Технологические свойства углеродистой стали и область ее применения

Отдельные изделия изготовляют обработкой резанием, ковкой, штамповкой, сваркой, литьём. Поведение сталей при обработке (технологические свойства) влияет на их качество, себестоимость и производительность труда.

Обрабатываемость резанием углеродистой стали характеризуется стойкостью режущего инструмента (время работы между переточками), допустимыми скоростями и усилиями резания, чистотой обработанной поверхности. С увеличением прочности и твердости, т.е. с повышением содержания углерода в стали, обрабатываемость ее ухудшается, но стали и с очень малым содержанием углерода (со структурой почти чистого феррита) обрабатываются плохо из-за низкой чистоты поверхности. Оптимальной обрабатываемостью обладают доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого (а эвтектоидные и заэвтектоидные - со структурой зернистого) перлита. Обрабатываемость зависит также от величины зерна: лучше обрабатываются крупнозернистые стали (образуется сыпучая стружка). Хорошо обрабатываются стали с повышенным содержанием серы и фосфора (до 0,1-0,3%).

Штампуемость ухудшается с повышением прочностных свойств стали, особенно предела текучести (s_0.2). Способность стали к вытяжке характеризуется отношением s_0.2/s_в, которое для глубокой витяжки равно 0,65-0,70, а сталь должна содержать около 0,08%С, до 0,4%Мn и не более 0,3% Si (т.е. обычная "кипящая" сталь). Большое влияние на качество штамповок оказывает величина зерна: крупнозернистые стали с неоднородным зерном дают шероховатую поверхность и склонны к образованию разрывов при штамповке, а очень мелкозернистые - пружинят и сильно изнашиваются штампы.

Свариваемость стали определяется качеством металла в сварном шве и околошовной зоне. Чем шире температурный интервал кристаллизации, тем легче образуются горячие трещины. Интервал кристаллизации возрастает с увеличением содержания углерода (см. рис.1), следовательно, свариваемость ухудшается. Кроме того, повышение содержания углерода увеличивает закаливаемость стали, что способствует образованию трещин при пониженных температурах (холодные трещины). Поэтому содержание углерода в свариваемых сталях ограничивается.

Литейные свойства стали - жидкотекучесть (заполняемость металлом формы), склонность к ликвации, чистота поверхности отливок (пригар), объёмная усадка (склонность к образованию усадочных раковин и рыхлости), линейная усадка (склонность к образованию трещин) - ухудшаются с повышением содержания углерода. Поэтому для литья используют обычно стали с содержанием углерода до 0.4%. Но в этом случае литейные свойства стали невысокие: имеется склонность к образованию раковин, трещин, плохая жидкотекучесть, большой пригар.

Структура стали характеризует ее свойства, а следовательно, и область применения.

Доэвтектоидные стали являются конструкционным материалом, применяемым для изготовления большой номенклатуры деталей машин.

Стали, содержащие более 0,7%углерода, используются в основном как инструментальные. Высокоуглеродистые (С >1%) стали повышенной стойкости и износостойкости, применяют для изготовления режущего инструмента; стали с меньшим содержанием углерода, обладающие одновременно достаточной вязкостью, используют для изготовления инструмента, работающего с ударными нагрузками.

Задание и методические указания

В настоящей работе студенты изучают структуры углеродистых сталей в равновесном состоянии и устанавливают связь между структурой и диаграммой Fe- Fe₃C. Для выполнения работы студенту предоставляется коллекция шлифов различных углеродистых сталей.

Студент должен:

1) исследовать под микроскопом шлифы и указать, к какому виду сталей относится каждый образец;

2) определить по структуре процентное содержание углерода;

3) определить марку стали и указать механические свойства, приведенные в табл. 1;

4) записать полученные данные в табл 2;

5) составить отчет о данной работе.

При составлении отчета необходимо начертить часть диаграммы Fe - Fe₃С, которая относится к области cталей, и зарисовать все просмотренные структуры сталей с указанием названия структурных составляющих и марки сталей.

