Всего на сайте:
210 тыс. 306 статей

Главная | Химия

Сплавы на основе железа  Просмотрен 585

Стали

Стали в зависимости от содержания углерода делятся на доэвтектоидные (С<0,8 %), эвтектоидную (С=0,8 %) и заэвтектоидные (С≥0,8 %).

Структура доэвтектоидной стали при комнатной температуре представляет феррит и перлит. При этом чем больше в стали углерода, тем больше перлита. На рис. 3.2 представлена микроструктура доэвтектоидных сталей с разным содержанием углерода.

Рис. 3.2. Микроструктура доэвтектоидных сталей:

а) – 0,2% С; б) – 0,4 С; в) – 0,6% с

С увеличением концентрации углерода в стали уменьшается количество мягкого феррита и возрастает доля твёрдого и хрупкого цементита, то ли входящего в состав перлита, то ли самостоятельно существующего в виде структурной составляющей, как в заэвтектоидной стали.

Рис. 3.3. Микроструктура стали:

а) – эвтектоидной 0,8% С; б) – заэвтектоидной 1% С

 

На рис. 3.3, а показана структура эвтектоидной стали, представляющая собой перлит (0,8 % С), а на рис. 3.3, б - заэвтектоидной стали, состоящая из зёрен перлита, по границам которых расположена цементитная сетка (1,0 %С).

Вследствие увеличения количества твёрдого цементита с повышением содержания углерода возрастают твёрдость и прочность стали, но уменьшаются пластичность и ударная вязкость (рис. 3.4), увеличивается порог хладноломкости. Такая закономерность наблюдается при повышении содержания углерода до 0.9 %. При повышении количества углерода свыше 0,9 %, твёрдость стали продолжает увеличиваться, а предел прочности и текучести начнёт снижаться. Это обусловлено тем, что дальнейшее увеличение количества цементита существенно повышает хрупкость стали.

Таким образом, доэвтектоидные стали имеют достаточно высокую пластичность, но сравнительно невысокую твёрдость. Поэтому доэвтектоидные стали применяют для изготовления деталей машин и металлоконструкций, где необходимо сочетание высокой пластичности и ударной вязкости со сравнительно высокой прочностью. Заэвтектоидные стали отличаются высокой твёрдостью, но невысокой пластичностью, поэтому их применяют для инструмента.

Рис. 3.4. Зависимость механических свойств от содержания углерода

Кроме основных элементов - железа и углерода - в состав стали входят неизбежные примеси, попадающие в сталь в процессе её производства. Постоянными примесями в стали являются сера, фосфор, марганец, кремний и газы - кислород, азот и водород. Сера и фосфор являются вредными примесями. Сера с железом образует сернистое железо, которое плавится при довольно низкой температуре ~ 1000 °С, что вызывает охрупчивание стали в горячем состоянии при ковке, прокатке и т.д. Это явление называется красноломкостью. Сернистые соединения существенно снижают ударную вязкость, пластичность, ухудшают свариваемость и способность стали формировать прочное сварное соединение без дефектов и коррозионную стойкость.

Вредное влияние фосфора проявляется в резком увеличении хрупкости стали при обычной и пониженной температуре. Это явление называется хладноломкостью. Фосфор повышает порог хладноломкости, снижает пластичность и ударную вязкость.

Поэтому содержание фосфора и серы не должно превышать 0,05-0,06 %.

Марганец и кремний являются полезными примесями в стали. Содержание марганца находится в пределах 0,5-0,8 %. Марганец нейтрализует вредное влияние серы, снижая красноломкость. Марганец повышает прочность, практически не снижая пластичности. Кремний содержится в стали в пределах 0,3…0,4 %. Кремний существенно повышает предел текучести. В сталях, предназначенных для холодной пластической деформации, количество кремния должно быть минимальным.

Газы ухудшают свойства стали. Кислород и азот, образуя хрупкие неметаллические включения (окислы, нитриды), увеличивают хрупкость стали и порог хладноломкости. Водород, растворяясь в стали, увеличивает её хрупкость. В связи с тем, что растворимость водорода при охлаждении стали уменьшается, выделяющийся водород накапливается в микропорах, что приводит к образованию флокенов (надрывов).

Так как с увеличением содержания углерода твёрдость возрастает, а пластичность и ударная вязкость уменьшаются, стали по назначению делятся на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали - это стали с низким и средним содержанием углерода, а инструментальные стали - с высоким содержанием углерода.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на:

стали обыкновенного качества ТУ 2651-94;

качественные стали ГОСТ 1050-88;

стали конструкционные повышенной и высокой обрабатываемости резанием ГОСТ 1414-75.

Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества маркируются буквами «Ст» и имеют порядковый номер от 0 до 6, способ раскисления стали указывается после цифры (кп - кипящая, сп - спокойная, пс - полу спокойная). Например, сталь Ст3пс. Содержание серы и фосфора в этих сталях <0,06 %.

