Влияние углерода, постоянных примесей на свойства сталей

Билет.

Фазы.

Фаза – однородная составная часть системы, имеющая свой хим. Состав и кристаллическое строение или агрегатное, свои свойства и отделенной от других частей системы поверхностью раздела.

В системе Fe-C различают следующие фазы: жидкий раствор, твердый раствор – феррит и аустенит, а так же графит и цементит.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Атом углерода расположен в решетке феррита в центре грани куба.

Содержание углерода 0,008 – 0,1%. Высокая пластичность, низкая твердость.

Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-Fe, с решеткой ГЦК. Остывая существует до 911*С. Содержание углерода 0-2,14%. Углерод располагается в центре элементарной ячейки, решетки ГЦК.

Цементит – это карбид железа 3 – Fe3C.При охлаждении аустенита ниже 911*с, получается два вида кристаллов: Феррит и Цементит. Цементит имеет 6,67% углерода. Имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Высокая твердость, низкая пластичность.

Смесь Феррита и Аустенита – П ерлит. Содержание углерода 0,8% всегда. Высокая пластичность и твердость.

Графит – кристаллическая решетка – гексагональная слоистая. Графит мягок и обладает низкой прочностью.

Ледебурит- равномерная механическая смесь кристаллов аустенита и цементита при температуре выше 727*С

И смесь перлита и цементита при температуре ниже 727*С.

Диаграмма состояния системы железо-цементит (железо-углерод). Превращения в сплавах системы при нагреве и охлаждении.

Система – совокупность фаз, находящихся в равновесии.

Фаза – однородная составная часть системы, имеющая свой хим. Состав и кристаллическое строение или агрегатное, свои свойства и отделенной от других частей системы поверхностью раздела.

Диаграмма строится в координатах температура – концентрация сплава.

Диаграмма строится для условий равновесия (процесс нагрева \ охлаждения протекает медленно).

ABCD – линия ликвидус (начало кристаллизации).

AHJECF – линия солидус (конец кристаллизации – ниже этой линии сплавы в твердом состоянии).

В области ABIH сплав состоит из жидкости и кристаллов феррита.

По линии HIB идет процесс полиморфизма из феррита в аустенит.

В области HNI нет жидкости, только кристаллы феррита и Аустенита.

В области IECB Жидкий сплав + аустенит.

AHN – высокотемпературный феррит.

NIESG- только Аустенит.

Содержание аустенита достигает 100% в любом сплаве, находящемся при температуре 1147*С и содержащем меньше 2,14% углерода.

Аустенит существует до температуры 727*С, ниже этой температуры происходит:

1) Диффузия, образуется Fe3C.

2) Полиморфизм ОЦК, образуется феррит.

При 727*С происходит эвтектоидное превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь – перлит.

Если углерода в сплаве меньше 0,8% из аустенита выделяется феррит в области PSG.

Если больше 0,8% то по линии SE выделяется аустенит и цементит.

Область до 2,14% - область фазовых превращений в сталях.

Точка С показывает эвтектическое превращение жидкого сплава с содержанием углерода 4,3% в смесь кристаллов аустенита и Цементита – Ледебурит.

На участках EC и CF происходит превращение жидкого сплава в ледебурит.

Различают высокотемпературный ледебурит (А + Ц) 1147-727*С

и низкотемпературный ледебурит (П + Ц) ниже 727*С.

Содержание углерода в сплавах больше 2,14% формирует большое количество цементита и ледебурита, что приводит к повышению твердости и снижению пластичности.

Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода. При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость. 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 + Ц_II.

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 Ц_III (его максимальное содержание в технически чистом железе может достигать - 0,29%). 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.

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. Чем больше ударная вязкость (KCU), тем более вязкий образец (металл).Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние.

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?_в,?_т, практически не снижая пластичности. Резко уменьшает красноломкость стали.

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.. Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Т_пл = 1620С: 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).Также сера снижает пластичность. Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

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 облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) - повышает сопротивление коррозии.

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.

Примеси: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn и др. Эти примеси оказывают незначительное влияние на механические свойства. При точных исследованиях выявлено, что они повышают порог хладноломкости.

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04...0,09 %, а серы 0.04..0,07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8...1 % не оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность.

9. Углеродистые стали. Их структура, свойства, классификация, маркировка, применение.

Классификация углеродистых сталей

В зависимости от назначения стали делят на: конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны); инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы).

По структуре:- доэвтектоидные;- эвтектоидные;- заэвтектоидные.

По содержанию углерода:- малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);- среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С); - высокоуглеродистые (> 0,6%С).

По качеству: - обыкновенного качества (<0,05%S; <0,04%Р); - качественные (<0,04%S; <0,035%Р);

- высококачественные (<0,03%S; <0,03%Р).

Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора.

Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали - качественными и высококачественными.

Степень раскисления: По степени удаления кислорода из стали, т. е. По степени её раскисления, существуют:

· спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются);

· кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

· полу спокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

По качеству стали, классифицируют на

· обыкновенного качества,

· качественные, высококачественные.

Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными.

Стали обыкновенного качества обозначают 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.