Таблица 2

Записи анализа сталей

№ образца	Содержание структурных составляющих	Содержание С	Предел прочности при разрыве	Твердость	Ударная вязкость
феррит	перлит	цементит	%	МПа	МПа	Нм/см2

Контрольные вопросы

1. Структурные составляющие железоуглеродистых сталей.

2. Как классифицируют стали по структуре в отожженном состоянии?

3. Как определяют содержание углерода в стали по микроструктуре?

4. Классификация углеродистых сталей по назначению и способу производства.

5. Каково влияние углерода на структуру и свойства сталей?

6. Что такое аустенит?

7. Что такое феррит?

8. Что такое цементит?

9. Что такое перлит?

10. Какую кристаллическую решетку имеет гамма-железо?

11. Какую кристаллическую решетку имеет альфа-железо?

12. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (анализировать участок с перитектикой).

13. Диаграмма состояния Fe-Fe₃C (анализ стального участка).

14. Диаграмма состояния Fe-Fe₃С (анализ чугунного участка).

15. Классификация, маркировка, применение углеродистых сталей.

16. Влияние постоянных примесей на структуру и свойства сплавов (углерод, кремний, марганец).

17. Влияние постоянных примесей на структуру и свойства сплавов (фосфор, сера, водород, азот, кислород).

18. Укажите структуру Стали 08кп в равновесном состоянии.

19. Укажите структуру Стали30 в равновесном состоянии.

20. Укажите структуру Стали45 в равновесном состоянии.

21. Укажите структуру Стали80 в равновесном состоянии.

22. Укажите структуру стали У8А в равновесном состоянии.

23. Укажите структуру Стали10 в равновесном состоянии.

24. Укажите структуру стали У10А в равновесном состоянии.

25. По каким признакам производят классификацию углеродистых сталей?

26. К какой группе по качеству относится сталь Ст3?

27. К какой группе по качеству относится Сталь45?

28. К какой группе по качеству относится сталь У10?

29. К какой группе по качеству относится сталь У10А?

30. К какой группе по назначению относится Сталь05?

31. К какой группе по назначению относится сталь Ст3кп?

32. К какой группе по назначению относится сталь У8А?

33. К какому виду относят конструкционную Сталь 08кп?

34. К какому виду относят конструкционную Сталь20?

35. К какому виду относят конструкционную Сталь35?

36. К какому виду относят конструкционную Сталь60?

37. На что указывает цифра в стали Ст5кп?

38. На что указывает буквы кп в стали Ст5кп?

39. Что обозначает буквы пс в марке стали БСт3пс?

40. Что обозначает буква Б в марке стали БСт3пс?

41. Что обозначает буква В в марке стали ВСт5?

42. Сколько углерода в стали?

43. Сколько углерода в Стали 08кп?

44. Сколько углерода в Стали30?

45. Сколько углерода в стали У8А?

46. Сколько углерода в Стали80?

47. В какой из перечисленных сталей наименьшее количество углерода - Сталь05, Ст5кп, Сталь20, У10, У8А, Стали80?

48. Какую из деталей целесообразнее изготовить из Стали45?

49. Какую из деталей целесообразнее изготовить из Стали55?

50. Какую из деталей целесообразнее изготовить из стали У10?

51. Какая из сталей (Сталь35 и У10) прочнее в равновесном состоянии?

Лабораторная работа № 2

Закалка стали

Цель работы: практическое ознакомление с операциями термической обработки; изучение влияния режимов термической обработки на свойства и структуру конструкционной и инструментальной сталей.

Материалы и оборудование: коллекция нетравленых и травленых микрошлифов различных марок углеродистых сталей; приборы Бринеля и Роквелла для определения твердости, микротвердомер 402 MVD для определения микротвердости, металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO₃ в спирте).

