Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
7.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей Углерод является элементом, в значительной степени определя- ющим структуру и свойства стали. С увеличением его содержания твердость стали возрастает линейно до концентрации углерода 0,9%; с дальнейшим увеличением его содержания рост твердости замедля- ется, что связано с увеличением количества цементита. Прочность растет до концентрации 0,9% С; дальнейшее увеличение содержания С приводит к ее снижению, так как цементит в заэвтектоидной стали выделяется по границам зерен перлита, образуя хрупкую сетку (рис. 7.1). 77 Рис. 7.1. Влияние содержания углерода на механические свойства стали (а) и количество феррита и цементита (б) Пластичность и вязкость с увеличением содержания углерода снижаются. Удовлетворительные свойства прочности, пластичности и вязкости имеют стали, содержащие до 0,5% С. Такие стали относятся к конструкционным, работающим в условиях статических и динами- ческих нагрузок. Стали с содержанием 0,6…0,8% С обладают боль- шим сопротивлением малым пластическим деформациям, что опре- деляет их использование в качестве пружинных, стали с содержанием углерода более 0,7%, имеющие высокую твердость и износостой- кость, но низкую пластичность и вязкость, – в качестве инструмен- тальных. Увеличение содержания углерода не только снижает пластич- ность и вязкость, но и повышает верхний предел порога хладнолом- кости (каждая 0,1% С повышает температуру перехода на 20 °С), расширяя интервал температур перехода стали в хрупкое состояние. Углерод существенно влияет на технологические свойства сталей: с 78 увеличением его содержания ухудшаются свариваемость и способ- ность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. В углеродистой стали содержится 97,0…99,5% железа, остальное – примеси, присутствие которых определяется технологией производ- ства. Постоянными примесями являются кремний, марганец, сера, фосфор, скрытыми – кислород, водород, азот. Марганец и кремний, вводимые в качестве раскислителей, присутствуют в углеродистых сталях в количестве до 0,8% и 0,4% соответственно. В основном они растворяются в феррите, упрочняя его; кроме того, марганец умень- шает вредное влияние серы, связывая ее в виде MnS. Вредными примесями являются сера и фосфор, переходящие в сталь из чугуна. Сера понижает пластичность и вязкость, сообщает стали свойство красноломкости при горячей обработке давлением. Сера присутствует в стали в виде FeS (при малом содержании мар- ганца) и вследствие значительной склонности к ликвации образует легкоплавкую эвтектику Fe–FeS (t пл = 988 °C), располагающуюся по границам зерен, что существенно снижает прочность и пластичность, а при горячей обработке давлением в интервале 800…1200 °C вызы- вает красноломкость. Марганец устраняет красноломкость, так как MnS имеет температуру плавления выше 1620 °C, что превышает температуру нагрева при ковке. Вместе с тем MnS, так же как и дру- гие неметаллические включения (FeO, MnO, SiO 2 ), снижает пластич- ность, вязкость и усталостную прочность, увеличивает анизотропию свойств деформированных заготовок. Поэтому содержание серы в стали ограничивают. В обычных сталях оно не должно превышать 0,05%. Фосфор в значительном количестве растворяется в феррите, вследствие склонности к ликвации преимущественно располагается по границам зерен, уменьшая его пластичность и вязкость, повышая температурной порог хладноломкости. Скрытые примеси – газы – попадают в сталь при выплавке из окружающей среды и могут присутствовать в стали в виде твердого раствора в феррите, в составе химических соединений (нитриды, ок- сиды), в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите, поэтому присутствуют в основном в виде не- металлических включений, что снижает его вязкость. Повышенное содержание водорода приводит к появлению трещин овальной формы – флокенов. Газообразные примеси резко отрицательно влияют на свойства сталей, поэтому вакуумирование стали или продувка инерт- ными газами улучшают ее свойства. 