Определение механических свойств металлов: твердость; характеристики, определяемые при растяжении, при знакопеременном нагружении; ударная вязкость.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости.

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля.

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Твердость по Роквеллу

Метод основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой.

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1,6 мм, для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 кг) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости HRA, HRB, HRC.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно, переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами.

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности.

Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.

Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца от действующей нагрузки Р.

Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения.

Предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между деформацией и напряжением.

При напряжениях выше предела пропорциональности происходит равномерная пластическая деформация (удлинение или сужение сечения).

Так как практически невозможно установить точку перехода в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости, – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Считают напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05%).

В обозначении указывается значение остаточной деформации s_0,05.

Предел текучести характеризует сопротивление материала небольшим пластическим деформациям.

В зависимости от природы материала используют физический или условный предел текучести.

Физический предел текучести– это напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке (наличие горизонтальной площадки на диаграмме растяжения). Используется для очень пластичных материалов.

Но основная часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести.

Условный предел текучести – это напряжение вызывающее остаточную деформацию 0,2% – s_0,2.

Физический или условный предел текучести являются важными расчетными характеристиками материала. Действующие в детали напряжения должны быть ниже предела текучести.

Равномерная по всему объему пластичная деформация продолжается до значения предела прочности.

Предел прочности– напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения (временное сопротивление разрыву).

Образование шейки характерно для пластичных материалов, которые имеют диаграмму растяжения с максимумом.

При испытании на растяжение определяются и характеристики пластичности.

Пластичность – способность материала к пластической деформации, т.е. способность получать остаточное изменение формы и размеров без нарушения сплошности.

Это свойство используют при обработке металлов давлением.

Относительное сужение более точно характеризует пластичность и служит технологической характеристикой при листовой штамповке.

Испытания на выносливость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, которым соответствуют:

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“.

Предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура, определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

ТЕМА 5

Сплавы железа с углеродом.

5.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

5.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

5.3. Чугуны. Влияние химического состава и скорости охлаждения на структуру чугуна. Серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун: классификация, маркировка, применение.

5.1. Диаграмма состояния железо-цементит.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe₃C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 6%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67 % углерода.

Компоненты: железо, углерод.

Железо – металл сероватого цвета. Чистое железо в настоящее время 99,999%Fe; технические сорта 99,8 – 99,9% Fe. Температура плавления 1539°С. Имеет две полиморфные модификации – ОЦК и ГЦК.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – d=50%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

Углерод. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 ⁰С, плотность – 2,5 г/см³) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 ⁰С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe₃C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

В системе Fe–C различают следующие фазы:

– жидкий расплав (L),

– твердые растворы – феррит (Ф) и аустенит (А),

– химическое соединение – цементит (Ц),

– графит (Г).

Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе. Атом углерода располагается в решетке феррита в центре грани куба, а также в вакансиях, на дислокациях и т.д. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727^o С ( точка P).

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок и пластичен, магнитен до 768^o С.

При 0,006 %С: s_в = 250 МПа, s_0,2 = 120 МПа, d = 50%, 80–100НВ.

Аустенит – твердый раствор углерода в g-железе. Атом углерода располагается в центре элементарной ячейки. s_в = 600 МПа, d = 40-50%, 170–220НВ, парамагнитен. Предельная растворимость С в g-Fe – 2,14%.

Цементит – химическое соединение Fe₃C, содержит 6,67 % углерода. Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250 – 1550^o С). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217^o С.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (Ц_I), цементит вторичный (Ц_II), цементит третичный (Ц_III). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

Графит – углеродная модификация, имеет гексагональную кристаллическую решетку. Мягок, обладает низкой прочностью.

Кристаллизация сплавов

ABCD – линия ликвидус, ниже которой происходит кристаллизация сплава.

AHJECF – линия солидус, линия окончания кристаллизации.