Задания: 1. Ознакомиться с основными операциями термической обработки. 2. Изучить влияние режимов термической обработки на свойства и структуру конструкционных и инструментальных сталей. 3. Составить отчет о проделанной работе.

Общие сведения

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на сплав по определенным режимам для изменения его структуры и свойств.

От термической обработки зависят свойства и стойкость деталей и инструмента.

Существуют четыре основных вида термической обработки стали:

- закалка;

- отпуск;

- отжиг;

- нормализация.

На результаты термической обработки влияют следующие факторы:

- время (скорость) нагрева;

- температура нагрева;

- время (продолжительность) выдержки;

- скорость охлаждения.

Закалкой стали называют термическую операцию нагрева стали до температуры выше критической точки Ас₁ или Ас₃ с последующим быстрым охлаждением, обеспечивающим получение неравновесной структуры – в основе мартенситной. Назначение закалки – получение высокой твердости, прочности и износоустойчивости.

На получение оптимальной структуры после закалки и формирование конечных свойств, получаемых при отпуске закаленной стали, влияет правильный выбор температуры и времени выдержки при нагреве под закалку.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали.

Полной закалкой называют закалку с нагревом до температур однофазной аустенитной области.

Неполной закалкой называют закалку с нагревом до межкритических температур (Ас₁-Ас₃), при которых сохраняется избыточная фаза – феррит или вторичный цементит.

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке: оптимальной температурой нагрева является температура, превышающая критическую точку Ас₃ на 30-50⁰С (рис. 9). При таком нагреве исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

При нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃ в структуре наряду с аустенитом останется часть непревращенного феррита, который приводит при закалке к образованию мартенситно-ферритной структуры (рис. 10). Феррит, имеющий низкую твердость, понижает общую твердость закаленной стали и ухудшает ее механические свойства после отпуска.

Рис. 9. Оптимальный интервал закалочных температур

углеродистой стали

Рис .10. Феррит + мартенсит доэвтектоидная сталь (неполная закалка)

При нагреве доэвтектоидной стали до температур больших, чем на 30-50⁰С выше Ас₃ будет происходить рост зерна аустенита и соответственный рост зерна после охлаждения (рис. 11), что ухудшает свойства стали.

Рис. 11. Схемы образования аустенита, перлита, мартенсита

Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки наоборот лежит в интервале между Ас₁ и Ас₃ и теоретически является неполной.

При таком нагреве исходная структура – перлит и цементит – не будут полностью превращаться в аустенит, часть вторичного цементита остается нерастворенной. После охлаждения со скоростью выше критической аустенит превратится в мартенсит. Структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и цементита (рис. 12). Наличие в структуре избыточного цементита повышает твердость, а, следовательно, и износостойкость стали.

Рис. 12. Мартенсит + цементит заэвтектоидная сталь (неполная закалка)

Нагрев под закалку производится в печах периодического и непрерывного действия, чаще – электрических или работающих на газообразном (жидком) топливе. Широко применяются печи-ванны, в которых изделие нагревается в расплавленных солях, например, в 100% ВаCl₂ или 78 % BaCl₂ и 22 % NaCl, или в сильвините (естественный минерал, состоящий из NaCl + КCl), реже - в металлах (обычно в свинце).

Общая продолжительность нагрева, т.е. общее время t_общ пребывания деталей в нагревающей среде, состоит из времени t_н нагрева до заданной температуры и времениt_в выдержки при этой температуре:

t_общ = t_н + t_в.

Скорость нагрева зависит от химического состава стали, размера и формы обрабатываемых деталей, характера расположения изделий в печи, типа нагревательного устройства, температуры нагрева и т.д.

При термической обработки в печах возможны три способа нагрева:

1. Детали загружают в холодную или разогретую до невысокой температуры печь и нагревают до заданной температуры, при этом время нагрева достаточно большое, но разность температур по сечению небольшая. Этот способ применяют при нагреве деталей сложной формы и изготовленных из высоколегированных сталей.

