11350

Критические точки сталей. Классификация и свойства углеродистых сталей

Лекция

Производство и промышленные технологии

Лекция 4 Критические точки сталей. Классификация и свойства углеродистых сталей. Большинство технологических операций термическая обработка обработка давлением и др. проводят в твердом состоянии. Ниже рассматриваются превращения протекающие в сталях при охла

Русский

2013-04-07

48.28 KB

22 чел.

Лекция 4

Критические точки сталей. Классификация и свойства углеродистых сталей.

Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят в твердом состоянии.

Ниже рассматриваются превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области.

Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02 % С называют техническим железом, различают однофазное (сплав I) и двухфазное (сплав II) техническое железо (рис. 1).

Рис. 1. Часть диаграммы состояния FeFe3C для сплавов, не испытывающих эвтектоидное превращение.

При охлаждении сплава I от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит.

При охлаждении сплава  II после образования феррита (точки 3-4), начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (линия PQ на диаграммме). Структура сплава состоит из феррита и цементита в виде прослоек по границам ферритных зерен.

Рассмотренные сплавы широкого применения в промышленности не имеют.

Широкое промышленное применение имеют стали. Рассмотрим превращения при охлаждении аустенита, содержание углерода в котором находится в пределах 0,02-2,14% (рис. 2).

Рис. 2 Часть диаграммы состояния FeFe3C для сплавов, испытывающих эвтектоидное превращение.

Сплав II с содержанием углерода 0,8% называется эвтектоидной сталью. В ней по линии PSK происходит эвтектоидное превращение, т.е. из аустенита выделяются феррит и цементит. Смесь двух фаз называют перлитом. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре ≈ 727 0С.

Сплав I, с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 1-2 имеем частичное превращение аустенита в феррит. При температуре точки 2 (на линии PSK) происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. Конечная структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем больше в структуре стали перлита.

Сплав III с содержанием углерода более 0,8% называют заэвтектоидной сталью. В интервале температур точек 3-4 имеем выделение из аустенита вторичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При температуре точки 4, на линии PSK происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит. конечная структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и аустенита.

Сплавы с содержанием углерода более 2,14 % и имеющие структуру аустенита, цементита, ледебурита называются белыми чугунами. Рассмотрим превращение в чугунах (рис. 3.).

Рис. 3. Часть диаграммы состояния FeFe3C для  высокоуглеродистых сплавов (чугунов).

Сплав II – с содержанием углерода 4,3%  кристаллизуется по эвтектоидной реакции с одновременным выделением двух фаз:  аустенита состава точки Е и цементита. Образующаяся смесь называется  ледебуритом.

При дальнейшем охлаждении концентрация углерода в аустените изменяется по линии ES  вследствие выделения вторичного цементита и к температуре эвтектоидного превращения принимает значение 0,8 % С. При температуре линии PSK (7270С) аустенит в ледебурите претерпевает эвтектоидное превращение в перлит. Конечная структура состоит из ледебурита (перлит+цементит).

Сплав I – содержание углерода 2,14-4,3%. Кристаллизация начинается с выделения аустенита из жидкого раствора. Этот процесс идет в интервале температур точек 1-2. При температуре точки 2 образуется эвтектика (ледебурит). При дальнейшем охлаждении из аустенита, структурно свободного и входящего в ледебурит,  выделяется вторичный цементит. Обедненный вследствие этого аустенит при 7270С (линия PSK) превращается в перлит. Конечная структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, цементита и ледебурита.

Сплав III – содержания углерода 4,3-6,67%. Кристаллизация начинается с выделения из жидкого раствора цементита первичного. Этот процесс идет в интервале температур точек 5-6. Кристаллизация закачивается при температуре точки 6 (линия ECF) эвтектическим превращением с образованием перлита. При дальнейшем охлаждении превращения в твердом состоянии такие же, как в сплаве I. Конечная структура заэвтектического чугуна состоит из цементита и ледебурита.