При содержании углерода в сплаве менее 0,51% кристаллизация начинается с выделения d-феррита; при 0,51 < %С < 4,3 с выделения аустенита; кристаллизация сплавов, содержащих 4,3 < %С < 6,67 – цементита первичного.

В сплавах, содержащих до 0,1% С, кристаллизация заканчивается при температурах, соответствующих линии AH, с образованием d-феррита. Максимальное содержание углерода в d-феррите составляет 0,1% (т. Н).

Сплавы, содержащие 0,1 < %С < 0,51 при температуре 1499°С испытывают перитектическое превращение:

L_B + Ф_Н ® А_J

Линия HJB – линия перитектических превращений.

При содержании углерода от 0,1% до 0,16%, то есть между т. Н и J, недостаточно жидкости для реакции со всем имеющимся количеством феррита. Поэтому после окончания реакции остается избыточный феррит, который с понижением температуры вплоть до линии JN переходит в аустенит.

При содержании углерода от 0,16%, до 0, 51%, то есть между т. J и В, количество феррита недостаточно для реакции со всем имеющимся количеством жидкости. Поэтому после окончания реакции остается избыточная жидкость, которая с понижением температуры вплоть до линии солидус JE кристаллизуется в аустенит.

Сплавы, содержащие до 2,14%С, называются сталью, о более 2,14% С – чугуном. Принятое разграничение совпадает с предельной растворимостью С в аустените. Стали после затвердевания имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали при повышенных температурах легко деформируются и в отличие от чугуна являются ковкими сплавами.

Особенность первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14% заключается в том, что она заканчивается эвтектическим превращением при
t = 1147°С.

Эвтектический сплав (4,3% С) затвердевает при постоянной температуре с образованием эвтектики – ледебурита – механической смеси аустенита и цементита.

В до- и заэвтектических чугунах первичная кристаллизация начинается с выделения избыточной фазы, соответственно аустенита или цементита. По мере выделения избыточной фазы состав жидкости, изменяясь по линии ликвидус, приближается к составу эвтектики. На линии ECF жидкая фаза в любом сплаве имеет эвтектический состав (4,3% С), поэтому линия ECF называется линией эвтектических превращений.

Ледебурит имеет сотовое (пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита) или пластинчатое (тонкие пластины цементита, разделенные аустенитом – образуется при быстром охлаждении) строение. Сотовое и пластинчатое строение нередко сочетается в одной колонии.

Ледебурит хрупок, тверд (700НВ) и плохо обрабатывается резанием.

По сравнению со сталями чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами (низкой температурой плавления, имеют меньшую усадку).

Фазовые и структурные изменения после затвердевания

связаны с полиморфизмом железа, изменением растворимости углерода в аустените и феррите с понижением температуры и эвтектоидным превращением.

Эвтектоидное превращение имеет место при температуре 727°С и заключается в распаде аустенита на механическую смесь феррита и цементита (перлит).

В доэвтектоидных сплавах (%С < 0,8%) в температурной области PGS по границам зерен аустенита образуются зародыши феррита, они растут, поглощая зерна аустенита. Ниже линии GOS g-решетка аустенита перестраивается в a-решетку, что и приводит к образованию феррита, линия GOS называется линией ферритных превращений.

По мере выделения феррита состав аустенита изменяется по линии ферритных превращений, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения доэвтектоидные сплавы имеют структуру: феррит + перлит. Чем больше углерода, тем меньше избыточного феррита и больше перлита.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02% называются техническим железом. Ниже линии GP существует только феррит. С понижением температуры растворимость углерода в a-железе уменьшается в соответствии с линией PQ – линией предельной растворимости углерода в a-железе. Из феррита выделяется цементит третичный. т. Р соответствует максимальной растворимости углерода в a-железе – 0,02%.

В заэвтектоидныхсталях (0,8 < %С < 2,14) вследствие уменьшения растворимости углерода в g-железе с понижением температуры выделяется избыточная фаза – вторичный цементит. Цементит называется вторичным потому, что он выделяется из твердого раствора (аустенита). Превращение аустенита начинается в соответствии с линией ES – линией цементитных превращений (или предельной растворимости углерода в g-железе).