Качественные конструкционные углеродистые стали

Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава: меньше содержание серы – 0,04%, фосфора – 0,035%; меньше количество неметаллических включений;

повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава. Поставляются стали по гарантированному химическому составу и механическим свойствам. Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 15, 20, …70, 75, 85,…08ю (Al), 10кп. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 65, 70, 75, 80 можно отнести к группе рессорно-пружинных сталей (характеризуются высоким пределом упругости). Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки

Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей. 05кп, 08, 08кп, 08ю – детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 – используют для деталей не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты. 20, 25 – крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, пальцы рессор, рамы и другие детали автотракторного с/х машиностроения. 30, 35 – слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни,рычаги, звездочки, кольца, шатуны. 40, 45, 50 – средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски. 60, 65, 70, 75, 80, 85 – пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, ж/д рельсы, крановые колеса.

Инструментальные качественные углероды

Маркируются углеродистые инструментальные стали по ГОСТ1435-74: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 – 0,7 % С; У11 – 1,1%С. Стали могут быть качественные и высококачественные.

Содержание вредных примесей:

Буква А в конце марки, указывает, что сталь высококачественная:

Обозначение высококачественных углеродистых инструментальных сталей: У7А, У8А, …, У13А.

Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-2000С (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки) с HRC62-63 до HRC15-18 (НВ 170-180).

Области применения инструментальных сталей: У7, У7А – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент. У8, У8А – фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент. У9, У9А, У10, У10А – сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки. У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А – резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна (легированные ~ в 6-ть раз дороже углеродистых).

10. Конструкционные стали. Их структура, свойства, классификация, маркировка, применение.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Марки сталей обыкновенного качества Ст0, Ст1, Ст2,…, Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, листы, трубы. Стали применяют в строительстве для сварных и болтовых конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Стали Ст5 и Ст6, имеющие более высокое содержание углерода, применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Выплавление качественной углеродистой стали производится при соблюдении строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,…, 85, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали имеют высокую прочность и высокую пластичность. Стали, не обработанные термически, применяются для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0.3–0.5 % С) 30, 35, …, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки. Эти стали имеют высокую прочность при более низкой пластичности, их применяют для изготовления небольших или крупных деталей, не требующих сквозной прокаливаемости. Стали с высоким содержанием углерода обладают высокой прочностью, износостойкостью. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, замковые шайбы, прокатные валки.

Качественные конструкционные углеродистые стали

Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава: меньше содержание серы – 0,04%, фосфора – 0,035%; меньше количество неметаллических включений; повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава. Поставляются стали по гарантированному химическому составу и механическим свойствам. Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 15, 20, …70, 75, 85,…08ю (Al), 10кп. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Стали 65, 70, 75, 80 можно отнести к группе рессорно-пружинных сталей (характеризуются высоким пределом упругости). Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки

Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей.

05кп, 08, 08кп, 08ю – детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 – используют для деталей не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты. 20, 25 – крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, пальцы рессор, рамы и другие детали автотракторного с/х машиностроения. 30, 35 – слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни,рычаги, звездочки, кольца, шатуны. 40, 45, 50 – средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски. 60, 65, 70, 75, 80, 85 – пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, ж/д рельсы, крановые колеса.

11. Инструментальные стали. Их структура, свойства, классификация, маркировка, применение.

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства для инструмента – износостойкость и теплостойкость. Для износостойкости инструмента необходима высокая поверхностная твердость, а для сохранения формы инструмента сталь должна быть прочной, твердой и вязкой. От теплостойкости стали зависит возможная температура разогрева режущего инструмента. Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.

Производятся (ГОСТ 1435-74) качественные (У7, У8, У9) и высококачественные – (У7А, У8А, У9А) углеродистые стали. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187–217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Стали марок У7, У8, У9 подвергают полной закалке и отпуску при 275–350 °C на тростит; так как они более вязкие, то их используют для производства деревообделочного, слесарного, кузнечного и прессового инструмента.

Заэвтектоидные стали марок У10, У11, У12 подвергают неполной закалке. Инструмент этих марок обладает повышенной износостойкостью и высокой твердостью. Заэвтектоидные стали используют для изготовления мерительного инструмента (калибры), режущего (напильники, сверла) и штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысоких нагрузках.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200 °C (отсутствие теплостойкости). Инструмент из этих сталей применяют для обработки мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

Содержание вредных примесей: ;
Обозначение высококачественных углеродистых инструментальных сталей: У7А, У8А, …, У13А.

Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-2000С (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки) с HRC62-63 до HRC15-18 (НВ 170-180).

Области применения инструментальных сталей: У7, У7А – зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент. У8, У8А – фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент. У9, У9А, У10, У10А – сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки. У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А – резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна (легированные ~ в 6-ть раз дороже углеродистых).

12. Белый и серый чугун. Влияние различных факторов (скорости охлаждения и состава) на формирование структуры серых чугунов. Маркировка серых чугунов.

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 %. углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.
Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe₃C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.
Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе. При медленном охлаждении сплавов железо – углерод происходит выделение графита. Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами. В зависимости от прочности серый чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412). Серые чугуны при малом сопротивлении растяжению имеют достаточно высокое сопротивление сжатию. Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца – 0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %. Учитывая малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.
Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны. Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали. При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две – предел прочности при изгибе.

В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5 % углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы.

Дата добавления: 2015-04-23