В машиностроительном производстве железоуглеродистые сплавы подразделяются: на стали (содержание углерода от 0,02 до 2,14 %) и чугуны (содержание углерода от 2,14 до 6,67 %). Стали подразделяются на доэвтектоидные (содержание углерода от 0,02 до 0,8 %, структура Ф+П), эвтектоидные (содержание углерода 0,8 %, структура П), заэвтектоидные (содержание углерода от 0,8 до 2,14%, структура П+ЦII). Чугуны подразделяются на доэвтектические (содержание углерода от 2,14 до 4,3 %, структура П+Л+ЦII), эвтектические (содержание углерода 4,3 %, структура Л), заэвтектические (содержание углерода от 4,3 до 6,67 %, структура Л+ЦI).

В практике термической обработки сталей используется линии диаграммы РSК, SE, GS. Французский ученый Османд  для удобства предложил обозначать их следующим образом: линию РSК – АI, линию GS – А3, линию SE – Асм.

Так как при нагреве и охлаждении в процессе термической обработки положение этих линий не совпадает, то к предложенным обозначениям добавляются буквы:

- с – при нагреве (Ас1, Ас3, Ассм );

- r – при охлаждении (Аr1, Аr3,Аrсм ).

Для каждой стали эти значения можно найти в марочниках стали.

Классификация и свойства углеродистых сталей

Согласно диаграмме железо-цементит, сталь – это железо-углеродистый сплав, содержащий до 2,14 % углерода. Реально в сталях, которые применяются в машиностроении, содержание углерода не превышает 1,4 %. В промышленных марках стали содержится ряд элементов в виде примесей, которые остались в металле при ее получении на металлургическом заводе. Такими примесями являются марганец, кремний, сера, фосфор, газы и случайные примечи.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,7 %, в инструментальных – 1,3 %, оказывает определенное влияние на их свойства. Углерод способствует снижению пластичности стали, развитию хладноломкости, уменьшению ударной вязкости, ухудшению свариваемости, увеличению твердости стали.

Снижение пластических свойств у сталей с повышенным и высоким содержание углерода затрудняет холодную пластическую деформацию из-за опасности возникновения трещин. При изготовлении сварных конструкций также стараются использовать низкоуглеродистые стали (<0,2 % углерода).

Такое поведение стали объясняется изменениями в структуре. При повышении содержания углерода происходит увеличение количества перлита в доэвтектоидной стали и, соответственно, уменьшение количества мягкого феррита. Углерод способствует значительному возрастанию твердости, а прочность увеличивается только в доэвтектоидной стали. В заэвтектоидных сталях с образованием твердой и хрупкой самостоятельной фазы цементита их прочность уменьшается.

Марганец – полезная примесь, она вводится в стали в качестве раскислителя и сохраняется в ней в количестве 0,3-0,8 %. Марганец уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний также используется как раскислитель при выплавке стали. Он способствует увеличению предела текучести и предела прочности отожженной стали, повышает прокаливаемость. Кремний как и марганец в основном растворяется в феррите по типу замещения. Его количество не превышает 0,4 %.

Сера является вредной примесью в сталях. Она присутствует в виде сульфида железа FeS. Это соединение совместно с аустенитом образует эвтектику, которая плавиться при температуре 988 0С. Эта эвтектика располагается по границам зерен и вызывает снижение прочности, охрупчивание при температуре выше 800 0С. При высоких температурах эвтектика может расплавляться, вызывая разрушение по границам зерен и образование трещин. Это явление называется красноломкостью и создает трудности при горячей обработке давлением сталей с высоким содержанием серы. Содержание серы в стали строго ограничивают 0,05 %. Положительное влияние серы проявляется в  улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор в большинстве случаев считается вредной примесью. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость – снижение вязкости по мере понижения температуры. Каждая 0,01 % фосфора повышает порог хладноломкости на 25 0С. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Количество фосфора в стали ограничивают до 0,05 %.