Стали конструкционные углеродистые качественные содержат серы и фосфора <0,035 %. К ним предъявляются более жёсткие требования по макро- и микроструктуре. Эти стали поставляются с гарантируемым химическим составом и механическими свойствами. Они маркируются цифрами 08, 10, 15, 20, 25…85. Цифра показывает среднее содержание углерода в сотых долях: сталь 20 (содержание углерода 0,20 %), сталь 45 (содержание углерода 0,45 %).

Стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием известны как автоматные, т.к. они используются для изготовления деталей на станках-автоматах. Основное требование, которое предъявляется к ним - это хорошая обрабатываемость резанием. Это достигается повышением содержания серы и фосфора (0,08..0,15 %). С целью компенсации вредного влияния серы, в частности уменьшения красноломкости, увеличивают содержание марганца до 0,8...1,2 %. Для обеспечения хорошей обрабатываемости вводят также свинец, селен, кальций. Стали этой группы маркируются буквой А (автоматная) и цифрой, которая показывает среднее содержание углерода в сотых долях. Например, А11, А12, А14, А20. В сталях АС35, А35Е буква С свидетельствует о наличии свинца (0,15…0,3%), буква Е - о наличии селена, а цифра соответствует среднему количеству углерода в сотых долях процента.

Инструментальные углеродистые стали ГОСТ 1435-74 производятся качественными (У7, У8, У9...У13) и высококачественными (У7А, У8А, У9А...У13А). Об этих сталях подробно будет рассказано в разделе VIII.

Легированными называют стали, которые содержат специально введенные (легирующие) элементы, изменяющие их свойства.

По назначению легированные стали делятся на конструкционные, инструментальные и специальные.

Каждый легирующий элемент обозначается определенной буквой.

Ниже приведены обозначения наиболее распространенных легирующих элементов: А - азот (N); Б - ниобий (Nb); В - вольфрам (W); Г - марганец (Мn); Д - медь (Сu); Е - селен (Se); К - кобальт (Со); Л - бериллий (Be); М - молибден (Mo); Н - никель (Ni); Р - бор (В); С - кремний (Si); Т - титан (Ti); Ф - ванадий (V); X - хром (Сr); Ю - алюминий (А1). В маркировке конструкционных сталей первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях. Дальше идут буквы, соответствующие определенным легирующим элементам. Если после буквы отсутствует цифра, это означает в большинстве случаев, что легирующего элемента содержится около 1 %.

Исключение составляют следующие элементы:

- титан, ванадий, молибден. Их содержание при отсутствии цифры соответствует десятым долям;

азот; его содержание соответствует сотым долям;

бор; его содержание соответствует тысячным долям.

Если легирующего элемента содержится больше 1 %, то в этом случае после обозначения легирующего элемента идет цифра, указывающая содержание элемента в процентах (2 %, 3 % и т.д.): сталь 30X13 содержит 0,3%С, 13%Сr. Маркировка легированных инструментальных сталей будет рассмотрена ниже.

Исключение в маркировке конструкционных сталей составляют шарикоподшипниковые стали, которые будут рассмотрены ниже.

Чугуны

Различают белые и графитизированные чугуны. В белых чугунах весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. В графитизированных чугунах часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита. На диаграмме Fe - Fe3C (рис. 4.1) представлены белые чугуны.

По содержанию углерода белые чугуны делятся на: доэвтектические (С<4,3 %) , эвтектический (С=4,3 %) и заэвтектические (04,3 %). Белые чугуны из-за наличия в них большого количества цементита обладают высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддаются обработке резанием, поэтому имеют ограниченное применение.

В графитизированных чугунах различают графитные включения и металлическую основу. Свойства этих чугунов обусловлены размерами, количеством, формой графита и структурой металлической основы. Решающую роль играет форма графитных включений.

В зависимости от формы графита различают серый, ковкий и высокопрочный чугун, чугун с вермикулярным графитом.

Чугуны с пластинчатым графитом называют серыми (рис. 3.5). Наличие пластинчатых включений графита, имеющих острые концы, создаёт концентрацию напряжений, что и обуславливает низкие механические свойства серого чугуна. Предел его прочности при растяжении составляет 100…350 МПа, относительное удлинение - 0,2…0,8 %.

Рис. 3.5. Схемы микроструктур серых чугунов (с пластинчатым графитом): 1 – феррит; 2 – графит; 3 - перлит

Маркируется серый чугун следующим образом: СЧ15, СЧ20 и т.д. (ГОСТ 1412-87). Буквы обозначают принадлежность к серому чугуну, цифры показывают предел прочности в МПа-10-1. Например, чугун марки СЧ15: ϭв=150 МПа.

Структура металлической основы может быть ферритной (рис. 3.5, а) феррито-перлитной (рис. 3.5, б) и перлитной (рис. 3.5, в).

Чугун, у которого графит имеет шаровидную форму, называется высокопрочным. Шаровидная форма графитных включений исключает острые надрезы в металлической основе.

