является основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава на основе железа.

2. Влияние углерода на свойства стали

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. В зависимости от содержания углерода она может иметь следующий вид:

< 0,8% C – Ф+П

0,81% C – П (100%)

> 0,81% C – П + ЦII.

Имея различную структуру, все стали состоят только из двух фаз: Ф и Ц.

Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода.

Феррит (Ф) – мягкая, пластичная фаза, твёрдость по Бринеллю – 80–90 НВ.

Цементит (Ц) – твёрдая и хрупкая фаза 1000–1100 НV (>800 НВ), (НВ и НV – близки по значению).

Технически чистое железо – мягкое, не содержит Ц или имеет ЦIII (его максимальное содержание в технически чистом железе может достигать – 0,29%).

В доэвтектоидных сталях появляется цементит входящий в перлит (Ф+Ц), следовательно твёрдость будет возрастать.

В эвтектоидной стили – цементита в перлите содержится 12%, остальное феррит.

В заэвтектоидной стали появляется ЦII – 20,4%, а также цементит входящий в перлит ~ 10%, т.о.всего его около 30%.

Следовательно, чем больше % С в стали, тем количество феррита уменьшается, а количество цементита увеличивается.

С увеличением в стали углерода возрастает твёрдость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Твёрдость линейно повышается с увеличением углерода (рис. 1).

Предел прочности (σВ ) до 0,8 – 0,9% С растёт линейно, при дальнейшем увеличении углерода, т.е.у заэвтектоидных сталей, происходит выделение избыточного цементита (ЦII ) по границам бывшего зерна аустенита, образующего сплошную сетку (скорлупу) – очень твёрдую и очень хрупкую, что и приводит к снижению предела прочности (при растяжении в сетке возникают напряжения, приводящие к разрушению).

Относительное удлинение (δ, %), относительное сужение (ψ, %) по мере увеличения углерода непрерывно снижаются (рис. 1).

Существенное влияние углерода на вязкие свойства. Ударная вязкость (KCU) характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению (распространению трещин).

Ударная вязкость (KCU) по мере увеличения содержания углерода до 0,6% резко снижается.

Рисунок 1.

Отступление:

Рисунок 2.

Чем больше ударная вязкость (KCU), тем более вязкий образец (металл).

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Влияние углерода на хладноломкость железа приведено на (рис. 3).

Каждая 0,1% С повышает температуру порога хладноломкости Тп.х. в среднем на 20˚С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Рисунок 3. Влияние углерода на хладноломкость железа

Температура перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 4):

Рисунок 4. Переход из вязкого в хрупкое состояние

Тп.х. – температура перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Порог хладноломкости – температурный интервал изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому.

3. Влияние кремния и марганца

Кремний (Si) и марганец (Мn) переходят в сталь в процессе её раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т.е. соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак:

2FeO + Si = 2Fe + SiO,

FeO + Mn = Fe + MnO.

Частично Si u Mn остаются в стали:

Si – 0,35 – 0,4%,

Mn – 0,5 – 0,8%.

Удаляя О2 – Si и Mn – повышают плотность металла (слитка).

Si – сильно повышает предел текучести, снижает пластичность (стали с высоким содержанием Si не годятся к глубокой, холодной вытяжке). Поэтому стали предназначенные для холодной штамповки и холодной высадки должны содержать минимальное количество Si.

Mn – заметно повышает прочность σв , σт , практически не снижая пластичности. Резко уменьшает красноломкость стали.

4. Влияние серы

Сера (S) является вредной примесью. Попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

Содержание серы:

S – 0,035 – 0,06% (0,018% S – качественная сталь). Сера образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления – Тпл = 988˚С.

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000–1200˚С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Тпл = 1620˚С:

FeS + Mn → MnS + Fe.

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние серы на вязкие свойства стали

Также сера снижает пластичность – δ, ψ%.

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

5. Влияние фосфора

Фосфор (Р) является вредной примесью. Содержится в пределах 0,025–0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20 – 25˚С (для углерода такое же влияние оказывает каждая 0,1%).

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Фосфор (Р) – усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается (хладноломкость) (рис. 6). Фосфор облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) – повышает сопротивление коррозии.

Рисунок 6. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

6. Влияние азота, кислорода и водорода

Кислород (О2 ): образует неметаллические включения оксиды – FeO, MnO, Al2 O3 , SiO2 .

Азот (N2 ): образует нитриды – Fe4 N, Fe2 N, AlN.

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 7).

Рисунок 7. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Водород (Н2 ): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали. При переходе атомарного водорода в молекулярный повышается давление до 150 МПа, образуя эллипсовидные впадины – флокены, которые являются неисправимым браком. Флокены способствуют сильному охрупчиванию стали.

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150–180˚С, лучше всего в вакууме ~ 10-2 – 10-3 мм. рт. ст. или нагрев до 800˚С и выдержке, водород уходит и остаётся чистый металл.

7. Примеси цветных металлов

Примеси: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn и др. Попадают в сталь в процессе переплавки бытового и машиностроительного лома. Их содержание невелико – сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди – Cu ≈ 0,1 – 0,2%).

