Тема 1. Строение и кристаллизация металлов.

Вопросы:

2. Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решёток.

1. Большое число различных металлов, кото­рые применяют в технике, можно разделить на черные и цветные.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относитель­но высокую твердость и во многих случаях обладают по­лиморфизмом.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску; обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления; для них характерно отсутст­вие полиморфизма.

К черным металлам относят железо и его сплавы, к цветным – все остальные металлы и их сплавы.

В зависимости от содер­жания углерода чёрные сплавы делят на стали и чугуны.

Сталями называют сплавы железа с углеродом, в которых углерода содержится до 2,14%, а чугунами – свыше 2,14%.

Цветные металлы подразделяют на тяжелые (медь, свинец, олово, никель и др.), легкие (алюминий, магний и др.), редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.) и благородные (золото, платина, серебро).

2.Все тела состоят из атомов. Тела, в кото­рых атомы расположены беспорядочно, называют аморф­ными (стекло, канифоль, воск, смола и др.). Кристалли­ческие тела (все металлы и метал­лические сплавы), характеризуются упорядоченным рас­положением атомов. В металлах и металлических спла­вах атомы находятся в узлах пространственных кристал­лических решеток.

В процессе кристаллизации металлов и сплавов могут образовываться кристаллические решетки разного типа. Наиболее распространенными являютсяобъемно- центрированная кубическая (К, V, Сr, Fе_α, Мо, W), гранецентрированная кубическая (Аl, Fe_γ, Ni, Сu, Аg, Аu, Рb) и гексагональная решетки (Ве, Мg, Со, Zn, Тi). Гранецентрированная кубическая и гексагональная решетки характеризуются наиболее плотной упаковкой атомов и их компактным размещением (рис.1).

Расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке (параметр решётки) исключительно малы. Для их измерения пользуются особой единицей – ангстремом (А°), который ра­вен 1А° = 10^{-8 см, или наномет­ром (1 нм = 10-9 см).}

 

Рис. 1. Расположение атомов в крис­таллических решетках:

а – объемно-центрированная кубическая; б – гранецентрированная кубическая; в – гексагональная

3.Некоторые металлы в твердом состоянии (железо, марганец, кобальт и др.) в зависимости от температуры нагрева могут иметь кристаллические решетки различ­ного строения и, следовательно, обладать различными свойствами. Это явление называется аллотропией, или полиморфизмом. Кроме того, известен полиморфизм под влиянием температуры и давления. При нагреве до 2000 °С и давлении ~ 10¹⁰ Па углерод в форме графита перекристаллизовывается в алмаз.

Аллотропические формы принято обо­значать буквами греческого алфавита: альфа, бета, гамма и т. д.

К металлам, не претерпевающим аллотропических превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении, относятся алюминий, магний, медь и др. Большое число технически важных металлов (олово, цинк, никель, кобальт и др.) подвержено аллотропиче­ским изменениям.

4.Кристаллизацией называется образование кристаллов в металлах и сплавах при переходе из жидкого состояния в твёрдое (первичная кристаллизация), а также перекристаллизация в твёрдом состоянии (вторичная кристаллизация).

Про­цесс кристаллизации металла складывается из двух эле­ментарных процессов: образования центров кристалли­зации (зародышей) и роста кристаллов из этих центров. При температуре кристаллизации в жидком металле сначала образуются центры кристаллизации, причем их роль играют разные примеси, мельчайшие шлаковые и неметаллические включения. После образования заро­дышей атомы жидкого металла, расположенные беспо­рядочно, начинают располагаться вокруг этих зароды­шей и образуют кристаллы правильной геометрической формы. Так как кристаллизация начинается одновремен­но во многих местах и рост кристаллов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, сталкиваясь меж­ду собой, мешают свободному росту каждого. Это при­водит к тому, что кристаллы приобретают неправильную внешнюю форму, несмотря на их упорядоченное внутрен­нее строение. Кристаллы неправильной формы принято называть кристаллитами, полиэдрами, или зернами. Образовавшиеся реальные кристаллы имеют те или иные несовершенства (дефекты) кристал­лического строения, которые принято классифицировать по характеру их измерения в пространстве на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные).

Наиболее распространены точечные. К ним относят вакансии (узлы в кри­сталлической решетке, свободные от атомов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристалличе­ской решетки), а также примесные атомы, (рис.2).

Рис. 2. Точечные дефекты в кристаллической решетке:

а – вакансия; б – межузельный атом; в – примесный атом внедрения

5.При наблюдении за охлаждением и нагре­вом чистого металла могут быть построены кривые ох­лаждения и нагревания в координатах температура – время. Горизонтальный участок а кривой соответст­вует температурной остановке – температуре затверде­вания или расплавления чистого металла.