Механические свойства такого чугуна значительно улучшаются: предел прочности достигает 1000 МПа, относительное удлинение находится в пределах 2…22 %. Такой чугун, в ряде случаев, является полноценным заменителем стали. Маркируется высокопрочный чугун таким образом: ВЧ350-22, ВЧ400-15...ВЧ1000-2 (ГОСТ 3925-99). Буквы обозначают принадлежность к высокопрочному чугуну, первые числа (до дефиса) показывают предел прочности ϭв в МПа, а число через дефис - относительное удлинение δ в процентах. Например, чугун марки ВЧ 350-22: ϭв=350 МПа, δ=22 %.

Микроструктура феррито-перлитного высокопрочного чугуна представлена на рис. 3.6.

Ковкий чугун имеет хлопьевидную форму графитных включений. Получают его длительной выдержкой белого чугуна при высокой температуре (около1000°С).

Рис. 3.6. Микроструктура феррито-перлитного высокопрочного чугуна

Такая термическая обработка называется графитизирующим отжигом. Цементит распадается с выделением графита в виде хлопьев. Такие включения меньше разобщают основу по сравнению с серым чугуном. Поэтому ковкий чугун прочнее и пластичнее серого чугуна. Предел прочности его находится в пределах 300…800 МПа, относительное удлинение δ=2…12%. Обозначают ковкие чугуны буквами КЧ, первые две цифры показывают предел прочности ϭв в МПа-10-1 (ГОСТ 1215-79). Другие две или одна - относительное удлинение δ в процентах. Например, чугун марки КЧ300-6: ав=300 МПа, δ=6 %.

Структура ферритного чугуна представлена на рис. 3.7,а. Перлитного — на рис. 3.7, б.

Чугун с вермикулярным графитом имеет червеобразную форму графитных включений. Особенностью структуры этого чугуна является наличие в металлической основе большого количества феррита (до 70…90%).

Чугун с вермикулярным графитом обладает более высокими служебными свойствами по сравнению с серым чугуном. Временное сопротивление (предел прочности) его находится в пределах 300-500 МПа, а относительное удлинение – 1…3 %. Маркируется такой чугун следующим образом: ЧВГ300-4, ЧВГ300-5, ЧВГ400-4, ЧВГ500-1 (ГОСТ 3926-99). Буквы обозначают принадлежность к чугуну с вермикулярным графитом. Первое число - предел прочности при растяжении в МПа, через дефис - относительное удлинение (%).

Рис. 3.7. Микроструктура ковких чугунов

Легированные чугуны - это чугуны, легированные хромом, алюминием, кремнием, никелем и другими элементами с целью получения необходимых свойств.

Легирование чугунов повышает их стойкость в щелочах, кислотах и других агрессивных средах, а также их жаростойкость и износостойкость.

Кремнистые чугуны - это сплавы, содержащие 13…18 % кремния. Они имеют высокую коррозийную стойкость в агрессивных средах. Резкое изменение коррозионной стойкости характерно для сплавов с содержанием кремния выше 14,4 %.

Для повышения коррозионной стойкости кремнистые чугуны легируют молибденом.

Хромистые чугуны устойчивы в растворах азотной кислоты любой концентрации при нормальных температурах, в растворах серной кислоты (до 62 %), фосфорной (до 70 %), имеют высокую износостойкость.

Жаростойкости, т.е. способности не окисляться при высоких температурах, добиваются легированием кремнием или хромом.

Характерной особенностью никелевых чугунов является их высокая коррозионная стойкость в расплавах солей и концентрированных растворах щелочей.

 

Контрольные вопросы

1. Какие фазы образует железо с углеродом? Дайте им определение.

2. Дайте характеристику всем линиям на диаграмме Fe - Fe3C.

3. Что такое эвтектика и эвтектоид?

4. Дайте определение ледебуриту.

5. Что такое перлит?

6. На какие группы делятся стали в зависимости от содержания углерода?

7. Какова структура сталей при комнатной температуре?

8. Как изменяются свойства стали с повышением содержания углерода?

9. В чем отрицательное влияние серы и фосфора на свойства стали?

10. В чем проявляется влияние марганца и кремния?

11. На какие группы делятся стали по назначению?

12. Как маркируются углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества? Приведите пример.

13. Какое смысловое значение имеют цифры при маркировке качественных конструкционных сталей?

14. В чем отличие конструкционных сталей обыкновенного качества от качественных?

15. В чем особенности химического состава сталей повышенной и высокой обрабатываемости резанием?

16. Как маркируются стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием?

17. Как маркируются конструкционные легированные стали?

18. Какие чугуны относятся к белым, а какие - к графитизированным?

19. Что такое серый чугун и как он маркируется?

20. Какая форма графитных включений в высокопрочном чугуне и как он маркируется?

21. Что такое ковкий чугун? Приведите примеры маркировки.

22. Какая форма графитных включений в чугуне с вермикулярным графитом? Приведите примеры маркировки.

23. С какой целью проводят легирование чугунов?

 

Предыдущая статья:Связь диаграммы со свойствами сплавов Следующая статья:Принципиальная возможность проведения упрочняющей термической обработки
page speed (0.0136 sec, direct)