79 7.3. Углеродистые конструкционные стали общего назначения (стали обыкновенного качества) Стали обыкновенного качества в России изготовляют по ГОСТ 380–94. Выплавка их обычно производится в крупных марте- новских печах и кислородных конвертерах. В зависимости от назна- чения и свойств стали подразделяются на группы А, Б, В и обозна- чаются буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. Стали групп Б и В имеют перед маркой соответствующие буквы, указывающие на их при- надлежность к этим группам. Группа А в обозначениии марки стали не указывается. В конце обозначения стоят буквы «кп», «пс», «сп», кото- рые указывают на способ раскисления: «кп» – кипящая, «пс» – полу- спокойная, «сп» – спокойная. Спокойными и полуспокойными выплав- ляют стали Ст1…Ст6; кипящими – Ст1…Ст4 всех групп. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, без указания химического состава и используются в состоянии поставки. Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим соста- вом, но механические свойства не гарантируются. Эти стали использу- ются для изготовления изделий с применением горячей обработки (ковка, термическая обработка). Стали группы В поставляются с гаран- тированным химическим составом и механическими свойствами, их применяют для производства сварных конструкций. При этом исход- ные механические свойства стали сохраняются в зонах, которые не нагреваются при сварке; для оценки сварки и выбора режима термиче- ской обработки важны сведения о химическом составе. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержа- ние углерода. Содержание серы в стали всех марок, кроме Ст0, долж- но быть не более 0,050%, фосфора не более 0,040%, в стали марки Ст0 серы не более 0,060%, фосфора не более 0,070%. Т а б л и ц а 7.1 Состав углеродистых сталей обыкновенного качества, % (ГОСТ 380–94) Марка стали С, % Мn, % Si, % Ст0 Ст1кп Ст1сп Ст2кп Ст2сп 0,23 0,06–0,12 0,06–0,12 0,09–0,15 0,09–0,15 – 0,25–0,5 0.25–0,5 0,25–0,5 0,25–0,5 – 0,05 0,12–0,3 0,07 0,12–0,3 80 Ст3кп Ст3пс Ст3сп Ст4кп Ст4сп Ст5пс Ст5сп Ст6пс Ст6сп 0,14–0,22 0,14–0,22 0,14–0,22 0,18–0,27 0,18–0,27 0,28–0,37 0,28–0,37 0,38–0,49 0,38–0,49 0,30–0,6 0,40–0,65 0,40–0,65 0,40–0,7 0,40–0,7 0,50–0,8 0,50–0,8 0,50–0,8 0,50–0,8 0,07 0,05–0,17 0,12–0,3 0,07 0,12–0,3 0,05–0,17 0,15–0,35 0,05–0,17 0,15–0,35 Углеродистые стали всех трех групп предназначаются для изго- товления металоконструкций, в том числе железобетонных, стали с содержанием <0,1% C (Cт1, Cт2) – для изготовления листа, проволо- ки, стали Ст5, Ст6 с повышенной прочностью – для изготовления рельсов, колес, деталей сельскохозяйственных машин. Недостатки сталей обыкновенного качества – повышенный порог хладноломкости (особенно для кипящих сталей), недостаточная прочность, что приводит к увеличению массы конструкций. Поэтому повышение хладостойкости и прочности строительных сталей являет- ся актуальной проблемой. 7.4. Углеродистые конструкционные качественные стали Качественные стали содержат не более 0,04% S и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях эти стали содержат менее 0,02% S и 0,03% Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, чем стали обыкновенного качества, особенно при низких температу- рах. Свойства качественных сталей и принцип маркировки регламен- тируются ГОСТ 1050–88. Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах. По содержанию уг- лерода качественные углеродистые стали подразделяются на низко- углеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,3…0,5% С) и вы- сокоуглеродистые (до 0,65% С). Качественные углеродистые стали поставляются в виде проката, поковок, профилей разного назначения с гарантированным химиче- ским составом и механическими свойствами и используются в маши- ностроении для изготовления деталей чаще неответственного назна- чения. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, …, 60, указывающими среднее содержание 81 углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали могут выплавляться как кипящие, полуспокойные и спокойные. В первых двух случаях в марках предусматривается буквенное обозначение «кп» или «пс». При отсутствии обозначений по умолчанию предпола- гается, что сталь выплавлена как спокойная. Состав и свойства некоторых марок качественных углеродистых сталей приведены в табл. 7.2. Т а б л и ц а 7.2 Состав и свойства качественных углеродистых сталей (ГОСТ 1050–88) Марка стали С, % Mn, % Si, % Механические свойства 0,2 МПа в , МПа , % , % KCU*, Дж/см 2 08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0,05–0,12 0,07–0,14 0,12–0,19 0,17–0,24 0,22–0,30 0,27–0,35 0,32–0,40 0,37–0,45 0,42–0,50 0,47–0,55 0,52–0,60 0,57–0,65 0,35–0,65 0,35–0,65 0,35–0,65 0,35–0,65 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,50–0,80 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 0,17–0,37 196 205 225 245 275 295 315 335 