Вследствие поглощения металлом скрытой теплоты плавления температура остается постоянной (t_пл), что отмечено на графике горизонтальным участком кривой нагревания (рис. 3, а). Только после того как металл рас­плавился полностью, его температура повышается по наклонному участку кривой.

Рис. 3. Кривые нагревания и охлаждения чистого металла, аморф­ного тела и сплава:

а – кривая нагревания; б – кривая охлаждения без переохлаждения; в – кривая с переохлаждением; г – кривая с петлей переохлаждения; д – кривая охлаждения аморфного тела; е – кривая охлаждения сплава

22

Углерод и его свойства

Железо и его свойства

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА С УГЛЕРОДОМ

Сплавы железа с углеродом являются основой так называемых черных сплавов — сталей и чугунов, кото­рые служат важнейшими конструкционными материа­лами в технике. Структура и свойства любого сплава зависят прежде всего от свойств базового компонента и элементов-добавок, а также от характера их взаимодей­ствия.

Чистое железо — металл серебристо-белого цвета; тугоплавкий. Температура плавления железа 1539°С. Железо имеет две полиморфные модификации, a и g.

При температурах ниже 910°С железо имеет объем­но-центрированную кубическую решетку. Эту модифи­кацию называют a-железо; a-железо магнитно до тем­пературы 768°С (точка Кюри).

При нагреве железа его объемно-центрированная кубическая решетка при 910°С превращается в гранецентрированную кубическую решетку, a-железо превраща­ется в g железо; g-железо существует при температуре 910-1392°С.

Углерод является неметаллическим элементом. Тем­пература плавления углерода 3500°С. Углерод в приро­де может существовать в двух полиморфных модифика­циях: алмаз и графит. Форма алмаза в сплавах не встречается.

В железоуглеродистых сплавах в свободном виде уг­лерод находится в форме графита. Кристаллическая структура графита слоистая. Прочность и пластичность его весьма низкие.

Углерод растворим в железе в жидком и твердом со­стояниях, может образовывать химическое соедине­ние — цементит, может находиться в свободном виде в форме графита.

 

Железоуглеродистые сплавы могут иметь следующие структурные составляющие.

Феррит (Ф)— твердый раствор внедрения углерода и других элементов в a-железе. Имеет объемно-центриро­ванную кубическую решетку. Растворимость углерода в феррите очень мала: при комнатной температуре до 0,005 %; наибольшая растворимость 0,02 % при 727°С. Феррит высокопластичен и мягок, хорошо обрабатыва­ется давлением в холодном состоянии.

Аустенит (А)— твердый раствор углерода и других элементов в g-железе. Существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в g-железе 2,14% при температуре 1147°С и 0,8 % при 727°С. Эта температура является нижней границей су­ществования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит высокопластичен, но более тверд, чем феррит.

 

Цементит (Ц)— химическое соединение железа с уг­леродом (карбид железа Fe₃C). В цементите содержит­ся 6,67 % углерода. Температура плавления цементита около 1600°С. Имеет сложную кристаллическую решет­ку. Самая твердая и хрупкая составляющая железоугле­родистых сплавов. Цементит неустойчив и в определен­ных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита по реакции: Fe₃C > 3Fe + С.

Чем больше цементита в железоуглеродистом cплаве, тем выше его твердость.

Графит — аллотропическая модификация углерода. Графит мягок, прочность его очень низкая. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений различных форм. Форма графитовых включений влия­ет на механические и технологические свойства сплава.

Перлит(П) — механическая смесь феррита и цемен­тита, содержащая 0,8 % углерода. Образуется при пере­кристаллизации (распаде) аустенита при температуре 727°С. Этот распад называется эвтектоидным, а пер­лит — эвтектоидом. Перлит обладает высокими прочно­стью, твердостью и повышает механические свойства

сплава.

Ледебурит— механическая смесь аустенита и цемен­тита, содержащая 4,3 % углерода. Образуется в резуль­тате эвтектического превращения при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит превращается в перлит, и после охлаждения ледебурит представляет собой смесь перлита с цементитом. Ледебурит имеет высокую твердость и большую хрупкость. Содержится во всех белых чугунах.

23

Диаграмма состояния железо — цементит представ­лена в упрощенном виде на рис. 14. Она показывает фазовый состав и структуру железоуглеродистых спла­вов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67 % углерода).

В рассматриваемой системе существуют следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы (феррит и аус­тенит), химических соеденений

(в упрощенном виде): А — аустенит, П — перлит, Л — ледебурит,

Ф.— феррит, Ц — цементит

Жидкий сплав (Ж. С.) существует выше линии ликви­дус ACD. Цементит Fe₃C (Ц) — вертикальная линия DFKL. Область феррита (Ф) располагается левее линии GPQ. Область аустенита (А) — AESG.