Эти примеси оказывают незначительное влияние на механические свойства. При точных исследованиях выявлено, что они повышают порог хладноломкости. Например, каждая 0,01% примеси повышает порог хладноломкости на следующую величину: O2 – +15˚C; N2 – + 10˚C; C – +2˚C; P – +7˚C; Cu – +1˚C; Sn – +30˚C; Zn – +30˚C; Sb – +20˚C).

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.

mirznanii.com

Стали: влияние углерода и примесей на свойства сталей. Классификация и маркировка сталей

Стали являются наиболее распространёнными материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

Достоинством является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки. Стали, подразделяют на углеродистые и легированные.

Влияние углерода и примесей на свойства сталей

Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.

Влияние углерода.

Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1

Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита,  при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к  уменьшению пластичности , а также к повышению  прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается,  так как  образуется грубая сетка цементита вторичного.

Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости и снижает ударную вязкость.

Повышаются электросопротивление и  коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей.

В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы.                                      1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы.  Он способствует уменьшению содержания сульфида  железа FeS, так как образует с серой соединение  сульфид марганца MnS . Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность  стали к вытяжке

Содержание фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности  и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

Располагаясь вблизи зёрен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин,  Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25ºС.

Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участки имеют резко пониженную вязкость.

Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

Сера уменьшает пластичность, ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы  FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988ºС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зёрнами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость аи пластичность (и ), а также предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

2. Скрытые примеси — газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO2 , Al2O3)нитридов (Fe 2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь. Он приводит к образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев  серебристого цвета.

Металл с флокенами  нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

Если водород находится в поверхностном слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180, лучше в вакууме   мм рт. ст.

Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

3. Специальные примеси, которые специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали — легированные сталями.

Назначение  легирующих элементов.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей  -  (0…-100) ºС.

Дополнительные легирующие элементы.

Бор -  0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а также повышает порог хладоломкости (+20…-60) ºС.

Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна и повышает порог хладоломкости до (+40…-60) ºС.

Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120 ºС. Молибден  увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

Введение в хромистые  стали никеля, значительно повышает прочность и  прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА).  Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются,  штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

Добавка свинца, кальция способствует улучшению обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов происходит в результате  замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решётки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам  упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а твкже кремний и марганец в определенных количествах,  снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d–электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдаёт свои валентные электроны на заполнение d электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обусловливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

4. Случайные примеси.

Классификация и маркировка сталей

Классификация сталей

Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.
2. По содержанию углерода:

а) низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;б) среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;в) высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

1. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

1. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

а)    углеродистые стали обыкновенного качества:б)    качественные стали;в)    высококачественные стали.

1. По способу выплавки:

а)  в мартеновских печах;б)  в кислородных конверторах;в)  в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

1. По назначению:

а)  конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;б)  инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;в)  специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными  свойствами и др.

Маркировка сталей

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380).

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора

Маркируются:  Ст.2кп.,  БСт.3кп,  ВСт.3пс, ВСт.4сп.

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

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

Качественные  углеродистые стали

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и   химическим составом (группа В). Степень раскисленности в основном спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали. Маркируются двухзначным числом, указывающим  среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной.

Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Содержание углерода, соответственно,  0,08 %, 0,10 %,  0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом , указывающим содержание углерода в десятых долях процента.

Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода соответственно 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А  для обозначения высокого качества стали.

Сталь У10А.

Качественные и высококачественные легированные стали

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов:

Х – хром,  Н – никель,   М – молибден,    В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан,                 А – азот ( указывается в середине марки), Г – марганец,   Д – медь,  Ф – ванадий,                      С – кремний,  П – фосфор,   Р – бор,   Б – ниобий,    Ц – цирконий, Ю – алюминий.

Легированные конструкционные стали

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначением элемента, показывает его содержание в процентах,

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали

Сталь 9ХС,   сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы с указанием их содержания.

Все легированные инструментальные стали – высококачественные.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Быстрорежущие инструментальные стали

Сталь Р18

Р – индекс данной группы сталей (от  rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама .

В указанной стали содержание вольфрама – 18 %.

Если стали содержат легирующие элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

Шарикоподшипниковые стали

Сталь ШХ6,  сталь ШХ15ГС

Ш – индекс данной группы сталей. Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях, соответственно, 0,6 % и 1,5 %. Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %.

xn--80aagiccszezsw.xn--p1ai

• 
  Мартенситные стали это
• 
  Химическое пассивирование нержавеющих сталей
• 
  Термообработка нержавеющей стали
• 
  Трубы стальные электросварные прямошовные со снятой фаской
• 
  Углеродистая сталь свойства и применение
• 
  Хим оксидирование стали
• 
  Углеродистая сталь что это
• 
  Полировка стали до зеркального блеска
• 
  Как сделать воронение стали в домашних условиях
• 
  Нержавеющие сплавы и стали
• 
  Ржавеет ли оцинкованная сталь