Файл: Materialoznavstvo_2013_pravl_1.doc

а) б)

Рис. 6.2. Мікроструктури технічного заліза:
а – вміст вуглецю менше 0,006 %;
б – вміст вуглецю становить 0,006–0,02 %

Вуглецевими сталями називають сплави заліза з вуглецем (містять 0,02–2,14 % вуглецю), що закінчують кристалізацію утворенням аустеніту. Вони мають високу пластичністю, особливо в аустенітному стані.

Структура сталей формується в результаті перекристалізації аустеніту. Мікроструктури сталей представлені на рис. 6.3.

а) б) в) г)

Рис. 6.3. Мікроструктури сталей: а – доевтектоїдна сталь;
б – евтектоїдна сталь (пластинчастий перліт); в – евтектоїдна сталь (зернистий перліт); г – заевтектоїдна сталь

За вмістом вуглецю і структурою сталі поділяються на доевтектоїдні – структура ферит + перліт (рис. 6.3 а); евтектоїдні – структура перліт (П), перліт може бути пластинчастий або зернистий (рис. 6.3 б і 6.3 в); заевтектоїдні – структура перліт + цементит вторинний (П + ЦII), цементитна ґратка розташовується навколо зерен перліту.

За мікроструктурою сплавів можна приблизно визначити кількість вуглецю у складі сплаву, враховуючи наступне: кількість вуглецю в перліті складає 0,8 %, у цементиті – 6,67 %. Зважаючи на малу розчинність вуглецю у фериті, приймається, що в ньому вуглецю немає.

Сплави заліза з вуглецем, що містять вуглецю більше 2,14 % (до 6,67 %) й закінчують кристалізацію утворенням евтектики (ледебуриту), називають чавунами.

Наявність легкоплавкого ледебуриту в структурі чавунів підвищує їх ливарні властивості.

Чавуни, що кристалізуються відповідно до діаграми стану «залізо – цементит», відрізняються високою крихкістю. Колір їх зламу – сріблясто-білий. Такі чавуни називаються білими чавунами.

Мікроструктури білих чавунів представлені на рис. 6.4.

а) б) в)

Рис. 6.4. Мікроструктури білих чавунів: а – доевтектичний білий чавун; б – евтектичний білий чавун; в – заевтектичний білий чавун

За кількістю вуглецю і структурою білі чавуни поділяються на: доевтектичні – структура перліт + ледебурит + цементит вторинний; евтектичні – структура ледебурит (рис. 6.4 б); заевтектичні – структура ледебурит + цементит первинний (рис. 6.4 в).

У структурі доевтектичних білих чавунів присутній цементит вторинний, який утворюється в результаті зміни складу аустеніту під час охолодженні (по лінії ES). У структурі цементит вторинний зливається з цементитом, що входить до складу ледебуриту.

Фазовий склад сталей і чавунів за нормальних температур один і той же, вони складаються з фериту і цементиту. Проте властивості сталей і білих чавунів значно відрізняються. Таким чином, основним чинником, що визначає властивості сплавів системи «залізо – цементит», є їх структура.

Розділ 7. СталІ.
Класифікація і маркування сталей

7.1. Вплив вуглецю і домішок на властивості сталей

Сталі є найбільш поширеними матеріалами, оскільки володіють гарними механічними і технологічними властивостями. Вироби отримують у результаті обробки тиском і різанням.

Сталі поділяють на вуглецеві і леговані.

Вуглецеві сталі є основними. Їх властивості визначаються кількістю вуглецю і вмістом домішок, які взаємодіють із залізом і вуглецем.

Вплив вуглецю

Вплив вуглецю на властивості сталей показаний на рис. 7.1.

400

Рис. 7.1. Вплив вуглецю на властивості сталей

Зі зростанням умісту вуглецю в структурі сталі збільшується кількість цементиту за одночасного зниження частки фериту. Зміна співвідношення між складовими призводить до зменшення пластичності, а також до підвищення міцності і твердості. Міцність підвищується до вмісту вуглецю близько 1 %, а потім вона зменшується, оскільки утворюється груба ґратка цементиту вторинного.

Вуглець впливає також і на в'язкі властивості. Збільшення вмісту вуглецю підвищує поріг холодокрихкості і знижує ударну в'язкість, підвищуються електроопір, знижуються магнітна проникність і щільність магнітної індукції.

Вуглець впливає і на технологічні властивості. Підвищення вмісту вуглецю погіршує ливарні властивості сталі (використовуються сталі із вмістом вуглецю до 0,4 %), оброблюваність тиском і різанням, зварюваність. Слід враховувати, що сталь із низьким умістом вуглецю також погано обробляється різанням.

