Углеродистые стали

Углеродистые стали содержат в своем составе углерод до 2,14%, марганец (до 0,8%), кремний (до 0,35%), серу (до 0,06%) и фосфор (до 0,07%). Перечисленные элементы всегда присутствуют в стали, и поэтому их классифицируют как постоянные примеси. Марганец и кремний вводят в стали с целью раскисления, присутствие серы и фосфора объясняется трудностью удаления их при выплавке.

Кремний растворяется в феррите и сильно упрочняет его, снижая при этом пластичность и значительно повышая предел текучести. При этом уменьшается способность стали к вытяжке и холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец повышает прочность феррита и уменьшает красноломкость стали, которую вызывает сера. С железом сера образует сульфид FeS, который практически не растворяется в железе и образует с ним эвтектику (Fe + FeS), плавящуюся при температуре 988°С. При кристаллизации эта эвтектика размещается вокруг зерен в виде оторочек. Во время горячей обработки при нагреве выше 1000°С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости.

Соединения серы снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, резко снижают работу развития вязкой трещины и вязкость разрушения К_1С. Сульфиды ухудшают свариваемость и коррозийную стойкость.

Фосфор в малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость и резко повышает порог хладноломкости стали. Каждая 0,01% фосфора повышает переходную температуру хладноломкости на 20...25^оС. При повышенном содержании фосфор с железом образует фосфиды Fe₃Р и Fe₂P, которые в составе эвтектики размещаются по границам зерен и снижают прочность стали.

Существуют в сталях так называемые скрытые примеси, к которым относят кислород 0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водород (0,0001...0,0007%). Эти примеси могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений (FeO, Al₂O₃, Fe₄N) или твердого раствора, а также быть в свободном виде в дефектных участках металла (трещинах, раковинах и др.). При плавлении они растворяются в стали, а затем выделяются при охлаждении, главным образом, по границам зерен, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, неметаллические включения есть концентраторами напряжений. Наличие водорода становится причиной возникновения в легированных сталях флокенов (микронесплошностей металла диаметром до 10…15 мм в центральной части поковки).

Неметаллические включения являются хрупкими и во время прокатки разбиваются, располагаясь в стали в виде цепочек. При этом образуются микроскопические концентраторы напряжений, что снижает характеристики усталости и ударную вязкость.

Некоторые примеси попадают в сталь при выплавке из скрапа и называются случайными. К таким примесям относятся хром, никель, медь при наличии до 0,3%. Влияние их в таком количестве на свойства сталей незначительно.

Наибольшее влияние на свойства стали имеет углерод. На рисунке 6 приведены кривые зависимости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает свойства прочности при одновременном снижении пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что цементитные включения тормозят передвижение дислокаций в феррите и, естественно, при увеличении количества повышается их влияние.

При увеличении количества углерода переходная температура хладноломкости стали резко повышается. Каждая 0,1% С повышает на 20^оС температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Углерод влияет также и на другие физические свойства стали, в частности, с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость уменьшается.

Углеродистые стали подразделяются по способу производства в зависимости от используемых плавильных агрегатов на конверторную, мартеновскую и электросталь. При этом по способу раскисления сталь может быть кипящей (раскислена только марганцем), полуспокойной (раскислена марганцем и кремнием) и спокойной (раскислена марганцем, кремнием и алюминием).

а)

б)

Рисунок 6 - Зависимость механических свойств стали (а) и

фазового состава (б) от содержания углерода

1.4.2.1 Классификация и маркировка углеродистых сталей

По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.

Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст, что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп, которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.

Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.

Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.

Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).

Таблица 1 - Химический состав углеродистых сталей обыкновенного

качества

Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.

Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).

Таблица 2 - Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 - 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г.

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.

Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3...0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.

Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.

Углеродистые стали, которые содержат 0,7...1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7...У13, где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.

Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).

Чугуны

1.4.3.1 Общие сведения

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые ( углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит, следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми.

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950^оС, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.