На диаграмме точка А (1539°С) соответствует темпе­ратуре плавления железа, а точка D (1600°С) — темпе­ратуре плавления цементита. Точка С (911 °С) — темпе­ратура полиморфного превращения железа a  g.

Точка С соответствует предельному содержанию уг­лерода в аустените (2,14 % при температуре 1147°С). При понижении температуры растворимость углерода в аус­тените уменьшается полинии ES. В точке S она состав­ляет 0,8 % при 727°С.

Точка Р — предельное содержание углерода в ферри­те 0,02 % при 727°С. При охлаждении до комнатной тем­пературы растворимость углерода в феррите уменьша­ется по линии PQ до 0,005 %.

При температуре 1147°С жидкий сплав, содержащий 4,3 % углерода, кристаллизуется с образованием эвтек­тики (механической смеси двух фаз аустенита и цемен­тита). При этом образуется структура ледебурита. Точка С на диаграмме — точка эвтектики, линия ECF— линия кристаллизации эвтектики.

При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % углерода, распадается на две фазы — цементит и фер­рит, т. е. происходит эвтектоидное превращение. При этом образуется структура, называемая перлитом. На диаграмме точка S — точка эвтектоида, линия PSK— ли­ния эвтектоидного превращения.

Рассмотрим кристаллизацию сплавов, содержащих различное количество углерода.

Сплавы,содержащие до 2,14% углерода,кристаллизуют­ся в интервале температур, ограниченном линиями АС (линия ликвидус) и АЕ (линия солидус). После затверде­вания сплавы имеют однофазную структуру — аустенит.

При кристаллизации доэвтектических сплавов, содер­жащих от 2,14 до 4,3% С,из жидкой фазы при темпе­ратурах, соответствующих линии ликвидус АС, сначала выделяются кристаллы аустенита. При температуре 1147°С оставшаяся жидкость, имеющая эвтектический состав (4,3 % С), кристаллизуется, образуя эвтектику ледебурит. После затвердевания доэвтектические спла­вы состоят из аустенита и ледебурита.

В заэвтектических сплавах, содержащих от 4,3 до 6,67 % С,с понижением температуры до линии ликви­дус CD зарождаются и растут кристаллы цементита. При температуре 1147°С жидкость достигает эвтектической концентрации и затвердевает с образованием ледебури­та. После затвердевания заэвтектические чугуны состо­ят из первичного цементита (кристаллизовавшегося из жидкого сплава) и ледебурита.

Эвтектический сплав (4,3% C)кристаллизуется при постоянной температуре с образованием только эвтек­тики — ледебурита (А + Fe₃C).

После затвердевания железоуглеродистые сплавы претерпевают фазовые и структурные изменения. Это связано с полиморфным превращением железа и с из­менением растворимости углерода в аустените и в фер­рите с понижением температуры.

Сплавы, содержащие до 0,02% С(точка Р), испыты­вают при охлаждении и при нагреве полиморфное пре­вращение a  g между линиями GOS и GP. Ниже ли­нии GP существует только феррит. При дальнейшем медленном охлаждении растворимость углерода в фер­рите уменьшается (линия PQ), из феррита выделяется цементит (третичный).

Сплавы, содержащие 0,02—0,8% С,называют доэвтектоидными. Эти стали после кристаллизации состоят из аустенита. При температурах ниже линии GOS начи­нают расти зерна феррита. При достижении 727°С аустенит, не претерпевший превращения, имеет эвтектоидную концентрацию (0,8 % С) и распадается с одновременным выделением из него феррита и цементита, образующих эвтектоидную структуру перлит. После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру феррит + перлит.

В эвтектоидном сплаве (0,8% С)при температуре 727°С (точка S) весь аустенит превращается в перлит.

При охлаждении заэвтектоидных сплавов(от 0,8 до 2,14% С)до температур, соответствующих линии SE, из аустенита выделяется цементит (вторичный) в результате уменьшения растворимости углерода в аустените. При температуре 727°С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит. После охлаждения заэвтектоидные сплавы состоят из перлита и цементита.

В доэвтектических сплавах вследствие уменьшения растворимости углерода при охлаждении (линия SE) происходит частичный распад аустенита с выделением кристаллов вторичного цементита. При 727°С аустенит эвтектоидного состава превращается в перлит. Структу­ра доэвтектических сплавов после окончательного ох­лаждения состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

Эвтектический сплав (4,3 % С) при температурах ниже 727°С состоит только из ледебурита (перлит + це­ментит).

Заэвтектические сплавы после полного охлаждения состоят из первичного цементита и ледебурита (перлит + цементит).