Вплив домішок

У сталях завжди присутні домішки, що поділяються на чотири групи.

1. Постійні домішки: кремній, марганець, сірка, фосфор.

Марганець і кремній вводяться в процесі виплавки сталі для розкислювання, вони є технологічними домішками.

Вміст марганцю не перевищує 0,5–0,8 %. Марганець підвищує міцність, не знижуючи пластичності, і різко знижує червоноламкість сталі, викликану впливом сірки. Він сприяє зменшенню вмісту сульфіду заліза FеS, оскільки утворює з сіркою з'єднання сульфід марганцю MnS. Частинки сульфіду марганцю розташовуються у вигляді окремих включень, які деформуються і виявляються витягнутими вздовж напряму стискання.

Вміст кремнію не перевищує 0,35–0,4 %. Кремній, дегазуючи метал, підвищує щільність злитку. Кремній розчиняється у фериті й підвищує міцність сталі, особливо підвищується межа текучості. Але спостерігається деяке зниження пластичності, що знижує здатність сталі до витягування.

Вміст фосфору в сталі становить 0,025–0,045 %. Фосфор, розчиняючись у фериті, спотворює кристалічну решітку і збільшує межу міцності і межу текучості, але знижує пластичність і в'язкість.

Розташовуючись поблизу зерен, фосфор збільшує температуру переходу в крихкий стан, викликає холодокрихкість, зменшує розповсюдження тріщин, Підвищення вмісту на кожну 0,01 % підвищує поріг холодокрихкості на 20–25 ^oС.

Фосфор має схильність до ліквації, тому в центрі злитку окремі ділянки мають різко знижену в'язкість.

Для деяких сталей можливе збільшення вмісту фосфору до 0,10–0,15 % для поліпшення оброблюваності різанням.

Сірка (S) зменшує пластичність, зварюваність і корозійну стійкість. Р викривляє кристалічну решітку.

Вміст сірки в сталях складає 0,025–0,06 %. Сірка – шкідлива домішка, потрапляє в сталь із чавуну. У процесі взаємодії із залізом утворює хімічну сполуку – сульфід сірки FеS, який, у свою чергу, утворює із залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення 988 ^oС. За нагріву під час обробки тиском евтектика плавиться, порушуються зв'язки між зернами. За деформації в місцях розташування евтектики виникають надриви і тріщини, заготівка руйнується. Це явище називається червоноламкістю.

Червоноламкість – підвищення крихкості за дії високих температур.

Сірка знижує механічні властивості, особливо ударну в'язкість, пластичність і межу витривалості. Вона погіршує зварюваність і корозійну стійкість.

2. Приховані домішки – гази (азот, кисень, водень) – потрапляють у сталь під час виплавки.

Азот і кисень знаходяться в сталі у вигляді крихких неметалічних включення: оксидів (FеO, SiO₂, Al₂O₃), нітриду (Fe₂N), у вигляді твердого розчину або у вільному стані, розташовуючись у дефектах (раковинах, тріщинах).

Домішки занурення (азот N, кисень О₂) підвищують поріг холоднокрихкості і знижують опір крихкому руйнуванню. Неметалічні (оксиди, нітриди) включення, можуть значно знизити межу витривалості і в'язкість.

Флокени – тонкі тріщини овальної або округлої форми, що мають у зламі вид плям – пластівців сріблястого кольору.

Метал із флокенами не можна використовувати в промисловості, під час зварювання утворюються холодні тріщини в наплавленому й основному металі.

Якщо водень знаходиться в поверхневому шарі, то він виділяється в результаті нагрівання до 150–180 ^oС або у вакуумі.

Для видалення прихованих домішок використовують вакуумування.

3. Спеціальні домішки – спеціально вводяться в сталь для набуття заданих властивостей. Домішки називаються легуючими елементами, а сталі – легованими сталями.

7.2. Призначення легуючих елементів та їх розподіл у сталях

Основним легуючим елементом є хром 0,8–1,2 %. Він підвищує прожарювання, сприяє отриманню високої і рівномірної твердості сталі.

Додаткові легуючі елементи

Бор – 0,003 %. Збільшує прожарюваність, а також підвищує поріг холоднокрихкості (+ 20–60 ^oС.)

Марганець збільшує прожарюваність, проте сприяє зростанню зерна, і підвищує поріг холоднокрихкості до + 40–60 ^oС.

Титан (~0,1 %) вводять для подрібнення зерна в хромомарганцевій сталі.

Введення молібдену (0,15–0,46 %) у хромистих сталях збільшує прожарюваність, зменшує поріг холоднокрихкості до -20…-120 ^oС. Молібден збільшує статичну, динамічну і втомну міцність сталі, усуває схильність до внутрішнього окислення. Крім того, молібден знижує схильність до відпускної крихкості сталей, що містять нікель.

Ванадій у кількості 0,1–0,3 % у хромистих сталях подрібнює зерно і підвищує міцність і в'язкість.

Введення в хромисті сталі нікелю значно підвищує міцність і прожарюваність, знижує поріг холоднокрихкості, але одночасно підвищує схильність до відпускної крихкості (цей недолік компенсується введенням у сталь молібдену). Хромонікелеві сталі мають найкращий комплекс властивостей. Проте нікель є дефіцитним, тому застосування таких сталей обмежене.

Значну кількість нікелю можна замінити міддю, це не призводить до зниження в'язкості.

Легуючи хромомарганцеві сталі кремнієм, отримують сталі хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Сталі мають гарне поєднання міцності і в'язкості, добре зварюються, штампуються і обробляються різанням. Кремній підвищує ударну в'язкість і температурний запас в'язкості.

Додавання свинцю, кальцію покращує оброблюваність різанням. Застосування зміцнення термічної обробки покращує комплекс механічних властивостей.

Розподіл легуючих елементів у сталі

Легуючі елементи розчиняються в основних фазах залізовуглецевих сплавів (ферит, аустеніт, цементит) або утворюють спеціальні карбіди.

Розчинення легуючих елементів відбувається в результаті заміщення атомів заліза атомами цих елементів. Ці атоми створюють у ґратах напругу, яка викликає зміну її періоду.

Зміну розмірів ґрат викликає зміна властивостей фериту – міцність підвищується, пластичність зменшується. Хром, молібден і вольфрам зміцнюють менше, ніж нікель, кремній і марганець. Молібден і вольфрам, а також кремній і марганець у певних кількостях знижують в'язкість.

У сталях карбіди утворюються металами, розташованими в таблиці Д. І. Менделєєва лівіше за залізо (хром, ванадій, титан), які мають менш добудовану d-електронну смугу.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу більше 0,59 утворюються типові хімічні сполуки – Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C, – які мають складну кристалічну решітку і за нагрівання розчиняються в аустеніті.

За співвідношення атомних радіусів вуглецю і металу менше 0,59 утворюються фази впровадження – Mo₂C, WC, VC, T_IC, T_аC, W₂C, – які мають просту кристалічну решітку і важко розчиняються в аустеніті.

Усі карбіди мають високу твердість і температуру плавлення.

7.3. Класифікація і маркування сталей

Сталі класифікуються за наступними ознаками:

1. За хімічним складом: вуглецеві і леговані.

2. За вмістом вуглецю:

• низковуглецеві, із вмістом вуглецю до 0,25 %;

• середньовуглецеві, із вмістом вуглецю 0,3–0,6 %;

• високовуглецеві, із вмістом вуглецю вище 0,6 %.

3. За рівноважною структурою: доевтектоїдні, евтектоїдні, заевтектоїдні.

4. За якістю. Кількісним показником якості є вміст шкідливих домішок – сірки і фосфору:

0,04  S  0,06 % – вуглецеві сталі звичайної якості:

P, S = 0,03–0,04 % – якісні стали;

P, S  0,03 – високоякісні стали.

5. За способом виплавки:

• у мартенівських печах;

• у кисневих конверторах;

• у електричних печах: електродугових, індукційних та ін.

6. За призначенням:

• конструкційні – застосовуються для виготовлення деталей машин і механізмів;

• інструментальні – застосовуються для виготовлення різних інструментів;

• спеціальні – сталі з особливими властивостями: електротехнічні, з особливими магнітними властивостями та ін.

Маркування сталей

Прийнято літерно-цифрове позначення сталей.

Вуглецеві сталі звичайної якості (ГОСТ 380) містять підвищену кількість сірки і фосфору.

Маркуються Ст2кп, Бст3кп, Вст3пс, Вст4сп.

Ст – індекс даної групи сталі. Цифри від 0 до 6 – це умовний номер марки сталі. Зі збільшенням номера марки зростає міцність і знижується пластичність сталі. По гарантіях при постачанні існує три групи сталей: А, Б і В. Для сталей групи А при постачанні гарантуються механічні властивості, в позначенні індекс групи А не вказується. Для сталей групи Б гарантується хімічний склад. Для сталей групи В при постачанні гарантуються і механічні властивості, і хімічний склад.