Газы – кислород, азот и водород – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в очень малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами).

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Он образует в сталях флокены – внутренние надрывы в виде мелких трещин, что приводит к охрупчиванию стали. Количество газов в сталях ограничивается тысячными долями процента. Уменьшение количества газов в сталях достигается выплавкой стали в вакууме или с использованием электрошлакового переплава и др. Случайные примеси попадают в сталь из вторичного сырья или из руды. Стали, выплавленные из уральских руд, содержат 0,3 % меди. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и др. металлы.

На долю углеродистых сталей приходится около 80 % общего объема выпуска сталей. Углеродистые стали более дешевые и имеют удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Существенным недостатком углеродистых сталей является небольшая прокаливаемость, что значительно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Углеродистые конструкционные стали выпускаются двух видов: обыкновенные и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) имеют повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщение и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют в большом количестве. Эти стали преимущественно используют в строительстве и поставляют горячекатаными в виде прутка, листа, уголка, швеллера и др.

Стали маркируются сочетание букв «Ст» и цифрой от 0 до 6, показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением букв «СП» - спокойная, «ПС» - полуспокойная, «КП» - кипящая. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 – Ст6, кипящими – Ст1 – Ст4. Сталь 0 по степени раскисления не разделяют. Три марки стали производят с повышенным (0,8-1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г». Обозначение этих сталей такое: Ст3пс, Ст4сп, Ст3гпс, Ст5пс.

Степень раскисления определяет различное содержание газов в стали и, следовательно, порог хладноломкости и возможную температуру эксплуатации. Более надежны спокойные стали. Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535-88. Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Более прочные стали марок 4, 5, 6 используются в котло-, мосто- и судостроении.  

Углеродистые качественные стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и др. полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Обозначают их по ГОСТ 1050-88 двузначными числами (08, 10, 20…60), обозначающих среднее содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 45 содержит 0,45 % углерода. Спокойные стали маркируются только цифрой; кипящие обозначают 08кп 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали находят самое широкое применение в машиностроении, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Малопрочные и высокопластичные стали 08, 08кп, 10, 15 используют для холодной штамповки и глубокой вытяжки. Тонколистовую сталь 08кп широко применяют для кузовных деталей автомобилей. Цементуемые стали 15, 20, 25 предназначены для изготовления деталей малого размера – кулачки, толкатели, шестерни, для которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Эти свойства достигаются насыщением поверхностного слоя углеродом и последующей термической обработкой – закалкой и отпуском.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 отличаются высокой прочностью, но меньшей пластичностью. Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. Номенклатура деталей из этих сталей очень разнообразна: шатуны, коленчатые валы, зубчатые колеса, маховики, оси, толкатели и т.д. Стали 55, 60 после термической обработки применяют для изготовления пружин, рессор, шайб и др.

Среди конструкционных углеродистых сталей есть так называемые автоматные стали. Это стали, которые за счет повышенного содержания серы (<0,3 %) и фосфора (<0,15 %) имеют хорошую обрабатываемость резанием (ГОСТ 1414-75). Маркируются автоматные стали буквой «А» и двумя цифрами, показывающими процентное содержание углерода в сотых долях: А12, А20, А30. При добавлении свинца в количестве 0,15-0,30 % их маркируют «АС», АС1…АС14. При дополнительном легировании марганцем их обозначают АС35Г2.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

