- •1.Диаграмма состояния IV типа Диаграмма состояния IV типа Компоненты образуют в твердом состоянии химические соединения
- •Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения
- •Диаграмма с устойчивым химическим соединением
- •Диаграмма состояния с устойчивым химическим соединением AnBm
- •Диаграмма состояния с двумя устойчивыми химическими соединениями
- •Диаграмма состояния с твердым раствором на базе химического соединения
- •Диаграмма с неустойчивым химическим соединением
- •2.Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.
- •Фазовый состав и микроструктура
- •3. Микроструктура сплавов.
- •4.Влияние углерода на физико-механические свойства стали
- •6.Термическая обработка сталей.
- •В зависимости от химического состава:
- •2. В зависимости от концентрации углерода:
- •3. По назначению:
- •4. В зависимости от качества:
- •7. Структура и механические свойства чугунов.
- •Передельные белые чугуны
- •Литейные чугуны
- •Серые чугуны
- •Высокопрочные серые чугуны
- •Ковкие чугуны
- •Применение чугунных изделий в строительстве
- •8.Легированные стали
4.Влияние углерода на физико-механические свойства стали
Стали являются наиболее распространенными 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.
С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз. Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются 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 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации. Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.
Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.
|
|
Группа - А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой. Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО. Сплавы группы - В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.
|
|
При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п. В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности - буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится. Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой - У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента - 0,7 - 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву – А, например, У7А, У13А, У10А.
|
|
1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит ; 2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис11.а); 3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.11, б, в); 4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.11, г). |
Рис. .11 Микроструктуры сталей:
а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).
На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема производства стали. Эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Недостатки: - они менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает деформацию и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями, их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность. Главный их недостаток: небольшая прокаливаемость (т.е. способность закаливаться на определенную глубину). Поэтому крупные детали изготавливают без термического упрочнения – в горячекатаном или нормализованном состоянии. По статической прочности они относятся к сталям нормальной прочности. |
|
Кипящие стали Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30-40оС выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и др.): Ст3кп – порог хладноломкости t50= -10оС Ст3сп - ------- -50оС Поэтому для ответственных сварных конструкций, а так же для суровых климатических условий применяются спокойные стали. |
|
Низкоуглеродистые стали подразделяют на 2 группы: 1) 05, 08, 10 – мало прочные, высокопластичныеσв = 280-330 МПа δ = 33-45% Они способны к глубокой вытяжке, поэтому их применяют для холодной штамповки различных изделий. Если углерода более 0,1% то возможны только незначительная вытяжка или гибка. Чаще всего для глубокой вытяжки используют сталь 08кп (детали кузова автомобилей, корпуса приборов и др.). Кипящие стали легче штампуются, т.к. в них почти нет кремния, который сильно упрочняет феррит и затрудняет его деформируемость. 2)Цементуемые стали 15, 20, 25 – предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и др.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхность после цементации (насыщения поверхности углеродом) упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Эти стали применяют так же горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Характеристики: σв = 380-460 МПа δ = 27-23%. Среднеуглеродистые стали (улучшаемые) – 30, 35, 40, 45, 50, 55. Они более прочные, но менее пластичны. После улучшения (т.е. закалка + высокий отпуск на сорбит) достигается высокая прочность, вязкость и пластичность: σв = 500-600 МПа σ0,2 =300-360 МПа δ = 21-16% (в нормализованном состоянии) σв = 600-700 МПа σ0,2 =400-600 МПа δ = 19-20% (после улучшения). Стали этой группы применяют для изготовления деталейнебольшого размера (зубчатые колеса, маховики, оси) Высокоуглеродистые – стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 применяют в качестве рессорно пружинных. Термообработка: закалка + средний отпуск на троостит для получения высокой прочности и упругости σв>800 МПа. Автоматные стали – с улучшенной обрабатываемостью резанием с повышенным содержанием серы (0,08 – 0,3%) и фосфора (0,06%). Марки: А12, А20, А30 и др. Цифра указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Изготавливают винты, болты, гайки и др. |
Инструментальные стали.