По мере выделения цементита состав аустенита изменяется по линии ES, приближаясь к эвтектоидному. Этот состав достигается на линии PSK, где происходит эвтектоидное превращение аустенита в перлит.

После окончательного охлаждения заэвтектоидные сплавы имеют структуру: цементит + перлит.

В эвтектоидной стали (0,8%С) весь аустенит переходит в перлит. Перлит чаще имеет пластинчатое строение, то есть состоит из чередующихся пластинок феррита и цементита. Толщина пластинок 7,3:1. После специальной обработки перлит может иметь зернистое строение.

Перлит пластинчатый s_в = 800–900 МПа, d = 10%, 200НВ.

Перлит зернистый s_в = 700 МПа, d = 20%, 180НВ.

В чугунах:

В доэвтектических чугунах ниже 1147°С происходит частичный распад аустенита – как первичных его кристаллов, выделившихся из жидкости, так и аустенита, входящего в состав ледебурита (вследствие уменьшения растворимости углерода в соответствии с линией SE).

При 727°С аустенит, обедненный углеродом до 0,8%, превращается в перлит. Таким образом, доэвтектические чугуны, после окончательного охлаждения имеют структуру П+Ц_II+Л, где ледебурит – механическая смесь перлита и цементита.

Эвтектический чугун состоит только из ледебурита (перлит + цементит).

Заэвтектический чугун содержит углерода больше4,3% и после затвердевания состоит их Ц_II+Л(П+Ц).

Фазовый состав всех сплавов при температуре ниже 727°С одинаков; они состоят из феррита и цементита. Однако свойства сталей и белых чугунов значительно различаются. Таким образом, основным фактором, определяющим свойства сплавов системы железо – цементит является их структура.

Следует запомнить обозначение критических точек железа и сплава, это имеет большое практическое значение при термической обработке.

5.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали.
Углеродистые стали. Классификация и маркировка углеродистых сталей.

Стали – сплавы железа с углеродом, содержащие менее 2,14%С.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Углерод. Структура сталей в отожженном состоянии – феррит + цементит. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода. Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций (возрастает предел прочности (s_В), и падают значения относительного удлинения и сужения (d и y)). Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1%С повышает предел хладноломкости в среднем на 20°С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Кремний и марганец вводят в сталь в ходе раскисления при выплавке:

2FeO + Si ® 2Fe + SiO₂

FeO + Mn ® Fe + MnO

Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний, остающийся после раскисления, растворяется в феррите, сильно повышая s_т. Это снижает способность стали к вытяжке. В связи с этим в сталях, предназначенных для холодной штамповки содержание кремния должно быть снижено.

Марганец растворяется в феррите и цементите, повышает прочность, практически не снижая пластичности; и резко снижает красноломкость стали, вызванную серой.

Сера нерастворима в феррите и даже малое ее количество образует с железом сульфид FeS, который входит в состав эвтектики (Fe + FeS), образующейся t=988°С. Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной, как правило, по границам зерен приводит к тому, что при нагреве стали до температур прокатки или ковки (1000–1200°С) эвтектика расплавляется, возникают надрывы и трещины – красноломкость.

Присутствие марганца снижает красноломкость (FeS + Mn ® MnS + Fe). MnS плавится при t = 1620°С. При t = 800¸1200°С MnS пластичен и под действием внешних сил вытягивается в продолговатые линзы.

Сера ухудшает свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор растворяется в феррите, сильно искажая кристаллическую решетку. Как следствие повышаются s_т и s_В, но уменьшается пластичность и вязкость. При содержании фосфора более 1,2% имеет место образование химического соединения Fe₃P.

Фосфор уменьшает работу развития трещины, и каждая 0,01%Р повышает порог хладноломкости на 20 – 25°С, то есть способствует хладноломкости стали.

Способность фосфора к сегрегации по границам зерен также способствует охрупчиванию стали. Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Вследствие этого в серединных слоях слитка отдельные участки обогащаются фосфором и имеют резко пониженную вязкость.

