Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf

24 тельно, процесс может идти со снижением температуры. При постоянной температуре 727 °С (площадка 4-4') происходит эвтектоидное превращение
A → Ф
Р
+Ц – аустенита в мелкодисперсную смесь феррита и цементита, на- зываемую перлитом. В точке 4 число степеней свободы с = 2 – 3 + 1 = 0 (два компонента – железо и углерод, три фазы – аустенит, феррит и цементит), что подтверждает выделение перлита при постоянной температуре. При дальнейшем охлаждении до точки 5 происходит выделение из феррита избы- точного углерода (в связи с понижением растворимости по линии диаграммы
PQ) в виде третичного цементита. Между точками 4 и 5 число степеней сво- боды с = 2 – 2 + 1 = 1 (два компонента – железо и углерод, две фазы – феррит и цементит), следовательно, процесс может идти со снижением температуры.
Конечная структура Ф + П +Ц
III
(феррито-перлитная). Количественное соот- ношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода (чем выше содержание углерода, тем больше перлита).
Кристаллизация зазвтектоидных сталей (рис. 1.4) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава аустенита и заканчивается в точке 2. Состав жидкого расплава изменяется по линии BС, а аустенита – по линии JE. После затвердевания сплав имеет однофазную структуру аустенита. При дальнейшем охлаждении от точки 2 до точки 3 структурных превращений сталь не претер- певает, идет простое охлаждение. В интервале точек 3–4 происходит выделе- ние вторичного цементита в связи с уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы. При медленном охлаждении цемен- тит выделяется по границе аустенитных зерен. Составаустенита изменяется согласно линии ES,и в точке 4 при температуре 727 °С аустенит содержит 0,8
%С. На линии SK (на кривой – площадка 4-4') происходит эвтектоидное пре- вращение аустенита в перлит. При дальнейшем охлаждении ниже точки 4 из феррита, входящего в перлит, выделяется третичный цементит. Третичный цементит, наслаиваясь на кристаллы вторичного цементита и цементита пер- лита, не оказывает заметного влияния на свойства. Поэтому при рассмотре- нии структур заэвтектоидных сталей о третичном цементите обычно не упо- минают. Конечная структура П +Ц
II
+Ц
III
– перлито-цементитная.
Доэвтектические чугуны (рис. 1.5) начинают кристаллизацию в точке 1, где при последующем охлаждении происходит выделение из жидкой фазы кристаллов аустенита переменного состава, концентрация которого опреде- ляется линией JE , а жидкого расплава – линией ликвидус BС. В точке 2 со- держание углерода в расплаве достигает 4,3 % и при постоянной температу- ре 1147 °С оставшийся расплав кристаллизуется в эвтектику (дисперсную

25 смесь аустенита, содержащего 2,14 % С, и цементита), называемую ледебу-
ритом L
C
→А
E
+Ц. Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение.
Рис. 1.3. Сплав 1 (доэвтектоидная сталь)
Рис. 1.4. Сплав 2 (заэвтектоидная сталь)
Рис. 1.5. Сплав 3 (доэвтектический чугун)
Рис. 1.6. Сплав 4 (заэвтектический чугун)
При дальнейшем охлаждении (участок 2-3) аналогично заэвтектоидной стали из аустенита (структурно свободного и входящего в состав ледебурита) выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита. Аустенит при этом обедняется углеродом и при температуре 727 °С приобретает состав, соот- ветствующий эвтектоидному. В точке 3 начинается эвтектоидное превращение аустенита в перлит при постоянной температуре 727 °С (площадка 3-3
/
). Перлит образуется из структурно свободного аустенита и из аустенита, входящего в со- став ледебурита. Ледебурит, состоящий из смеси цементита и перлита, носит название видоизмененного ледебурита Л
вид
(П+Ц) в отличие от ледебурита со- става Л (А+Ц). При дальнейшем охлаждении от точки 3
/
до точки 4 происходит выделение избыточного углерода из феррита, входящего в перлит и видоизме- ненный ледебурит, в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита и ледебурита. Третичный цементит не влияет на свойства чугунов из- за незначительного количества, по сравнению с общим количеством цемен- тита в чугунах. Конечный состав доэвтектического чугуна П+Л
вид
+Ц
II
, по- этому такой чугун называют перлито-ледебурито-цементитным чугуном.