Важнейшее условие работоспособности инструментов – высокая износостойкость, а так же высокая твердость (в 2-3 раза большей, чем у обрабатываемого материала), прочностью и теплостойкостью (т.е. способностью сохранять высокую твердость при повышенных температурах, т.к. происходит нагрев режущей кромки). Для сталей теплостойкость определяется сопротивлением разупрочнению при отпуске (т.е. максимальная температура, до которой сохраняется мартенситная структура). Для штампов важна ударная вязкость. |
|
Из сталей У10, У11, У12, У13 изготавливают сверла, напильники, пилы, метчики, фрезы и др. У12, У13 – для инструментов с максимальной износостойкостью – зубила для насечки напильников, граверный инструмент (HRC= 62-64). |
5.Классификация и маркировка сталей. Химический состав. Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:
Легированные стали подразделяют на:
Назначение Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий. Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода. С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар. С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали. Качество в зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на: Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
Степень раскисления по степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:
Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:
В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности, относительное удлинение, предел текучести, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.3 Конструкционные стали Нелегированные конструкционные стали обыкновенного качества обозначают по ГОСТ 380-94 буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится. Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В); Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют). Обозначение стали Содержание углерода Ст0 < 0.23%, Ст1 0.06 - 0.12%, Ст2 0.09 - 0.15%, Ст3 0.14 - 0.22%, Ст4 0.18 - 0.27%, Ст5 0.28 - 0.37%, Ст6 0.38 - 0.49%. Нелегированные конструкционные качественные стали В соответствии с ГОСТ 1050-88 эти стали маркируются двухзначными числами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 05 ; 08 ; 10 ; 25 ; 40 и т.д. Так сталь с содержанием углерода 0.07 - 0.14% обозначается 10, сталь с содержанием углерода 0.42 - 0.50% - 45, а сталь с углеродом 0.57 - 0.65% - 60. При этом для сталей с C < 0.2%, не подвергнутых полному раскислению, в обозначение добавляются буквы кп (для кипящей стали) и пс (для полуспокойной). Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются. Например, 08кп, 10пс, 15, 18кп, 20 и т.д. Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание марганца. Например: 14Г, 18Г и т.д. Качественные стали с повышенными свойствами, используемые для производства котлов и сосудов высокого давления, обозначают по ГОСТ 5520-79 добавлением буквы К в конце наименования стали: 15К, 18К, 22К. Конструкционные легированные стали В соответствии с ГОСТ 4543-71 наименования таких сталей состоят из цифр и букв. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Буквы указывают на основные легирующие элементы, включенные в сталь (см. таблицу 2, нержавеющие стали.) Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное содержание соответствующего элемента, округленное до целого числа , при содержании легирующего элемента до 1.5% цифра за соответствующей буквой не указывается. Например, сталь состава C 0.09 - 0.15%, Cr 0.4 - 0.7%, Ni 0.5 - 0.8% называется 12ХН, а сталь состава C 0.27 - 0.34%, Cr 2.3 - 2.7%, Mo 0.2 - 0.3%, V 0.06 - 0.12% - 30Х3МФ. Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S < 0.03%, P < 0.03%) и сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А. Особовысококачественные стали, подвергнутые электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов, обозначают добавлением через тире в конце наименования стали буквы Ш. Например: 12Х2Н4А, 15Х2МА, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др. Литейные конструкционные стали В соответствии с ГОСТ 977-88 обозначаются по тем же правилам, что и качественные и легированные стали. Отличие заключается лишь в том, что в конце наименований литейных сталей приводится буква Л, например, 15Л, 20Г1ФЛ, 35 ХГЛ и др. Строительные стали. Строительные стали по ГОСТ 27772-88 обозначаются буквой С (строительная) и цифрами, соответствующими минимальному пределу текучести стали. Буква К в конце наименования указывает на стали с повышенной коррозионной стойкостью, буква Т - на термоупрочненный прокат, а буква Д - на повышенное содержание меди. Например: С255, С345Т, С 390К, С440Д и т.