Классификация и маркировка сталей

По качествувсе стали подразделятся на четыре класса:

· обыкновенного качества (Ст0, Ст1, Ст2,… Ст6 и др.), которые маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 1 до 6), показывающей номер марки. Химический состав, степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380-94, а механические свойства – ГОСТ 535-88. Для всех сталей обыкновенного качества, кроме Ст0, содержание углерода можно приблизительно определить по формуле С (%) = 0,07 × номер марки.

· качественные конструкционные стали (05, 08, 10, 15, 20, 25, 35, ...65, ...85, 90, 95) маркируют двухзначными числами, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Качественные инструментальные – У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 – цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента.

· высококачественные инструментальные – У7А, У8А,… У13А.

· особовысококачественные.

Качество стали определяется условиями металлургического производства, содержанием вредных примесей – серы и фосфора. В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается содержание серы до 0,055%, фосфора до 0,045%. В качественных сталях – не более 0,04% серы и 0,035% фосфора. В высококачественных сталях – не более 0,025% и серы, и фосфора. В особовысококачественных допускается не более 0,015% серы и 0,025% фосфора.

По назначениюстали подразделяются на:

· конструкционные (чаще всего это стали доэвтектоидные);

· инструментальные (эвтектоидные и эаэвтектоидные).

Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые инструментальные стали бывают качественными и высококачественными. Буква «У» в марке показывает, что сталь углеродистая, то есть не содержит легирующих элементов, а цифра обозначает среднее содержание углерода в десятых долях процента (ГОСТ 1435-90).

Конструкционныеуглеродистые стали в соответствии с содержанием углерода подразделяются на:

· малоуглеродистые (не более 0,25% С);

· среднеуглеродистые (0,3÷0,45% С);

· высокоуглеродистые (от 0,5% С и более).

При очень малом содержании углерода (0,05÷0,12%) из-за большого количества феррита стали очень пластичны, хорошо обрабатываются давлением, прокатываются в тонкие листы, хорошо штампуются с глубокой вытяжкой.

С увеличением концентрации углерода (0,15÷0,25%) возрастает содержание перлита, прочность будет выше при довольно высокой пластичности и вязкости. Но твердость этих сталей еще невелика – много феррита. Они упрочняются цементацией, закалке не поддаются, хорошо свариваются.

При содержании углерода от 0,3 до 0,5% из-за повышенного содержания перлита стали имеют хорошую прочность. Они упрочняются закалкой с последующим высоким отпуском.

Стали, содержащие 0,5÷0,7% углерода, имеют высокий предел упругости и не очень хрупкие. Применяются для изготовления рессор и пружин.

Инструментальныеуглеродистые стали нетеплостойкие, то есть теряют твердость и износостойкость при нагреве свыше 200 °С. Поэтому они применяются при небольших скоростях резания. Металлургические заводы поставляют углеродистые инструментальные стали после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости (НВ=1870÷2170 МПа) они хорошо обрабатываются резанием и деформируются. Режущий инструмент (мелкие метчики, сверла, напильники, шаберы и др.) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10, У11, У12, У13. Стали У7, У8, У9, обеспечивающие более высокую вязкость, применяют для изготовления инструментов, подвергающихся ударам: деревообрабатывающих, кузнечных, пуансонов, матриц и др.

Дефекты сталей

Свойства сталей в значительной мере зависят от ее структуры, в том числе свойства доэвтектоидных (конструкционных) сталей со структурой феррит и перлит зависят от действительного размера исходного зерна аустенита, а также от взаимного распределения феррита и перлита, что определяется различными факторами. Равновесные структуры в реальных условиях получают при малых скоростях охлаждения, например при охлаждении вместе с печью (при отжиге) от температур, соответствующих аустенитной области диаграммы железо – цементит. Зерна при этом имеют компактную равноосную (полиэдрическую или округлую) форму, распределение феррита и перлита равномерное по сечению зерна.