34756. Диалектика как учение о всеобщей связи и развитии. Метафизическое понимание развития. Объективная и субъективная диалектика. Софистика и эклектика. Диалектическая логика и догматизм 27 KB
  Объективная и субъективная диалектика. Диалектическая логика и догматизм Диалектика достаточно сложное учение и даже наше поверхностное учитывая дефицит времени рассмотрение ее проблематики займет у нас шесть вопросов. Начало традиционно дается определение диалектика. Учитывая что диалектика присутствовала и в дофилософские времена и разрабатывалась на протяжении всей истории философии целесообразно дать два определения диалектика.
34757. Принцип развития. Движение и развитие. Соотношение регресса и прогресса. Парадокс развития. Критерий прогресса 42 KB
  Парадокс развития. Уже на начальных этапах развития человеческого познания мыслители глубокой ревности обратили внимание на изменчивость бытия. На различных этапах развития науки и философии существовали теории абсолютизирующие одни формы движения и игнорирующие другие.
34758. Диалектика количественных и качественных изменений. Качество, количество, мера, скачок. Понятие нормы и патологии в медицине 79.5 KB
  Он предстает перед человеком не скоплением одинаковых предметов а как множество предметов явлений процессов наделенных различными свойствами. Вот почему познание предметов требует усилия мысли синтеза их многообразных проявлений. А множественность различных предметов характеризуется как качественное многообразие. Свойства обнаруживаются как проявления тех или иных черт сторон предметов в их отношениях с другими пред метами.
34759. Противоречие как источник развития. Закон единства и борьбы противоположностей. Принцип антагонистической регуляции функций 28.5 KB
  Принцип антагонистической регуляции функций Противоречие как источник развития диалектика Гераклита. О том что реальный процесс развития научного знания связан с этапами преодоления возникающих противоречий говорят многочисленные факты истории математики физики и др. Закон единства и борьбы противоположностей Движущую силу развития выражает закон единства и борьбы противоположностей.
34760. Диалектическое отрицание, закон отрицания отрицания. Цикличность и поступательность изменений 56.5 KB
  Раздвоение единого на отрицающие друг друга отрицание и опосредствующие одна другую отрицание отрицания противоположности постигается в учении о сущности. Своя мудрость и смысл заключены и в диалектическом принципе отрицания отрицания неразрывно связанном с принципом диалектической противоречивости. Отрицание отрицания.
34761. Категории диалектики, общая характеристика. Категории сущности и явления и их методологическое значение для медицины. Феномен кажимости - видимости 28.5 KB
  Феномен кажимости видимости Категории диалектики Философское мышление открывает всеобщие черты отношения присущие не какимто отдельным видам явлений процессов а всему бытию. Философские понятия в которых универсальные связи бытия осмысливаются в их сложной гибкой противоречивой динамике образуют группу категорий диалектики. Для диалектики характерно формирование парных категорий отражающих полярные стороны целостных явлений процессов.
34762. Синергетика как новое мировоззрение 26.5 KB
  Даже если бы новацией было только название появление синергетики было бы оправдано. Предложенное Хакеном выразительное название нового междисциплинарного направления привлекало к этому новому направлению гораздо больше внимания чем любое правильное но скучное и понятное лишь узкому кругу специалистов название. Предложенное им название сочтенное пуристами чрезмерно зазывным и рекламным оказалось особенно для нематематиков намного более привлекательным чем существовавший до Тома вариант теория особенностей дифференцируемых...
34763. Диалектика случайности и необходимости, содержания и формы, единичного и общего, возможности и действительности 52.5 KB
  вещь явление в их всеобщей закономерной связи; отражение преимущественно внутренних устойчивых повторяющихся всеобщих отношений действительности основных направлений её развития: выражение такой ступени движения познания в глубь объекта когда вскрываются его сущность закон; способ превращения возможности в действительность при котором в определенном объекте при данных условиях имеется только одна возможность превращающаяся в действительность. отражение в основном внешних несущественных неустойчивых единичных связей...
34764. Причинные связи. Категории причины и следствия. Проблема причинности в медицине 47.5 KB
  Категории причины и следствия. в схеме показано что причинноследственная связь направлена от причины к порожденному ею следствию. Имеется в виду что причины вызывают не любые а определенные соответствующие им следствия. Графическая модель такого соотношения выглядит следующим образом: Некоторые причины вызывают многочисленные долго развивающиеся следствия например катастрофические стихийные бедствия такие как ураганы землетрясения или взрыв атомной бомбы над Хиросимой в 1945 году.