При температурах ниже 727° С железоуглеродистые спла­вы имеют различную структуру, но фазовый состав их оди­наков. Они состоят из двух фаз феррита и цементита.

24,25

Все сплавы, содержащие до 2,14%С, после окончания кристаллизации имеют структуру аустенита. В сплавах, содержащих до 0,1 % С (до точки Н), при охлаждении вначале происходит кристаллизация Fе_δ (С) с последующим превращением его в аустенит. В сплавах, содержащих 0,1—0,5 % С (до точки В), образование аустенита происходит по линии HJВ при 1499 °С по перитектической реакции Ж_B + Ф_H ↔ А_J. Поэтому часто пользуются более упрощенной диаграммой Fе—Fе₃С, где линия солидуса АHJЕ представлена в виде простой линии АЕ (рис. 91).

На рис. 91 изображена левая часть диаграммы Fе—Fе₃С.

 

Сплав I содержит меньше 0,02% С, т. е. расположен левее точки Р. Он представляет собой технически чистое железо.

Кристаллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве I не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается.

В точке 3 начинается перестройка решетки аустенита (г. ц. к.) в решетку феррита (о. ц. к.) с изменением содержания углерода в обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GOS, а состав феррита - по линии GМР *. В точке 4 это превращение заканчивается и до точки 5 происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже точки 5 сплав находится в области двухфазного состояния Ф + Ц. Линия РG — линия переменной растворимости углерода в решетке феррита. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fе₃С, т. е. цементит. Чтобы отметить осо­бенности выделения цементита в сталях, содержащих углерода менее 0,02 %, его обозначают Ц_III, т. е. цементит третичный. При обычном охлаждении Ц_IIIвыделяется главным образом внутри зерен в виде очень дисперсных включений, увеличивая прочность феррита. Если охлаждение проводить медленно, то Ц_III будет выделяться по границам зерен феррита.

Кривая охлаждения сплава II (рис. 91) типична для всех сплавов, содержащих от 0,02 до 0,8% С, разница - только в температурах критических точек. Образование кристаллов аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. При этом состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидуса АС, а состав аустенита - по линии солидуса АЕ. В точке 3 начинается превращение аустенита в феррит, которое протекает до точки 4. Состав аустенита изменяется по линии GOS, состав феррита - по линии GМР. В точке 4 при 727^оС происходит эвтектоидное превращение.

 

Чем больше в стали углерода, т. е. чем ближе располагается сплав к точке 5, тем большее время необходимо для этого превращения (отрезок 4-4' на кривой охлаждения будет больше) и в структуре сплава будет больше перлита. После охлаждения структура таких сплавов состоит из Ф+ П.

Сплав III содержит 0,8 % С, т. е. по составу отвечает точке эвтектоидного превращения 5. При его охлаждении до 727 °С аустенит не испытывает никаких превращений, поэтому при температуре 727 °С весь аустенит превратится в перлит,

Сплав IV (рис. 91) содержит углерода больше 0,8 %, но меньше 2,14 %, т. е. он располагается между точками S и Е. До точки 3 кристаллизация этого сплава протекает так же, как и сплавов I и II. При температурах от точки 3 до точки 4 изменяется содержание углерода в аустените по линии ES. Точка Е соответствует максимальной растворимости углерода в аустените, т. е. 2,14 %, а точка 5 - минимальной; 0,8 % С. Избыточный углерод по мере понижения температуры выделяется из решетки аустенита и образует с железом так называемый вторичный цементит, который обозначают Ц_II.

При 727°С (точка 4) происходит эвтектоидное превращение. Таким образом, после окончательного охлаждения сплав будет иметь структуру П + Ц_II. По сравнению с Ц_III выделение Ц_II происходит при более высоких температурах, когда скорости диффузии велики. Поэтому Ц_II образуется по границам зерен в виде сетки.

 

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67 % является наличие в их структуре ледебурита (рис. 93).

Кривая охлаждения сплава V типична для всех сплавов, содержащих от 2,14 до 4,3 % углерода (т. е. расположенных от точки Е до точки С). Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидуса от точки а до точки Е, а состав жидкой фазы — от точки 1 до точки С. При 1147 °С (точка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическое превращение

Ж_C ↔ эвтектика (А_E + Ц_F)

При температурах между линиями ЕСF и РSК сплав имеет структуру А + Л (А + Ц) + Ц_II. И в этих сплавах образуется Ц_II, так как при охлаждении состав аустенита также будет изменяться по линии GS.

При 727 °С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение А_S ↔ эвтектоид(Ф_Р + Ц_K) и ниже этой температуры сплав будет иметь структуру П + Л (П + Ц) + Ц_II. Вторичный цементит сливается с цементитом ледебурита.

