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

65007. ЗОЛОТОЕ КОЛЬЦО И НАСЛЕДНИКИ ЗОЛОТОЙ ОРДЫ 374 KB
  Настоящее состояние межнациональных отношений народов населяющих современный Татарстан и действия некоторых радикально настроенных деятелей вызывают сегодня глубокое беспокойство. Искажение национальной политики в республике возведено в Татарстане на государственный уровень.
65008. Семантика этнонима «татар» в западноевропейских источниках 40 KB
  Ко второму классу он причисляет турков, крымских, узбекских, башкирских, киргизских и туркменских тартар, имеющих почти один и тот же диалект со следующими народами: 1) сибирско-магометанскими тартарами, живущими вблизи городов Тобольск, Тюмень и Тора; 2) якутами-язычниками, живущими на реке Лена; 3) чувашами-язычниками.
65010. Тамга (к функции знака) 567 KB
  Очевидная популярность данного термина в тюрко-монгольской среде откуда он и был заимствование в другие языки в том числе и в русский все же не может считаться доказательством именно тюрко-монгольского происхождения тамг как принципиально новой знаковой системы отличной например от письменности.
65011. Гегемония ойратов в Монголии в XV веке 32 KB
  Монгольское государство продолжило свое существование уже на территории Монголии которая превратилась в самостоятельный политический и экономический организм. В послеюаньский период по мере роста хозяйственной и политической самостоятельности феодальных княжеств реальная власть и авторитет верховного хана...
65012. О времени великой борьбы в степях Монголии 64 KB
  У каждого современного тюркского народа есть средневековые этнические предки. Например, казахи считаются потомками кыпчаков, поэтому они претендуют на их богатейшее историческое и культурное наследие.
65013. Воинское снаряжение и оружие монгольского воина XIII—XIV веков 157.5 KB
  Рассмотрение вопроса о вооружении монгольского воина до недавнего времени в основном базировалось на данных письменных источников и реже — на находках отдельных предметов «татаро-монгольского облика», преимущественно наконечников стрел...
65014. Когда монголы жили по-монгольски 34 KB
  Они оказались рукописными копиями монгольских законов составленных на съездах князей Халки Северной Монголии в период с 1603 по 1639 годы. Так стал известен юридический документ получивший в науке название Восемнадцать степных законов...
65015. Влияние исламских и татарских монет на Российскую денежную систему 423 KB
  Исламские монеты формировали основу русской денежной системы веками. В начале существования славянского княжества, ввезенные дирхамы Аббасидов и Саманидов были основными монетами, находящимися в обращении в Киеве.