Верхние пределы содержания примесей:

Mn – 0,8%

Si – 0,5%

S – 0,06%

P – 0,06%

Азот, кислород, водород могут присутствовать в следующих формах: находится в различных несплошностях (газообразное состояние); в a-твердом растворе; образовывать различные соединения – неметаллические включения (нитриды, оксиды – FeO, Fe₂O₃, SiO₂ и т.д.).

Примеси внедрения (N, O) концентрируясь в зернограничных объемах и образуя выделения нитридов и оксидов по границам зерен, повышают порог хладноломкости и понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Неметаллические включения, оксиды и сульфиды в процессе деформации располагаются в виде разорванных строчек (оксиды), или в виде продолговатых линз (сульфиды), ориентированных вдоль направления прокатки. Эти включения служат центрами кристаллизации феррита, в результате образуется полосчатая феррито-перлитная структура. Наличие такой полосчатой структуры вызывает сильную анизотропию свойств.

Очень вредным является водород. Поглощенный при выплавке водород не только охрупчивает сталь, но и приводит к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов (очень тонких трещин овальной формы, имеющих в изломе вид пятен-хлопьев серебристого цвета). Металл, имеющий флокены, НЕЛЬЗЯ использовать в промышленности. Влияние водорода при сварке проявляется в образовании холодных трещин в наплавленном и основном металле.

Классификация сталей

По структуре в отожженном состоянии:

- доэвтектоидные

- эвтектоидные

- заэвтектоидные

-

По качеству:

- обыкновенного качества (до 0,05%S и 0,05%P)

- качественные (до 0,04%S и 0,04%P)

- высококачественные (до 0,025%S и 0,025%P)

- особо высококачественные (до 0,015%S и 0,025%P)

По назначению:

- конструкционные (до 0,8%С)

- инструментальные (более 0,7%С)

- специального назначения

По содержанию углерода:

- низкоуглеродистые (<0,3%С)

- среднеуглеродистые (0,3–0,6%С)

- углеродистые (0,6–0,85%С)

По степени раскисления

- спокойные

- полуспокойные

- кипящие

Кипящая сталь раскислена только Mn. В такой стали содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей СО₂, создавая впечатление «кипения» стали.

Полуспокойные раскислены марганцем и алюминием.

Спокойные раскислены марганцем, алюминием и кремнием. Затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Кроме того, ликвация в слитках спокойной стали значительно меньше, чем в кипящей. Спокойные углеродистые стали имеют порог хладноломкости на 30-40°С ниже, чем кипящие.

Маркировка углеродистых сталей

При маркировке высококачественных сталей в конце марки ставится буква «А».

При маркировке кипящие стали маркируются «кп», полуспокойные «пс», спокойные «сп», буквы ставятся в конце марки.

Если сталь содержит повышенное количество марганца, при маркировке углеродистых сталей это отражается буквой «Г».

Стали обыкновенного качества

Маркируют буквами «Ст» (сталь) и цифрой – условный номер марки (с увеличением порядкового номера возрастает количество углерода).

Пример: Ст1 – сталь обыкновенного качества, порядковый номер по ГОСТ –1

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, уголки, прутки; а также листы, трубы.

Для сварных конструкций применяют спокойные стали.

С повышением содержания углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 (С>0,3%) применяют для элементов строительных конструкций не подвергаемых сварке. Они предназначены для производства рельсов, ж/д колес, валов и шкивов грузоподъемных машин и механизмов.

Качественные углеродистые стали

Маркируют цифрами 05, 08, 10, 15, 20 …85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Пример: 45 – сталь качественная, содержание углерода 0,45%.

Низкоуглеродистые стали (С<0,25%)

05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. s_В~330¸340МПа, s_0,2~200¸210МПа, d=33-31%. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей.

Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки. 15, 15кп, 20, 25 (s_В~380¸460МПа, s_0,2~250МПа, d=27¸23%) без термической обработки или после нормализации. Изготавливают трубопроводы, сосуды под давлением, паровые котлы, строительные конструкции.

Низкоуглеродистые стали используют для ответственных сварных конструкций, а также деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3–0,5%С)

30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после термической обработки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (термическая обработка – закалка, нормализация, улучшение).

0,2¸0,4%С – болты, гайки, шпильки.

0,3¸0,5%С – не обладают хорошей свариваемостью – применяют после термической обработки для изготовления валов, звездочек, шестерен, т.е. деталей, работающих при больших статических и динамических нагрузках.

Высокоуглеродистые стали (0,6–0,8%С)

60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Применяют после термической обработки (закалки, отпуска, поверхностной закалки) для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают пружины, рессоры (0,5–0,7%С); шпиндели, прокатные валки и т.п.

Углеродистые инструментальные стали

У7, У8, У9 … У13.

Буква «У» в маркировке обозначает – углеродистая, а цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента.

Пример: У10 – качественная инструментальная сталь, содержание углерода 1%.

Основные требования, предъявляемые к инструментальным сталям – износо-, теплостойкость, повышенная твердость (выше твердости обрабатываемого материала) и высокая прочность в сочетании с достаточной вязкостью.

Углеродистые стали обыкновенного качества или высококачественные (У10А, У9А и т.п.) применяют для изготовления инструмента для резания материалов низкой твердости и небольшими скоростями (так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190 – 200°С).

Термическая обработка – закалка и низкий отпуск.

Применение:

У7, У8 – деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры. Эти стали характеризуются высокой вязкостью и находят применение для инструментов, подвергающихся ударам и толчкам: кузнечного инструмента, пуансонов, матриц, пневматического инструмента.

У10, У11, У12, У13 – фрезы, сверла, пилы, ножовки ручные, напильники, бритвы, медицинский инструмент, бурильный инструмент, резцы, мечики. А также различный измерительный инструмент.

Углеродистые инструментальные стали обладают пониженной прокаливаемостью и поэтому их применяют для инструментов небольших размеров.

5.3. Чугуны. Влияние химического состава и скорости охлаждения
на структуру чугуна. Серый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун:
классификация, маркировка, применение.

Чугуны – сплавы железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14%.

Присутствие эвтектики в структуре чугуна обусловливает его использование. Чугуны отличаются хорошими литейными свойствами и плохо деформируются.

Структура чугуна и его свойства зависят не только от химического состава, но и от процесса выплавки, условий кристаллизации и охлаждения расплава, термической обработки отливки.

Углерод в чугуне может находиться в виде Fe₃C или графита, либо одновременно. Цементит придает излому специфический светлый блеск. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита (то есть в связанном состоянии) называется белым. В зависимости от формы графита различают серый высокопрочный и ковкий чугуны (в изломе они серые).

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

Кремний способствует графитизации чугуна и сильно влияет на структуру чугуна. Содержание Si колеблется от 0,3¸0,5% до 3¸5%. Изменяя содержание кремния можно получать структуры чугунов от белого до серого ферритного.

Марганец препятствует графитизации, то есть способствует отбеливанию чугуна. Нейтрализует вредное влияние серы, образуя тугоплавкий MnS.

Сера способствует отбеливанию чугуна. Обусловливает ухудшение литейных свойств, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна. Для мелкого литья верхний предел содержания серы – 0,08%; для крупного – 0,1–0,12%.

Фосфор не влияет на процесс графитизации, но является полезной примесью в чугуне, так как образует твердые включения легкоплавкой тройной эвтектики (температура плавления 950°С), которая повышает литейные свойства чугуна и износостойкость. Содержание фосфора <1%.

Белый чугун

Весь углерод в белом чугуне находится в связанном виде (Fe₃C). Различают доэвтектический, эвтектический и заэвтектический белые чугуны.