26
Кристаллизация заэвтектических чугунов (рис. 1.6) начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав рас- плава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу – цемен- тит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147 °С содержит 4,3 %
С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ле- дебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аусте- нита изменяется по линии ES . При достижении температуры 727 °С аустенит, содержащий 0,8 % С, превращается в перлит A → Ф
Р
+Ци образуется видо- измененный ледебурит. При дальнейшем охлаждении от точки 3
/
до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяет- ся избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, на- слаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Л
вид
+Ц
I
+Ц
II
носит название ледебуритно-цементитного чугуна.
Таким образом, у всех сталей, содержащих менее 2,14 % С, в резуль- тате первичной кристаллизации получается структура аустенита, а после затвердевания не содержится хрупкой структурной составляющей – леде- бурита; у всех чугунов, содержащих более 2,14 % С, структура первичной кристаллизации состоит из ледебурита с первичным аустенитом или це- ментитом, а при комнатной температуре структура состоит из видоизме- ненного ледебурита, цементита и перлита у доэвтектического чугуна, а у заэвтектического чугуна перлит отсутствует. Стали при высоком нагреве имеют аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью, по- этому они легко деформируются при нормальных и повышенных темпера- турах. Чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в том числе бо- лее низкой температурой плавления, и имеют меньшую усадку.

27
Рис. 1.7. Влияние уг- лерода на механиче- ские свойства сталей:
ζ
в
– временное сопро- тивление разрыву; HB
– твердость по Брине- лю; KCV – ударная вязкость (характери- стика надежности); δ
– относительное уд- линение; ψ – относи- тельное сужение
Марганец вводится в сталь для раскисления (удаления кислорода) и устранения вредного влияния сернистых соединений железа. Марганец повышает прочность горячекатанной стали. Содержание марганца в стали
0,3 – 0,8 %. Кремний раскисляет сталь и сохраняется в ней до 0,4 %.
Фосфор – вредная примесь, содержащаяся в рудах железа и топливе.
Растворяясь в феррите, фосфор вызывает хладноломкость стали, то есть хрупкость при низких температурах. Сера – вредная примесь, попадающая в металл из руды и топлива и вызывающая красноломкость
–
хрупкость при 800 °С и выше, что препятствует горячей обработке давлением.
3.4. Классификация углеродистых сталей
Углеродистые стали классифицируются по химическому составу, ка- честву, степени раскисления, структуре и назначению.
По химическому составу выделяют низкоуглеродистые (≤ 0,3 % С),
среднеуглеродистые (0,3–0,7 % С)и высокоуглеродистые (> 0,7 % С) стали.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества и качественные. Под качеством стали имеют ввиду совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обык- новенного качества содержат вредных примесей до 0,055 % S и 0,045 % Р, качественные
–
не более 0,04 % S и 0,035 % Р.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифици- руют на спокойные, полуспокойные и кипящие (соответственно в конце марки стали ставится индекс сп, пс и кп). Раскисление
–
процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого раз- рушения стали при горячей деформации. Спокойные стали раскисляют Mn,
Si и Al. Они содержат мало кислорода, затвердевают спокойно, без газовыде- ления, и образуют сосредоточенную усадочную раковину. Кипящие стали

28 раскисляют только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при затвердевании жидкого металла частич- но взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа СО. Выделе- ние СО создает впечатление кипения стали. Кипящие стали более дешевые, низкоуглеродистые, практически без кремния, но с повышенным количест- вом газообразных примесей. Полуспокойные стали по степени раскисленно- сти занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Рис. 1.8. Микроструктура углеродистой стали:
а
–
доэвтектоидная сталь (0,1 % С); б
–
доэвтектоидная сталь (0,6 % С);
в
–
эвтектоидная сталь (0,8 % С); г
–
заэвтектоидная сталь (1,2 % С)