2. Детали загружают в печь, имеющую постоянную заданную температуру; время нагрева меньше, чем при первом способе, но разность температур по сечению больше. Этот способ самый распространенный.

3. Детали загружают в печь, имеющую температуру выше заданной. По мере нагрева деталей температура печи снижается до заданной. При этом способе скорость нагрева, разность температур и возникающие внутренние напряжения наибольшие. Этот способ является способом форсированного нагрева.

Время нагрева зависит от расположения деталей в печи и от их взаимного расположения. Детали нагреваются быстрее при всестороннем подводе тепла, самый медленный нагрев – при расположении нескольких деталей вплотную (продолжительность нагрева увеличивается в четыре раза). Это отражено в примерных нормах нагрева деталей (табл. 3).

Таблица 3

Примерные нормы нагрева деталей диаметром (толщиной) более 3мм при нагреве для закалки 750-900⁰С

Агрегат	Время нагрева на 1мм диаметра или наименьшей толщины для сталей, с
Углеродистые и низколегированные стали	Легированные стали
Электрическая печь	50-80	70-90
Соляная ванна	20-25	25-30
Свинцовая ванна	6-8	8-10

При достижении заданной температуры нагрева проводят выдержку для полного прогрева изделия по сечению, завершения всех фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по сечению.

Время выдержки, так же как и температура нагрева, зависят от химического состава стали, формы и размеров изделия. Чем выше температура нагрева, тем меньше требуется времени для полного прогрева детали и гомогенизации аустенита. Время выдержки при заданной температуре может быть принято равным 3 мин. для углеродистых сталей и 5-6 мин. для легированных сталей.

В процессе нагрева деталей в печах металл взаимодействует с атмосферой печи. Результатом такого взаимодействия являются:

- окисление, ведущее к образованию окалины на поверхности нагреваемого металла;

- обезуглероживание – частичное или полное выгорание углерода в поверхностных слоях стали.

Окисление приводит к потерям металла, усложняет обработку деталей, затрудняет получение высокой и равномерной твердости. Потери металла при нагреве составляют 3% массы обрабатываемых деталей.

В обезуглероженном слое появляются «мягкие пятна» и возникают растягивающие напряжения, что снижает прочность, износостойкость и предел выносливости, т.е. снижает срок службы деталей.

Для предохранения поверхности деталей от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство печи искусственно вводят защитную газовую среду, называемую контролируемой атмосферой.

Для предупреждения обезуглероживания используют продукты диссоциации аммиака или частичного их сжигания (Н₂ – Н₂О – N₂) или генераторный газ (СО – СО₂– N₂), предварительно очищаемый от СО₂ и осушенный.

Для защиты от окисления могут применять инертные газы – аргон, неон, азот.

Предохранение деталей от окисления и обезуглероживания осуществляется также нагревом в хорошо раскисленных расплавленных солях.

В последнее время получает распространение нагрев с применением защитных покрытий – стекловидных эмалей. Для таких покрытий применяют механические смеси тонких порошков стекол с огнеупорными наполнителями. В процессе нагрева происходит плавление легкоплавких, а затем тугоплавких составляющих смеси, и тем самым обеспечивается получение стекловидной расплавленной пленки, изолирующей металл от печной атмосферы.

Наиболее ответственной операцией при закалке является охлаждение, цель которой – в большинстве случаев получение мартенситной структуры.

Мартенситом называется пересыщенный раствор углерода в альфа железе — α-Fe с тетрагональной объемноцентрированной кристаллической решеткой (рис. 13).

Рис. 13. ОЦТ решетка мартенсита

Превращение аустенита в мартенсит бездиффузионное, поэтому содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном аустените. Твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода (рис. 14).

Рис. 14. Изменение твердости закаленной стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1 – нагрев выше Ас₃; 2 – твердость мартенсита; 3 – нагрев выше Ас₁ (770⁰С)

Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости υ_кр (рис. 15).