д. Шарикоподшипниковые стали ГОСТ 801-78 маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву, буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире. Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш. Автоматные стали ГОСТ 1414-75 начинаются с буквы А (автоматная). Если сталь при этом легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей. Например: А20, А40Г, АС14, АС38ХГМ Инструментальные стали Нелегированные углеродистые инструментальные стали Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные. Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, в десятых долях процента. Так сталь У7 содержит 0.65 - 0.74% углерода, сталь У10 - 0.95 - 1.04%, а сталь У13 - 1.25 - 1.35%. В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). Кроме того, в обозначениях как качественных, так и высококачественных углеродистых инструментальных сталей может присутствовать буква Г, указывающая на повышенное содержание в стали марганца. Например: У8Г, У8ГА. Инструментальные легированные стали Правила обозначения инструментальных легированных сталей по ГОСТ 5950-73 в основном те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное содержание углерода также указывается в начале наименования стали, в десятых долях процента, а не в сотых, как для конструкционных легированных сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода составляет около 1.0%, то соответствующую цифру в начале ее наименования обычно не указывают. Приведем примеры: сталь 4Х2В5МФ имеет содержание C 0.3 - 0.4%, Cr 2.2 - 3.0%, W 4.5 - 5.5%, Mo 0.6 - 0.9%, V 0.6 - 0.9%, а сталь ХВГ - C 0.9 - 1.05%, Cr 0.9 - 1.2%, W 1.2 - 1.6%, Mn 0.8 - 1.1%. Быстрорежущие стали Обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: В отличие от легированных сталей в наименованиях быстрорежущих сталей не указывается процентное содержание хрома, т.к. оно составляет около 4% во всех сталях, и углерода (оно пропорционально содержанию ванадия). Буква Ф, показывающая наличие ванадия, указывается только в том случае, если содержание ванадия составляет более 2.5%. В соответствии с вышесказанным сталь Р6М5 имеет состав С 0.82 - 0.9%, Cr 3.8 - 4.4%, Mo 4.8 - 5.3%, V 1.7 - 2.1%, W 5.5 - 6.5%, а сталь состава С 0.95 - 1.05%, Cr 3.8 - 4.3%, Mo 4.8 - 5.3%, V 2.3 - 2.7%, N 0.05 - 0.1%, W 5.7 - 6.7% называется Р6АМ5Ф3 Нержавеющие стали Обозначения стандартных нержавеющих сталей согласно ГОСТ 5632-72 состоят из букв и цифр и строятся по тем же принципам, что и обозначения конструкционных легированных сталей. В обозначения литейных нержавеющих сталей добавляется буква Л. Приведем примеры: нержавеющая сталь состава C < 0.08%, Cr 17.0 - 19.0%, Ni 9.0 - 11.0%, Ti 5*C - 0.7% обозначается 08Х18Н10Т, а литейная сталь 16Х18Н12С4ТЮЛ имеет состав C 0.13 - 0.19%, Cr 17.0 - 19.0%, Ni 11.0 - 13.0%, Si 3.8 - 4.5%, Ti 0.4 - 0.7%, Al 0.13 - 0.35%. В том случае, если стали получены методом электрошлакового переплава, к их наименованиям (также как и для легированных сталей) добавляется через тире буква Ш (06Х16Н15М3Б-Ш). Помимо этого к наименованиям указанных сталей через тире могут добавляться буквы, означающие следующее: ВД - вакуумно-дуговой переплав (09Х16Н4Б-ВД), ВИ - вакуумно-индукционная выплавка (03Х18Н10-ВИ), ЭЛ - электронно-лучевой переплав (03Н18К9М5Т-ЭЛ), ГР - газокислородное рафинирование (04Х15СТ-ГР), ИД - ваккумно-индукционная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ЭП14-ИД), ПД - плазменная выплавка с последующим вакуумно-дуговым переплавом (ХН45НВТЮБР-ПД), ИЛ - вакуумно-индукционная выплавка с последующим электронно-лучевым переплавом (ЭП989-ИЛ) и т.д. |
Таблица 1. Обозначения химических элементов в марках сталей
Обозначения элементов |
Наименование элемента |
|
в марке стали |
в таблице Менделеева |
|
А |
Cu |
Медь |
Б |
Nb |
Ниобий |
В |
W |
Вольфрам |
Г |
Mn |
Марганец |
Е |
SE |
Селен |
К |
Co |
Кобальт |
М |
Mo |
Молибден |
Н |
Ni |
Никель |
Р |
B |
Бор |
С |
Si |
Кремний |
Т |
Ti |
Титан |
Ф |
V |
Ванадий |
Х |
Cr |
Хром |
Ц |
Zr |
Цирконий |
Ю |
Al |
Алюминий |