Белый чугун хрупок, тверд и плохо обрабатывается резанием, в связи с этим его применение весьма ограниченно. Большая часть производимого белого чугуна идет на передел в сталь или используется для литья с последующим отжигом на ковкий чугун.

Применение находит отбеленный чугун (в котором основная масса имеет структуру серого чугуна, а поверхностный слой – белого). Используют для износостойких деталей простой формы (прокатные валки, волочильные доски, дробильные мельничные шары, тормозные колодки, поршневые кольца и т.п.)

Серый чугун

Это сплав системы Fe–C–Si. Отличается от белого тем, что часть углерода входит в его структуру в свободном виде. Включения графита, имеющие вид пластин, распределены в металлической основе серого чугуна, состоящей из ферритных и перлитных зерен.

Таким образом, чугун можно рассматривать как сталь, пронизанную графитом, который играет роль надрезов, ослабляющих металлическую основу. Пластинки графита уменьшают сопротивление отрыву, s_В и особенно сильно пластичность чугуна. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (0,5%).

Величина твердости зависит от основы.

Однако: Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна вследствие собственного «смазывающего» эффекта. Графит улучшает обрабатываемость резанием, делая стружку ломкой. Благодаря графиту, быстро гасятся вибрации. Графит делает чугун малочувствительным к всевозможным концентраторам напряжений (дефектам поверхности, надрезам и т.д.).

Маркируется буквами «СЧ» – серый чугун и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности s_В.

Ферритные и ферритно-перлитные (СЧ10, СЧ15, СЧ18)

s_В~100¸180МПа. Применяют для малоответственных деталей, испытывающих небольшие нагрузки (малонагруженные детали станков, автомобилей, тракторов, строительные колонны, фундаментальные плиты, а также арматура, зубчатые колеса, станины).

Перлитные (СЧ20, СЧ21, СЧ24, СЧ25, СЧ30, СЧ35, СЧ35, СЧ40). Применяют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках (поршней, цилиндров, блоков двигателей). Структура этих чугунов – мелкопластинчатый перлит (сорбит) с мелкими завихренными графитными включениями.

Высокопрочный чугун

с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.

Получают путем модифицирования белого чугуна магнием.

Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый и не является активным концентратором напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью. Сохраняя при этом хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, износостойкость, способность гасить вибрации и т.д.

Высокопрочный чугун маркируется буквами «ВЧ» и цифрами, указывающими минимальное значение предела прочности s_В.

Ферритные высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42.

Перлитно-ферритные высокопрочные чугуны: ВЧ 45

Перлитные высокопрочные чугуны: ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100, ВЧ 120.

Высокопрочный чугун широко используют в автостроении (коленчатые валы, зубчатые колеса, цилиндры), в кузнечно-прессовом оборудовании и т.д.

Ковкий чугун

с включениями графита хлопьевидной формы.

Получают термической обработкой белого чугуна – графитизирующим отжигом.

Химический состав белого чугуна (С=2,5¸3%, Si=0,7¸1,5%, Mn=0,3¸1%, S£0,12% и P£0,18%). Чугун имеет пониженное содержание углерода, так как требуется получить пластичный чугун. Толщина сечения отливки не должна превышать 40–50 мм, иначе в сердцевине образуется пластинчатый графит.

Маркировка ковкого чугуна аналогична высокопрочному – буквами «КЧ» и цифрами, показывающими минимальное значение предела прочности и относительного удлинения.

Ферритные ковкие чугуны КЧ 37–12, КЧ 35–10 применяют для деталей, работающих при высоких нагрузках (картерыредукторов, ступицы, крюки). Для менее ответственных деталей (хомутики, гайки, фланцы) КЧ 30–6, КЧ 33–8. 163НВ.

Перлитные ковкие чугуны КЧ 50–5, КЧ 55–4. 261-269НВ. Изготавливают вилки карданных валов, звенья, втулки, муфты.

Ковкие чугуны применяют главным образом для изготовления тонкостенных деталей в отличие от высокопрочного магниевого чугуна, который используют для деталей большого сечения.