355 375 380 400 320 330 370 410 450 490 530 570 600 630 650 680 33 31 27 25 23 21 20 19 16 14 13 12 60 55 55 55 50 50 45 45 40 40 35 35 88 78 69 59 49 38 – – * Нормы ударной вязкости соответствуют термически обработанным (за- калка + отпуск) сталям. Низкоуглеродистые стали 05, 08, 10, 15, 20 кипящие и полуспо- койные отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали выпускают в основном в виде листа и используют для холодной штамповки с глубокой вытяжкой, в том числе в автомобилестроении для изготовления деталей сложной фор- мы, спокойные стали 08, 10 – для изделий невысокой прочности (ем- кости, трубы). Низкоуглеродистые стали 10…25 пластичны, хорошо свариваются и штампуются, используются для изготовления валиков, осей, для повышения износостойкости цементируются. Среднеуглеродистые стали (0,3…0,5% С), в том числе с повышен- ным содержанием марганца (30Г, 40Г, 50Г), термоулучшаемые, упроч- няются закалкой с высоким отпуском или нормализацией с высоким отпуском. Стали 45, 50 используются после закалки ТВЧ (с низким от- пуском). При одинаковом временном сопротивлении нормализованной 82 и термоулучшенной стали предел текучести и относительное удлине- ние у последней выше за счет более дисперсной структуры – сорбита отпуска. Причем у стали с такой структурой будут выше ударная вяз- кость и хладостойкость. В крупногабаритных деталях механические свойства снижаются из-за низкой прокаливаемости. Высокоуглеродистые стали, содержащие 0,6…0,7% С, а также с повышенным содержанием марганца (60Г, 65Г, 70Г) используются для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и дру- гих изделий с высокой упругостью и износостойкостью. Термическая обработка, обеспечивающая требуемые свойства, – закалка со сред- ним отпуском. 7.5. Автоматные стали (стали с улучшенной обрабатываемостью резанием) Хорошая обрабатываемость резанием и высокое качество по- верхности достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора. Сера в автоматных сталях находится в виде сульфи- дов марганца MnS, т.е. включений, вытянутых вдоль прокатки, кото- рые способствуют образованию короткой и ломкой стружки, а также оказывают смазывающее действие. Фосфор, повышая твердость и прочность, способствует и образованию ломкой стружки, и получе- нию гладкой блестящей поверхности при резании. Вместе с тем по- вышенное содержание серы и фосфора ухудшает качество стали и коррозионную стойкость, увеличивает анизотропию свойств. В целях улучшения обрабатываемости резанием в стали вводят, кроме серы и фосфора, свинец, селен, теллур и кальций, который гло- булизирует сульфидные включения. При этом возрастают механиче- ские свойства, особенно поперек прокатки, и уменьшается их анизо- тропия. Автоматные стали, содержащие свинец, не рекомендуется обрабатывать резанием со скоростью выше 100 м/мин, так как значи- тельный разогрев при высоких скоростях сопровождается быстрым испарением свинца и снижением стойкости инструмента. Стали, со- держащие кальций, целесообразно обрабатывать твердосплавным ин- струментом со скоростями резания 150…300 м/мин, так как для раз- мягчения сложных оксидов, содержащих СаО, необходимы высокие температуры. Введение этих элементов позволяет в два-три раза со- кратить расход режущего инструмента. Стали маркируются буквой А – автоматная, после которой следуют цифры, указывающие среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1414–75). Если сталь содержит свинец, то маркировка начинается с букв АС. Хими- 83 ческий состав некоторых автоматных сталей представлен в табл. 7.3. Они не раскисляются кремнием из-за его неблагоприятного влияния на их обрабатываемость. Т а б л и ц а 7.3 Химический состав автоматных сталей, % № п/п Марка стали С Si Mn S P Pb/Se 1 А12 0,08–0,16 0,15–0,35 0,7–1,1 0,080–0,20 0,080– 0,150 – 2 А20 0,17–0,25 0,15–0,35 0,70–1,00 0,080–0,150 ≤0,06 – 3 А35 0,32–0,34 0,15–0,35 0,70–1,00 0,080–0,150 ≤0,06 – 4 А40Г 0,37–0,45 0,15–0,35 1,20–1,55 0,18–0,30 ≤0,05 – 5 АС14 0,10–0,17 <0,12 1,0–1,30 0,15–0,20 <0,10 0,15– 0,30/0,04 Стали А11, А12, А20 используются для крепежных деталей и де- талей сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются повышенные требования по точности размеров и чистоте поверхности. А30, А35, А40Г используются для изготовления деталей, испытывающих большие нагрузки. Автоматные стали не упрочняются термической обработкой, возможно упрочнение холодной пластической деформацией. Приме- нение этих сталей примерно на 30% повышает производительность резания. 