При охлаждении сплава VI (4,3 % С) при температуре 1147^оС (точка С) вся жидкость превращается в ледебурит, который с понижением температуры испытывает превращения, аналогичные сплаву V.

В сплавах, содержащих углерода от 4,3 до 6,67 % (сплав VII), в точке 1 начинается образование кристаллов цементита. Чтобы отметить характер выделения, такой цементит называют первичным и обозначают Ц_I. Поскольку при кристаллизации Ц_I выделяется из жидкой фазы, его кристаллы обычно бывают крупными (грубые выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превращение. Структура сплава между линиями ЕСF и РSК Ц_I + Л (А + Ц), При 727^оС происходит эвтектоидное превращение аустенита. Окончательная структура сплава (ниже 727°С) Ц_I + Л (П + Ц). Химические и физические свойства Ц_I, Ц_II и Ц_III одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений.

 

Стали.

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.

С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Это приводит к уменьшению пластичности, 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, снижаются магнитная проницаемость и плотность магнитной индукции.

  Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей

Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (для изготовления отливок 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 углеродистых 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…0,5 %. 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 в холодном состоянии.

Содержание фосфора в стали 0,025…0,05 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности  и предел текучести  , но снижает пластичность и вязкость.

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

Хладноломкость Ст3кп – 0^оС, а у Ст3сп – «-40^оС», поэтому применение кипящей стали для северных районов не допустимо.

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 S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

Содержание серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. Сера нерастворима в железе, она образует с ним химическое соединение – сульфид железа FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику (Fе + FеS) с температурой плавления988^oС. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 °С эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами, сталь становится хрупкой. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости (повышение хрупкости при высоких температурах).

Для уменьшения вредного влияния серы добавляют марганец (соединение MnS имеет t_пл=1620^оС, пластично и не вызывает красноломкости).

Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность (δ и ψ), а так же 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. Случайные примеси - случайно попадают в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель) . Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

4. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для изменения ее строения и получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.

Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более.

При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1—0,5 % стали считают легированными этими элементами.

Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, но их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств — прочности, пластичности и т. д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

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.

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, снижает 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 – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

26

Стали обычно классифицируют по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (без легирующих элементов), низколегированные, легированные, высоколегированные, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных - от 2,5 до 10 %, в высоколегированных - более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %. Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количество больше, чем любого другого элемента.

В зависимости от количества легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми либо хромо-никелевыми, хромомарганцовистыми и т.д.

По назначению стали разделяют на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. Внутри классификации, существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам.

По структуре классификация в значительной степени условна.

В равновесном состоянии стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

После охлаждения на воздухе образцов небольшого сечения с температуры приблизительно 900 ºС стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества; качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками по качеству стали являются более жесткие требования по химическому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как фосфор и сера. Содержание фосфора и серы в сталях разной категории качества следующее:

Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям, все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

 

 

Таблица 1

Классификация сталей по качеству

 

Категория качества	Обыкновенная	Качественная	Высококачественная	Особо высококачественная
Р, %, не более	0,040	0,035	0,025	0,015
S, %, не более	0,050	0,035	0,025	0,015

27

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 s_в = 320-400 МПа и d > 33 %, а сталь марки Cт6 – s_в = 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.

28

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого феррита. Поэтому с увеличением содержания углерода прочность сталей нарастает, достигает максимума при 0,8-1% и затем начинает снижаться. Таким образом, наибольшими прочностными характеристиками обладает сталь, по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладоломкости стали, т.е. та температура, при охлаждении, до которой сталь становится хрупкой (сталь содержащая 0,4% углерода имеет порог хладоломкости 0 градусов). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и пластической деформации. Способность к обработке резанием оптимальное у среднеуглеродистых сталей. При более высоком содержании углерода сталь является слишком твёрдой и хрупкой, что ведёт к преждевременному износу режущего инструмента. При более низком содержании углерода, сталь становится слишком мягкой, что приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки, с целью раскисления, т.е. удаления из сталей избыточного кислорода, который присутствует в виде соединения FeO, существенно ухудшающего свойства готовой стали. Таким образом кремний является полезной примесью. Обычно кремний растворяется в феррите, образуя твёрдый раствор замещения и упрочняет феррит.

Фосфор попадает в сталь из руды. Он также как и кремний растворяется в феррите, но приводит к ухудшению его пластический свойств и увеличению хрупкости. Кроме того, фосфор может скапливаться в сталях в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций. Эти сегрегации так же ведут к увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания фосфора повышается порог хладноломкости стали. Таким образом, фосфор является вредной примесью, приводящей к хрупкости стали.

Сера является так же вредной примесью. Она попадает в сталь в основном из руды и золы топлива. Полностью избавится от серы не просто. В сталях сера не растворяется, она образует соединение FeS, которое совместно с чистым железом формирует легкоплавкую эвтектику, с температурой плавления  , располагающейся по границам зёрен. При нагреве стали до горячего деформирования, эта эвтектика частично проплавляется или размягчается, что приводит к комкости стали. Такое явление называют красноломкостью. Таким образом, сера это вредная примесь, ведущая к красноломкости.

 

Марганец как и кремний, специально вводят в сталь для её раскисления. Он оказывается не только полезное раскисляющее действие, но так же препятствует вредному влиянию серы. Он более активно взаимодействует с серой, образуя соединение  . Эта эвтектика уже не растворяется при температурах горячего деформирования, что препятствует развитию красноломкости. Таким образом марганец в сталях является полезной примесью.

Газы: кислород, водород и азот попадают в сталь на этапе выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, образуя твёрдые растворы внедрения, либо образуют различные химические соединения (окислы, нитриды), либо в чистом виде собирается в порах. Растворяясь в феррите эти газы повышают его хрупкость и снижают вязкость. Все химические соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Газы скапливающиеся в порах в чистом виде, так же ухудшают механические свойства стали. Особенно вредное влияние оказывает водород, который скапливается под большим давлением, приводит к внутренним разрывам стали. Все газы в сталях являются вредными примесями. Чем меньше в сталях вредных примесей, тем сталь качественнее.

29 1. Что такое система, компонент, фаза, структура, сплав?

2. В чем заключается термический метод построения ди­аграмм сплавов?

3. Что такое эвтектика? Опишите процесс кристаллизации эвтектики.

 

2.1.2 Железоуглеродистые сплавы

Железоуглеродистые сплавы являются важнейшими спла­вами, широко применяемыми в различных отраслях народно­го хозяйства для изготовления деталей машин и конструк­ций, поэтому изучению их строения, свойств и методам полу­чения у них этих свойств нужно уделить большое внимание.

Изучение данной темы нужно начать с рассмотрения свойств и строения чистого железа при различных темпера­турах, его полиморфизма. Изучить свойства чистого углеро­да, уделив особое внимание графиту, и взаимодействие угле­рода с железом.

Диаграмму состояния сплавов системы железо-цементит нужно научиться анализировать по основным точкам, линиям, областям, знать условия образования и существования равно­весных фаз сплавов железа с различным содержанием угле­рода и их свойства. Иметь представление о стабильной диаг­рамме железо – графит и условиях образования свободного графита в железоуглеродистых сплавах.

1. Кто из ученых считается основоположником диаграммы сплавов системы железо-цементит?

2. Вычертите диаграмму сплавов системы железо-цемен­тит и покажите, какие структуры существуют в равновесном состоянии у железоуглеродистых сплавов при различных тем­пературах.

3. Какие фазы образуются в системе сплавом Fе – Fе₃С и Fе – С?

Уяснить влияние углерода и постоянных примесей на мик­роструктуру, механические и технологические свойства стали. Изучить современную классификацию и маркировку сталей, но назначению и качеству согласно ГОСТ 380 – 88, ГОСТ 1050 – 88, ГОСТ 1435 – 90 и области их применения.

 

1. Как влияют углерод и постоянные примеси на свойства углеродистых сталей?

2. Как классифицируются и маркируются углеродистые стали?

Изучить влияние углерода и примесей на строение и свой­ства чугуна. Разобраться с условиями графитизации чугуна, получением, строением и свойствами белого, серого, ковкого и высокопрочного чугуна, их маркировкой по ГОСТ 1412 – 85. ГОСТ 1215 – 79. ГОСТ 7293 – 85 и областью их применения.

 

1. Как влияют углерод и примеси на строение и свойства чугунов?

2. Как классифицируются и маркируются чугуны?

 

Изучение этой части начните с классификации примесей. Рассмотрите влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, на свойства феррита и аустенита, на положение кри­тических точек, структуру и свойства стали. Разберитесь, ка­кие элементы образуют в стали карбиды, что они собой представляют, как влияют на ее свойства. Уясните основные де­фекты, встречающиеся в легированной стали. Внимательно разберитесь с классификацией и маркировкой легированной стали по ГОСТ 4543 – 71.

30 Классификация и маркировка легированных сталей

 

В зависимости от содержания легирующих элементов стали делят на низко- (до 2,5 %), средне- (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 %). В зависимости от назначения легированные стали подразделяют на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами (специальные стали).

Легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Первое число указывает на содержание углерода: для конструкционных сталей (две цифры) – в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях. Если впереди букв цифра отсутствует, то содержание углерода составляет 1 % или более. Затем следуют буквы русского алфавита, указывающие легирующие элементы. Обозначение легирующих элементов приведено в табл. 1.