ТЕМА 6

Теория и технология термической обработки.

6.1. Теория термической обработки стали.

6.1.1. Превращение феррито-карбидной структуры в аустенит при нагреве.

6.1.2. Превращения переохлажденного аустенита.

6.1.3. Мартенсит, его строение и свойства.

6.1.4. Превращения при отпуске закаленной стали.

6.2. Технология термической обработки.

6.2.1. Отжиг. Нормализация.

6.2.2. Закалка стали. Прокаливаемость и закаливаемость стали. Поверхностная закалка.

6.2.3. Отпуск стали.

6.1. Теория термической обработки стали.

Термической обработкой (ТО) стали называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры.

При термической обработке стали различают четыре основные превращения:

- превращение при нагреве перлита в аустенит,

- превращение при охлаждении аустенита в перлит,

- превращение при охлаждении аустенита в мартенсит,

- превращение мартенсита в перлитные структуры.

6.1.1. Превращение феррито-карбидной структуры в аустенит при нагреве.

Превращение перлита в аустенит в полном соответствии с диаграммой Fe–Fe₃C может иметь место лишь при очень медленном нагреве. В реальных условиях превращение происходит при некотором перегреве и в интервале температур.

Превращение состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного a-g перехода и растворения в аустените цементита.

Механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении зерен аустенита и их роста. Зародыш аустенита возникает на межфазной границе раздела феррита и цементита. Образовавшиеся зародыши растут благодаря интенсивной диффузии атомов углерода в аустените, что приводит к растворению цементита в аустените и превращению a-g. Одновременно зарождаются новые зерна аустенита.

Образовавшийся аустенит неоднороден по содержанию углерода. В участках, прилегающих к частицам цементита, концентрация углерода в аустените выше, чем в участках, прилегающих к ферриту. Для его гомогенизации требуется дополнительное время. При превращении перлита в аустенит:

1) чем выше температура, тем быстрее протекает превращение (t₁<t₂),

2) если нагрев непрерывный, то чем выше скорость нагрева, тем при более высокой температуре происходит превращение (поэтому при скоростном нагреве, например – токами высокой частоты – температура аустенизации должна быть выше),

кроме того, скорость превращения зависит:

3) от исходного состояния (чем тоньше ферритно-цементитные пластинки, тем больше зародышей и меньше пути диффузии, т.е. тем выше скорость аустенизации),

4) чем выше концентрация углерода, тем быстрее протекает процесс аустенизации,

5) введение хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других карбидообразующих элементов, задерживает процесс аустенизации вследствие образования растворимых в аустените карбидов.

После образования зародышей аустенита, начинается их рост. Способность зерна аустенита к росту неодинакова даже у сталей одного марочного состава. По склонности к росту зерна различают два предельных случая: наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые стали.

В наследственно крупнозернистой стали сильный рост зерна наблюдается даже при незначительном перегреве.

Различная склонность к росту зерна определяется условиями раскисления стали и ее составом.

Стали, раскисленные алюминием (спокойные) являются наследственно мелкозернистыми, так как в них образуется AlN, тормозящие рост зерна. Растворение этих частиц влечет за собой быстрый рост зерен.

Действительное зерно – существующее в стали при данной температуре.

От склонности к росту зерна зависит технологический процесс горячей деформации и термообработки. Чем меньше склонность к росту зерна, тем больше интервал закалочных температур стали, ее прокатка и ковка могут завершаться при более высоких температурах.

Размеры перлитных зерен зависят от размеров зерен, из которых они образовались. Величина действительного зерна стали оказывает влияние на многие характеристики стали. Чем мельче зерно, тем выше прочность (s_В, s_т), пластичность (d, Y), вязкость (KCU, KCT), ниже порог хладноломкости (t₅₀) и меньше склонность к хрупкому разрушению.

Все методы, вызывающие измельчение зерна (микролегирование V, Ti, Nb и др., высокие скорости нагрева) повышают конструкционную прочность стали. Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических (трансформаторных) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства.