Влияние углерода и примесей на структуру и свойства сталей

Кроме железа и углерода стали в своем составе, имеют некото­рое количество постоянных примесей. Они оказывают различное влияние на структуру, а следователь­но, и на свойства сталей (сера, фосфор, марганец, кремний) а также углерод оказывающий основное влияние на их структуру и свойства. Чем больше содержание углерода, тем выше твердость и прочность стали, но тем ниже пластичность и вяз­кость. Наибольший предел прочности σ_в достигается при содержании углерода около 0,9 %. При дальнейшем увели­чении количества углерода в структуре стали появляется вторич­ный цементит, располагающийся по границам зерен перлита в ви­де сетки. Из—за этого увеличивается твердость, но уменьшается прочность, так как цементит хрупок. Снижаются ударная вяз­кость КС (а_н), относительное удлинение δ и относительное суже­ние φ.

Сера попадает в сталь из чугуна, а в чугун — из руды и кокса. В железе она почти нерастворима, а в структуре стали образует химические соединения: с железом — (сульфид железа FeS) или с марганцем — (сульфид марганца MnS). Эти сульфиды, а также соединения кислорода с железом и с марганцем (FeO, MnO) называют неметаллически­ми включениями. Сульфид железа (FeS) распо­лагается по границам зерен, температура его плавления 985 °С.

Рисунок 5.1 — Влияние содержания углеро­да на механические свойства стали

Температура горячей обработки давлением стали выше 1000 °С, поэтому каждое зерно находит­ся в жидкой «рубашке» расплав­ленной эвтектики (сульфида же­леза), что служит причиной воз­никновения трещин.

Связь между зернами, разог­ретыми до температуры выше 1000 °С, ослабевает, и сталь раз­рушается. Такое явление назы­вают красноломкостью, а сталь с повышенным содержанием се­ры — красноломкой (сульфид марганца MnS).

Сульфид марганца плавится при 1620 °С, он пластичен и при горячей обработке давлением вытягивается в направлении дефор­мации. Это включение (MnS) нежелательно, так как оно снижает динамическую и усталостную прочность, а также износостойкость.

Содержание серы строго регламентируется в зависимости от ка­чества стали (0,025—0,06%), что обусловлено склонностью серы к зональной ликвации при затвердевании слитка (скапливание серы в отдельных участках слитка). Сера оказывает благоприят­ое влияние на сталь при ее обработке на станках—автоматах, так как способствуеть образованию ломкой стружки.

Фосфор попадает в сталь так же, как и сера. Атомы фосфора, располагаясь в кристаллической решетке железа, сильно иска­жают ее, повышая твердость. Фосфор значительно снижает плас­тичность стали, делая ее хрупкой, особенно при температурах ниже нуля. Это явление называют хладноломкостью. Кроме того, фосфор, как и сера, склонны к образованию ликвационных зон, что отрицательно сказывается на свойствах стали. Содержание фосфора в зависимости от качества стали должно находиться в пре­делах 0,025—0,07 %. Как и сера, фосфор улучшает обрабатываемость стали резанием.

Кремний и марганец в тех количествах, в которых они содер­жатся в углеродистых сталях (кремний — до 0,4 %, марганец — до 0,08 %), не оказывают заметного влияния на их свойства.

В сталях присутствуют газы (кислород, азот, водород), кото­рые частично растворены и находятся в виде неметаллических включений (окислы и нитриды).

Лекция 8 Стали

Цементуемые стали

Для уп­рочнения поверхности стальных деталей используют химико-термическую обработку (цементацию, нитроцементацию, азотиро­вание), а также поверхностную закалку. Цементация и нитроцементация обеспечивают максимальную несущую способность деталей.