7.6. Углеродистые инструментальные стали Углеродистые инструментальные стали относятся к группе не- теплостойких (это ограничивает скорость резания), высокой твёрдо- сти, что обеспечивает износостойкость инструмента, и небольшой прокаливаемости; помимо них к этой группе относятся также стали, содержащие небольшое количество легирующих элементов. 84 Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–90) по хи- мическому составу подразделяются на качественные и высококаче- ственные (обозначаются буквой «А» в конце марки). По назначению, в зависимости от массовой доли хрома, никеля и меди, металлопродукцию подразделяют на три группы: 1) для продукции всех видов, кроме патентированной проволоки и ленты; 2) для патентированной проволоки и ленты; 3) для продукции всех видов (в том числе для горячекатаных и холоднокатаных листов и лент). По способу дальнейшей обработки горячекатаные кованые прут- ки и полосы подразделяют на подгруппы: а) для горячей обработки давлением (в том числе для осадки и высадки), а также для холодной протяжки; б) для холодной механической обработки (обточки, строж- ки, фрезерования и т.д.). По состоянию материала металлопродукцию изготовляют без термической обработки, термически обработанной – Т, нагартованной – Н (для калиброванных и со специальной отделкой поверхности прутков). Марки и химический состав сталей приведены в табл. 7.4. Т а б л и ц а 7.4 Химический состав инструментальных углеродистых сталей (ГОСТ 1435–90) Марка стали Углерод Кремний Марганец Сера Фосфор не более 1 2 3 4 5 6 У7 0,65–0,74 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У8 0,75–0,84 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У8Г 0,80–0,90 0,17–0,33 0,33–0,58 0,028 0,03 Окончание табл. 7.4 1 2 3 4 5 6 У9 0,85–0,94 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У10 0,95–1,04 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У11 1,05–1,14 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У12 1,15–1,24 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 У13 1,25–1,35 0,17–0,33 0,17–0,33 0,028 0,03 Буквы и цифры в обозначении марки стали означают: У – угле- родистая, следующая цифра – средняя массовая доля углерода в деся- 85 тых долях процента, Г – повышенная массовая доля марганца. Буквой А обозначаются высококачественные стали, более чистые, чем каче- ственные, по содержанию серы (не более 0,018%) и фосфора (не более 0,025%), а также остаточных примесей и неметаллических включе- ний. 8. ЧУГУНЫ 8.1. Разновидности чугунов Чугун является железоуглеродистым сплавом, содержащим свы- ше 2,14% углерода и постоянные примеси (Si, Mn, S, Р). В зави- симости от состава, условий кристаллизации и скорости охлаж- дения углерод в чугуне может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде гра- фита. Наличие углерода только в виде цементита в сплаве придает изло- му светлый цвет. Поэтому такой чугун называется белым. Его структу- ра определяется равновесной диаграммой «железо–цементит». Графит придает излому темный цвет. Чугуны, в которых углерод находится в свободном состоянии, по форме графита делятся на следующие группы: серые (графит пластинчатой формы); чугуны с вермикулярным графитом (графит прерывистой, из- вилистой формы в виде прожилок); ковкие (графит хлопьевидной, комьевидной формы); высокопрочные (графит шаровидной формы). 8.2. Структура, свойства и применение чугунов Белые чугуны. В соответствии с диаграммой «железо–цементит» равновесная структура чугунов включает: перлит, превращенный ледебурит и цементит вторичный – доэвтектические чугуны; превращенный ледебурит – эвтектические чугуны; превращенный ледебурит и цементит первичный – заэвтектиче- ские чугуны. 86 В белых чугунах весь углерод находится в виде структурно-сво- бодного цементита и цементита, входящего в состав ледебурита. При- сутствие цементита в структуре белых чугунов придает им высокую твердость, хрупкость, и они практически не поддаются обработке ре- занием. Указанные свойства белых чугунов ограничивают их примене- ние в качестве конструкционного материала. Белые (отбеленные) чугуны применяют в машиностроении в тех случаях, когда детали работают на износ (щеки камнедробилок, тормозные вагонные ко- лодки и т.д.). Рабочая поверхность отливок для таких изделий должна иметь структуру белого чугуна, а центральная часть – серого. Бе- лые чугуны применяются в основном для передела в сталь и ковкий чугун. |