Рис. 15. Определение критической скорости закалки по диаграмме изотермических превращений

Критической скоростью закалки называется наименьшая скорость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения.

Микроструктура мартенсита приведена на рис. 16.

Рис. 16. Структура мартенсита в сталях массового назначения:

а – крупноигольчатый; б – мелкоигольчатый

Мартенсит в стали, содержащей 0,1%С, имеет твердость НRC примерно 30. При 0,7%С твердость мартенсита достигает максимального значения (НRC 64) и при дальнейшем увеличении содержания углерода она существенно не увеличивается (рис. 14).

Если скорость охлаждения будет меньше υ_кр., аустенит распадается на феррито-цементитную смесь – бейнит, троостит, сорбит (рис. 17, 18).

Рис. 17. Диаграмма изотермического распада аустенита доэвтектоидной стали (0,4%С)

Бейнит(игольчатый троостит) – высокодисперсная смесь феррита и цементита игольчатого строения (рис. 19). Имеет твердость НВ 4500-5500 МПа. Наряду с высокой твердостью обладает некоторой вязкостью.

Троостит представляет собой высокодисперсную смесь феррита и цементита (рис. 20). Троостит закалки имеет пластинчатое строение и твердость НВ 3500-4500 МПа. Обладает вязкостью с высоким пределом пропорциональности.

Сорбит – механическая смесь феррита и цементита, но более грубого строения, чем троостит. Частицы цементита в сорбите различимы под микроскопом при увеличении в 500 раз (рис. 21). Для сравнения на рис. 22 приведена микроструктура перлита.

Рис. 18. Наложение на диаграмму изотермического распада аустенита кривых охлаждения. Схемы структур и их твердость

Рис. 19. Структура бейнита: а, б – верхний бейнит; в, г – нижний бейнит (а, в – х500; б, г – электронный микроскоп х3000)

Рис. 20. Троостит (х16000), распад при Т=600⁰С

Рис. 21. Сорбит (х7500), распад при Т=650⁰С

Рис. 22. Перлит (х7500), распад при Т=700⁰С

Мартенситное превращение реализуется в интервале температур Мн – Мк. Температуры начала Мн и конца Мк мартенситного превращения зависят от содержания углерода в аустените стали (рис. 23).

Рис. 23. Влияние содержания углерода на понижение мартенситных температур – точек Мн и Мк

При содержании в стали углерода больше 0,6% температура конца мартенситных превращений снижается в область отрицательных температур, поэтому при охлаждении этих сталей до комнатных температур со скоростью больше критической в них остается повышенное количество остаточного аустенита (рис. 24).

Рис. 24. Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали

Скорость охлаждения не влияет на положение температур начала и конца мартенситного превращения. Однако скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения (точек Мн и Мк) влияет на количество остаточного аустенита. Немного ниже точки Мн более медленное охлаждение вызывает большую степень превращения.

Величина критической скорости закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита. Чем больше его устойчивость, а, следовательно, чем больше смещены вправо линии превращений на диаграмме изотермического распада аустенита, тем меньше критическая скорость закалки.

Факторы, повышающие скорость закалки:

Химический состав стали.

Легирующие элементы (Мо, Ni, Cr, Mn и др.), находящиеся в твердом растворе, обычно увеличивают устойчивость аустенита и понижают критическую скорость закалки. Исключение составляет кобальт, который уменьшает устойчивость аустенита, увеличивая при этом критическую скорость закалки.

Если элементы находятся в виде различных соединений (карбиды, интерметаллиды), то они могут создавать дополнительные центры кристаллизации и уменьшать устойчивость аустенита, а, следовательно, повышать критическую скорость закалки.

В углеродистой стали наиболее низкую критическую скорость закалки имеет эвтектоидная сталь. Понижение содержания углерода, по сравнению с эвтектоидным составом, приводит к повышению критической скорости закалки.

В заэвтектоидной стали с повышением содержания углерода при охлаждении с межкритического интервала критическая скорость закалки также повышается.