Оптимальное сочетание прочности и износостойкости упроч­ненных слоев, а также прочности и вязкости сердцевины имеют цементуемые стали с С = 0,10 ÷0,25 %. После насыще­ния поверхности углеродом или одновременно углеродом и азо­том детали подвергают закалке и низкому отпуску. Упрочнен­ный слой должен иметь толщину не менее 0,5-0,6 мм. Толщиной слоя принято считать сумму толщин заэвтектоидной, эвтектоидной и переходной зон. Несущая способность детали определяется эффективной толщиной слоя, в которой С > 0,4 %. На внутрен­ней границе этой зоны твердость равна 50 HRC_э, а на поверхнос­ти детали твердость должна быть равна 56-63 HRC_э. Для того чтобы в упрочненном слое распределение углерода по толщине было равномерным, используют диффузионное выравнивание. Оп­тимальная структура упрочненного слоя представляет собой мартенситную матрицу с содержащимися в ней карбидами и остаточ­ным аустенитом. Карбиды располагаются в виде мелких округ­лых частиц в заэвтектоидной зоне слоя на глубине 0,1-0,25 мм от поверхности. Эти карбиды увеличивают сопротивление дета­лей изнашиванию. Остаточный аустенит ускоряет приработку зубчатых пар, а в деталях под нагрузкой способствует релакса­ции напряжений, снижая их максимум. В этом отношении осо­бенно эффективен азотистый аустенит, получаемый при нитроцементации. Допустимое количество остаточного аустенита опреде­ляется условиями эксплуатации деталей: при 10-15 % он не ска­зывается существенно на долговечности зубчатых колес, при количестве около 40 % — снижает контактную выносливость тяжелонагруженных зубчатых колес.

Отдельную группу образуют теплопрочные комплексно-ле­гированные стали. Они сохраняют высокую твердость и проч­ность при температуре выше 200 °С благодаря повышенному со­держанию хрома и легированию молибденом вольфрамом и ва­надием.

Чем сложнее термическая обработка цементованных деталей, тем больше их деформация и трудоемкость шлифования для по­лучения точных размеров. Для автомобильных зубчатых пере­дач благодаря нитроцементации с непосредственной закалкой в мас­ле можно или обойтись без шлифования, или существенно умень­шить припуски на шлифование. Деформация нитроцементованных колес меньше, чем цементованных, благодаря более низкой температуре процесса, меньшей толщине упрочненного слоя и мень­шему содержанию в нем углерода (обычно С = 0,7 % и N=0,15-0,30 %).

Механические свойства цементуемых сталей после закалки и низкого отпуска — высокая прочность в сочетании с высоким сопротивлением удару, поэтому они могут использоваться как кон­струкционные материалы без химико-термической обработки.

Теплопрочные стали используют для тяжелонагруженных ше­стерен летательных аппаратов. Несмотря на минимальные поте­ри энергии в зубчатых передачах, благодаря повышению точнос­ти изготовления зубчатых колес температура на рабочих поверх­ностях достигает 200-300 °С при работе в масляных ваннах. Зуб­чатые колеса из этих сталей содержат повышенное количество карбидов в рабочем слое, так как при цементации содержание углерода доводят до 1,2-1,6 % .Карбиды в слое обеспечивают по­вышение износостойкости и предела контактной выносливос­ти. Термическое упрочнение предусматривает высокий отпуск перед закалкой детали. Образовавшиеся во время отпуска карби­ды не растворяются полностью при нагревании под закалку. Для предварительных расчетов зубчатых колес на долговечность рег­ламентированы пределы контактной выносливости и пределы вы­носливости зубьев при изгибе (ГОСТ 21354-87) с учетом условий обработки колес.

Улучшаемые стали

Улучшаемые стали легированные стали с С=0,35÷0,50 %. Оптимальные свойства эти стали при­обретают после закалки и высокого отпуска при 500-650 °С. Они имеют повышенную прочности при достаточ­но высоких пластичности и вязкости.

К улучшаемым сталям относятся следующие марки:

- хромистые — 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Х;

- марганцевые — 30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2;

- хромомарганцевые — 27ХГР, 40ХГТР;

- хромокремнистые — 33ХС, 38ХС, 40ХС;

-хромомолибденовые и хромомолибденованадиевые — 30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30ХЗМФ, 40ХМФА;

- хромованадиевая — 40ХФА;

- хромоникелевые — 40ХН, 45ХН, 50ХН;

-хромокремнемарганцевые, хромомарганцевоникилевые и хро-мокремнемарганцевоникилевые — 30ХГС, 30ХГСА, 30ХГСН2А;

- хромоникельмолибденовые — 38Х2Н2МА, 40ХН2МА, 38ХНЗМА;

- хромоникельмолибденованадиевые — 38ХНЗМФА, 45ХН2МФА;

- хромомолибденоалюминиевая — 38Х2МЮА.