29
При классификации по структуре учитывают структуру в отожженном
(равновесном) состоянии. Углеродистые стали разделяют на три класса
–
доэв-
тектоидные (имеющие перлито-ферритную структуру), эвтектоидные (струк- тура
–
перлит), заэвтектоидные (имеющие перлито-цементитную структуру).
Микроструктуры сталей в соответствии с классификацией по структуре приве- дены на рис. 1.8. По назначению углеродистые стали делятся на конструкцион-
ные, используемые для изготовления деталей машин, и инструментальные.
3.5. Углеродистые конструкционные стали
Широкое применение углеродистых сталей объясняется их относи- тельной дешевизной и удовлетворительными механическими свойствами.
Эти стали выпускают обыкновенного качества и качественные.
3.5.1. Углеродистые стали обыкновенного качества
Это наиболее дешевые стали, изготавливаемые в виде проката (прут- ки, листы, швеллеры, трубы и др.) и поковок. Углеродистые стали обыкно- венного качества предназначены для изготовления различных металлокон- струкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Состав и свойства сталей определяются ГОСТ 380–71. В зависимости от гарантируе- мых свойств поставляют стали трех групп
–
А, Б и В. Стали маркируются сочетанием букв Ст, цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, и индексами, указывающими степень раскисленности стали (сп, пс, кп).
Стали группы «А» поставляются с гарантированными механическими свойствами. С увеличением номера марки повышается прочность и снижа- ется пластичность стали. Стали этой группы используют для изделий, про- изводство которых не сопровождается горячей обработкой, а следователь- но, в них сохраняется исходная прочность. Группа «А» в обозначении стали не указывается. Пример обозначения: Ст5 сп.
Сталь группы «Б» поставляется с гарантированным химическим соста- вом и предназначена для изделий, изготавливаемых с применением горячей деформации или термической обработки. Высокотемпературная обработка приводит к изменению первоначальных механических свойств, а для выбо- ра режимов нагрева необходимо знание содержания углерода. Содержание углерода в стали повышается при увеличении номера стали. Первая буква марки указывают способ получения стали (М – мартеновская, К – конвер- торная) и степень раскисленности. Пример обозначения: МСт5 пс.
Стали группы «В» с гарантированными механическими свойствами и химическим составом поставляются для производства сварных конструкций.
Механические свойства сталей этой группы соответствуют нормам для ста-

30 лей группы «А», а химический состав
–
нормам для тех же марок стали груп- пы «Б». Знание химического состава необходимо для подбора сварочных ма- териалов и режимов сварки, а гарантированные механические свойства стали сохраняются на ненагреваемых участках. Группу стали указывает буква В в начале марки стали. Например
–
сталь ВСт4 сп. В соответствии с ГОСТ 380–
94 стали углеродистые обыкновенного качества на группы не подразделя- ются и маркируются только в соответствии с содержанием углерода.
3.5.2. Углеродистые качественные стали
Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных при- месей и неметаллических включений, поставляются в виде проката, поко- вок с гарантированным химическим составом и механическими свойства- ми. Стали маркируются словом «сталь» и двухзначными числами 05, 08,
10, 15, 20 ...85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых до- лях процента (ГОСТ 1050–88). Спокойные углеродистые качественные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие – с добавлени- ем соответственно «пс» и «кп». Например, Сталь 20 кп.
Низкоуглеродистые стали типа 05, 08, 10
–
малопрочные, высокопла- стичные, применяются для холодной штамповки различных изделий. Стали
10, 20, 25 пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоугле- родистые стали могут насыщаться с поверхности углеродом (цементация).
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 45, 50 имеют повышенную проч-ность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработки подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучше- нию).
Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно- пружинных изделий. Если в конце марки стали стоит буква А (например 20А), то это сталь высококачественная, она содержит еще более низкое содержание вредных примесей и обладает лучшими механическими свойствами.
3.6. Инструментальные углеродистые стали
Инструментальные углеродистые стали содержат более 0,7 % С и от- личаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали делятся на качест- венные и высококачественные. Марки качественной стали по
ГОСТ 1435–99 следующие: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; высококачест- венной: У7А, У8А, У13А. Цифры в марке показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. Стали У7, У8, У9 имеют достаточную вязкость и применяются для столярных, слесарных, кузнечных инструмен-