 

Таблица 1

Обозначения легирующих элементов

Буква	Элемент	Буква	Элемент	Буква	Элемент
А Б В Г Д К	Азот Ниобий Вольфрам Марганец Медь Кобальт	М Н Р С Т Ф	Молибден Никель Бор Кремний Титан Ванадий	Х Ц   Ю	Хром Цирконий или Кальций Алюминий

 

Цифры, стоящие за буквами, указывают на среднее содержание легирующего элемента в целых процентах. Если за буквой цифра отсутствует, это значит, что данного элемента не более 1 %, если стоит цифра 1 – около 1,5 %. Буква А в конце марки обозначает, что сталь высококачественная, т. е. с пониженным содержанием серы и фосфора. Например, сталь марки 12ХН3А – конструкционная, содержащая 0,12 % углерода, до 1 % хрома, 3 % никеля, высококачественная.

Некоторые группы сталей имеют в марке дополнительные буквы: Р – быстрорежущая, Ш – шарикоподшипниковая. Многие стали с особыми свойствами имеют свои названия и другой принцип маркировки.

 

 

 

Конструкционные легированные стали в свою очередь делятся на стали повышенной обрабатываемости резанием, стали низколегированные, цементуемые (нитроцементуемые) и стали улучшаемые.

Легированные конструкционные стали повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали). В углеродистых конструкционных автоматных сталях повышено содержание серы и фосфора, что обеспечивает образование короткой и ломаной стружки, получение гладкой блестящей поверхности при резании. Большое распространение получили легкообрабатываемые легированные стали, содержащие свинец и кальций (Ц – кальций), способствующие лучшему отделению стружки. Свинец, при содержании его 0,1 – 0,3 %, позволяет на 25 – 30% повысить скорость резания.

 

В автомобильной промышленности для деталей, изготовляемых из прутков на металлорежущих автоматах, широко применяют автоматные стали, содержащие свинец и кальций, – АС12ХН, АС38ХГМ, АС19ХГН, АЦ20ХГНМ, АЦ40ХГНМ, АСЦ30ХМ и др.

Низколегированные конструкционные стали содержат не более 0,22 % углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов марок 14Г2, 17ГС, 18Г2С, 10ГТ. Стали 14Г2, 17ГС, 10ХСНД в основном используются для штампованных изделий и металлических сварных конструкций, а 18Г2С, 10ГТ – для армирования железобетонных конструкций.

В судо-, вагоно- и мостостроении широко применяют низколегированные низкоуглеродистые стали марок 09Г2С, 10ХНДП, 10ХСНД и др. Для отливки деталей рам тележек вагонов и корпусов автосцепок используют сталь марки 20ГФЛ. Эти стали обладают хорошими технологическими свойствами, достаточно высокой прочностью (в 1,5 – 2 раза выше, чем у углеродистой стали), хорошей свариваемостью, более высокой стойкостью к коррозии. Применение низколегированных сталей вместо углеродистых позволяет экономить 20 – 30% металла. Стоимость большинства марок низколегированной стали всего на 10 – 15 % выше углеродистой.

Легированные конструкционные цементуемые стали – это низколегированные стали (не более 0,3 % углерода), они обязательно подвергаются химико-термической обработке (цементации, нитроцементации, борированию и т. п.) с последующей закалкой и отпуском, применяются для изготовления деталей, требующих высокой поверхностной твердости и прочной вязкой сердцевины. После закалки и отпуска поверхностный слой должен иметь твердость не ниже HRC58 – 62.

Стали хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые 20Х, 15ХФ, 20ХГНР и т. п. применяют для изготовления деталей небольших и средних размеров, работающих на износ при повышенных нагрузках (втулки, валики, оси, мелкие зубчатые колеса, кулачковые муфты, поршневые пальцы и др.).

Хромоникелевые 12ХН3А, 20Х2Н4А, хромомарганцетитановые 18ХГТ, 25ХГТ, хромоникельмолибденовые 18Х2Н4МА стали применяются для деталей средних и больших размеров, работающих на износ при ударных и знакопеременных нагрузках. В частности, из сталей марок 12ХН3А и 20ХН3А делают шестерни зубчатой передачи колесомоторного блока локомотивов и электропоездов.

Хромоникелевые стали могут работать при отрицательной температуре, малочувствительны к перегреву, хорошо прокаливаются, но они дороги из-за дефицитности никеля, и их часто заменяют хромомарганцетитановыми 18ХГТ, 25ХГТ и т. п. К этой же группе относятся стали более сложного химического состава, такие как 15ХГН2ТА, 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА и их заменители 20Г2Р и 06ХГР.