По сравнению с нормализацией термическое улучшение обес­печивает более высокие значения σ_0,2 и снижение Т₅₀ Особое зна­чение имеет структура сорбита отпуска для повышения долговеч­ности деталей при переменных нагрузках. При твердости, мень­шей 350 НВ, сорбит отпуска характеризуется высоким сопротив­лением распространению трещин.

После термического улучшения σ_-1= 0,5σ_в, что выше, чем пос­ле отжига или нормализации (σ_-1≈ 0,3σ_в). При более высокой проч­ности (σ_в > 1300 МПа) среднеуглеродистые стали со структурой троостита отпуска или мартенсита характеризуются пониженным сопротивлением распространению трещины. Кроме того, низкая пластичность сталей высокой прочности повышает их чувстви­тельность к надрезам в наиболее напряженных зонах деталей. В результате в местах концентрации напряжений зарождаются усталостные трещины, быстро приводящие к поломке деталей. Вследствие повышенной чувствительности к надрезу происходит значительное рассеяние значений σ_-1 и уменьшение σ_-1 до (0,4÷0,3) σ_в. Несущая способность деталей из легированных ста­лей в высокопрочном состоянии может быть ниже, чем горячека­таных углеродистых сталей.

Влияние концентраторов на поверхности деталей может быть нейтрализовано дополнительным упрочнением поверхностных сло­ев пластическим деформированием, индукционной закал­кой, азотированием. После такой обработки затруднено возник­новение микропластических деформаций поверхностных слоев, приводящих к зарождению усталостных трещин. Кроме того, об­работка создает в поверхностных слоях остаточные сжимающие

напряжения, которые вместе с растягивающими напряжениями под действием внешней нагрузки нейтрализуют или уменьшают действие растягивающих напряжений. Комбинирование терми­ческого улучшения с обработкой поверхности деталей обеспечи­вает им повышенную эксплуатационную надежность.

Улучшаемые стали используют для изготовления зубчатых ко­лес, хотя предел выносливости зубьев при изгибе у них меньше, чем у цементованных или нитроцементованных зубьев. Критичес­кий диаметр улучшаемых сталей при закалке.

Азотируемые стали являются разновидностью улучшаемых сталей. Они используются для изготовления коленчатых валов, шпинделей точных станков, гильз цилиндров, плунжеров топ­ливных насосов, червяков и других деталей, которые должны иметь высокие сопротивление изнашиванию и предел выносли­вости. Высокие твердость и износостойкость азотированного слоя обеспечиваются благодаря образованию частиц нитридов, коге­рентно связанных с матричным ферритом. Необходимые свой­ства достигаются при азотировании легированных сталей, содер­жащих хром, алюминий и молибден, а также титан и ванадий.

Часто применяют азотируемую сталь 38Х2МЮА. При газовом азотировании в среде аммиака после выдержки в течение 50 ч при 500-525 °С получается диффузионный слой толщиной около 0,5 мм. Твердость его достигает 1200 HV, в нем создаются напря­жения сжатия, нейтрализующие влияние концентраторов напря­жений. Недостатком печного азотирования является его большая продолжительность.

При ионном азотировании насыщение деталей азотом осуще­ствляется в поле тлеющего разряда при напряжении около 1000 В и температуре 400-550 °С. Время обработки деталей в десятки раз меньше, чем при газовом азотировании.

Ионное азотирование применяют для деталей, изготовленных из хромистых, хромомолибденовых и других легированных ста­лей, содержащих достаточное количество элементов, которые обес­печивают повышение прочности и твердости диффузионного слоя при азотировании.

Наиболее важными характеристиками улучшаемых сталей яв­ляются прокаливаемость и сопротивление усталости. Глубина про­каливаемого слоя у легированной стали 40Х составляет 40 мм, а у сложнолегированных сталей 40ХНМ и 38ХНЗМА — 100 мм. Этого достаточно для термического улучшения деталей широкой номенклатуры, а для ряда осесимметричных деталей не требует­ся сквозная прокаливаемость. Например, конструкционная проч­ность валов обеспечивается, когда структура сорбита отпуска об­разуется в слое толщиной, равной половине радиуса вала. Недо­статком ряда улучшаемых сталей является чувствительность к обратимой отпускной хрупкости. К ней наиболее склонны хромомарганцевые и хромоникелевые стали с большой прокаливаемостью. Для предотвращения охрупчивания деталей из этих ста­лей при высоком отпуске принимают технологические меры. Улуч­шаемые стали, содержащие молибден, нечувствительны к отпус­кной хрупкости. После термического улучшения σ_-1 не превышает 550 МПа. В результате расчета долговечности деталей по этим значениям σ_-1, получают большие размеры деталей, что непри­емлемо из-за увеличения расхода металла и габаритных размеров механизмов. При расчете ограниченной долговечности деталей исходят из переменных напряжений, больших σ_-1.Это основано на живучести сталей после термического улучшения, когда глав­ное значение имеют малые скорости распространения усталост­ных трещин. Проверка деталей средствами неразрушающего кон­троля позволяет обнаруживать усталостные трещины и заменять дефектные детали.

Пружинные стали

К механическим свойствам пружинных сталей предъявляют те же требования, что и к механическим свойствам конструкци­онных сталей — высокие прочность и сопротивление разруше­нию. Кроме того, они должны обладать сопротивлением малым остаточным деформациям в условиях кратковременного и дли­тельного нагружения, которое характеризуется в первом случае пределом упругости, а во втором — релаксационной стойкостью. Эти последние свойства зависят от состава и структуры стали, а так­же от воздействия внешней среды — температуры, коррозионной активности и др. При выборе состава пружинных сталей и режи­мов их упрочняющей обработки (деформационной, термической и термомеханической) основное внимание уделяют получению мак­симального сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости). Это достигается в том случае, если в стали при этих видах обработки реализуются несколько одновременно действующих механизмов упрочнения на основе структурных и (или) фазовых превращений.

Пружинные стали классифицируют по основным способам уп­рочнения и назначению. В зависимости от основных способов уп­рочнения различают две группы сталей (могут использоваться и дру­гие способы).

1 Стали, упрочняемые холодным пластическим деформиро­ванием с последующей термической обработкой, заключающейся обычно в отпуске или старении. После холодного пластического деформирования стали подвергают низкотемпературному отпус­ку при 150-350 °С, что повышает пределы упругости и выносли­вости, а также сопротивления релаксации. Характерной особен­ностью этих сталей является различие значений показателей свойств вдоль или поперек направления деформирования (ани­зотропия свойств).

2 Стали, упрочняемые закалкой. К этой группе относятся в первую очередь углеродистые и легированные стали перлитно­го класса с С = 0,4 ÷1,0 %, после закалки которых обычно прово­дят среднетемпературный отпуск (30-450 °С), который обеспечи­вает максимальный уровень предела упругости при повышенных пределе выносливости и сопротивлении разрушению.

По назначению пружинные стали разделяют на два класса — стали общего и специального (или функционального назначения).

Высокими свойствами также характеризуются хромованадиевые стали — 50ХФА и 50ХГФА. В частности, применение для закалки стали электронагрева путем пропускания электрического тока, позво­лившего повысить скорость нагрева до 5000 °С/с, повышает пре­дел упругости стали 60С2А до 1930 МПа (860 HV), а после нагрева со скоростью 5-10 °С/с (что соответствует нагреву в печи) он со­ставляет 1600 МПа (700 HV). После скоростной закалки и скоро­стного отпуска (нагрев со скоростью 5000 °С/с) при 400 °С у ста­ли 60С2А предел упругости а_{0 005} = 2030 МПа, а σ_-1 = 1370 МПа. После нагрева с обычной скоростью при закалке и отпуске при 400 °С, предел упругости при остаточной деформации 0,005 % σ_0,005=1530 МПа и σ_-1 = 1180 МПа.

Свойства пружинных сталей могут быть существенно улучше­ны изотермической закалкой и отпуском.