Легированные конструкционные улучшаемые стали общего назначения – среднеуглеродистые, содержат 0,3 – 0,5 % углерода и подвергаются закалке и высокому отпуску (улучшению); они должны иметь высокую прочность при достаточной пластичности, малую чувствительность к концентраторам напряжения, высокий предел выносливости и хорошую прокаливаемость.

Хромистые стали марок 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для изготовления средненагруженных деталей: зубчатых колес, валов, рычагов, ответственных болтов и гаек. Стали марок 30ХР, 40ХРА, 33ХС, 38ХСА имеют повышенную прочность, хорошую прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали марок 30ХГСА, 35ХГСА, 40ХГСА, называемые «хромансиль», не содержат дефицитных легирующих элементов, но имеют высокие механические свойства, хорошо свариваются и часто являются заменителями более дорогих хромоникелевых и хромомолибденовых сталей.

Хромоникелевые стали марок 30ХН3А, 40ХН, 45ХН после термической обработки имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам, прокаливаются на значительно большую глубину по сравнению с другими легированными сталями. Из этих сталей изготавливают венцы тяговых зубчатых передач локомотивов с применением улучшения и поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (т. в. ч.).

Группа рессорно-пружинных сталей. Основным требованием, предъявляемым к рессорно-пружинным сталям, является высокий предел упругости и выносливости. Этим условиям удовлетворяют стали, легированные элементами, повышающими предел упругости: кремний, марганец, хром, ванадий, вольфрам.

Специфическим в термической обработке рессорных листов и пружин является применение закалки и среднего отпуска при температуре 400 – 500°С (в зависимости от стали). Это необходимо для получения структуры троостита отпуска (с твердостью HRC42 – 48), обеспечивающего наиболее высокий предел упругости.

Для изготовления пружин вагонов, некоторых автомобильных рессор, в станкостроении, для торсионных валов наиболее часто применяют кремнистые стали марок 55С2, 60С2, 70С3А, которые имеют высокий предел текучести и упругости.

Дополнительное легирование кремнистых сталей хромом, марганцем, вольфрамом и никелем увеличивает их прокаливаемость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и увеличению зерна при нагреве. Стали марок 60С2ХФА и 65С2ВА имеют хорошую прокаливаемость и высокую прочность, их применяют при изготовлении крупных высоконагруженных пружин и рессор. При больших динамических нагрузках используется сталь марки 60С2Н2А. Для автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА.

Срок службы рессор может быть увеличен в 1,5 – 2 раза дополнительной дробеструйной обработкой (поверхностным наклепом), создающей в поверх-ностных слоях металла остаточное напряжение сжатия, понижающее рабочее напряжение растяжения.

Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой «Ш». Основной маркой шарикоподшипниковой стали является ШХ15, химический состав которой – 0,95 – 1,05 % углерода и хрома – 1,3 – 1,65. После закалки с 840 – 860°С в масле и отпуска при 150 – 170°С твердость достигает HRC62 – 65. Для изготовления более крупных подшипников используется хромомарганцевокремнистая сталь марки ШХ15СГ (0,4 – 0,65 % кремния, 0,9 – 1,2 – марганца). Структура сталей после термической обработки (скрытокристаллический мартенсит с равномерным распределением мелких избыточных карбидов) обеспечивает высокую твердость, износостойкость и сопротивление контактной усталости.

Крупные подшипники диаметром более 500 мм, работающие при высоких динамических нагрузках, изготавливают из цементуемых сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с более сложной термической обработкой после цементации.

Высокомарганцовистая износостойкая аустенитная сталь. Это так называемая «сталь Гадфильда Г13», которую начали применять с 1882 г. В настоящее время ее марка – 110Г13Л, она содержит 0,9 – 1,3 % углерода и 11,5 – 14,5 – марганца. Это соотношение (Mn : C ³ 10) обеспечивает в литых изделиях после закалки в воде аустенитную структуру с высокой прочностью s_в = 100 МН/м² (90 кгс/мм²) и низкой твердостью НВ200. При низкой твердости сталь 110Г13Л обладает необычно высокой износостойкостью при трении с давлением и ударами, что объясняется ее повышенной способностью к наклепу. В результате наклепа аустенит в поверхностном слое превращается в мартенсит. По мере износа этого слоя мартенсит образуется в следующем, низлежащем слое и т. д. Поэтому сталь 110Г13Л плохо обрабатывается резанием и широко используется только в литейном производстве. Ее применяют для щек камнедробилок, зубьев ковшей экскаваторов, черпаков землеройных машин, траков гусеничных машин и т. п. На транспорте из нее отливают детали крестовин стрелочных переводов. Если же во время работы сталь не испытывает значительного давления и ударов, вызывающих наклеп, то повышения износоустойчивости не наблюдается.

31..35