В ряде случаев наблюдаются пороки строения. Для литой и перегретой стали характерно крупное зерно. В стальных отливках (особенно средних и крупных) формируется крупнозернистая и неравномерная по размеру зерна структура. Зерно исходного аустенита укрупняется и при перегреве, то есть при нагревании, значительно – на 200÷300 ^оС – превышающем температуры полного превращения в сталях. Это имеет место при цементации, диффузионном отжиге, горячем пластическом деформировании, при превышении оптимальных температур термообработки. Чем выше температура процесса, продолжительней выдержка и сталь более склонна к росту зерна (является наследственно-крупнозернистой), тем крупнее получается зерно. Рост зерна незначительно снижает механические свойства сталей, определяемые при статическом растяжении (σ_в, σ_т, δ, ψ), и твердость, но резко уменьшает ударную вязкость (KCU), повышает порог хладноломкости (t₅₀), увеличивает склонность к хрупкому разрушению.

При ускоренном охлаждении перегретой стали происходит аномальный рост в аустените кристаллов феррита (в доэвтектоидной стали) или вторичного цементита (в заэвтектоидной стали). Формируется так называемая видманштеттова структура. При ее образовании выполняется принцип размерного и структурного соответствия, когда кристаллы феррита (цементита) прорастают ориентированно относительно кристаллической решетки исходного аустенита и имеют форму пластин. Стали с видманштеттовой структурой так же, как и крупнозернистой, присущи низкая ударная вязкость и повышенная хрупкость.

При обработке давлением возникает другой структурный дефект (порок строения) – строчечностьв расположении структурных составляющих – феррита и перлита, что приводит к анизотропии свойств. Если деформирование ведется при температурах выше температур полного фазового превращения (в области аустенита), а завершается в межкритическом интервале температур (между А₁ и А₃), то феррит, выделяющийся из аустенита в первую очередь, формируется в виде строчек в направлении деформирования. Другая причина возникновения строчечной структуры – загрязнение стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами. При обработке давлением они вытягиваются, и феррит, зарождающийся на этих включениях, образует вытянутые скопления (строчки). Сталь со строчечной структурой имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и особенно вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформирования.

Перечисленные пороки строения доэвтектоидных сталей исправляются проведением отжига с полной фазовой перекристаллизацией (полным отжигом с нагревом выше температуры А_С3 ), либо нормализацией (нагрев выше А_С3, охлаждение на спокойном воздухе). Однако строчечность, вызванную неметаллическими включениями, нельзя устранить полностью, она становится менее выраженной при проведении нормализации.

Полученная после термообработки мелкозернистая феррито-перлитная структура обеспечивает повышение пластичности и вязкости.

Чугуны

Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами. В зависимости от скорости охлаждения, содержания постоянно присутствующих примесей (Mn, Si, S, P) и последующей термической обработки углерод в чугунах может находиться в виде графита различной формы (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной и так называемый вермикулярный графит), либо в виде цементита. В зависимости от формы выделения графита различают ковкие, высокопрочные, серые (обычные, модифицированные) чугуны.

· Марганец затрудняет графитизацию и повышает способность чугуна к отбеливанию – появлению в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Поэтому марганца не должно быть более 1,25%.

·

Кремний способствует процессу графитизации. Изменяя в чугуне содержание углерода и кремния, скорость охлаждения, можно получить различную структуру металлической основы. В серых чугунах кремния содержится в пределах 1,5÷3,5%.

· Сера тормозит процесс графитизации, способствует выделению углерода в виде цементита и тем самым ухудшает литейные и механические свойства. Поэтому содержание серы в чугуне ограничивается 0,08÷0,12%.

· Фосфор улучшает жидкотекучесть, но при его содержании более 0,3% образуется тройная фосфидная эвтектика, в состав которой входит цементит. Наличие твердых участков фосфидной эвтектики повышает общую твердость, износоустойчивость чугуна и снижает пластичность. В серых чугунах фосфора содержится 0,3÷0,4%.

Белые чугуны. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии, то есть в виде цементита. В соответствии с диаграммой состояния «Fе–Fe₃С» белые чугуны классифицируютпо структурена:

· доэвтектические (менее 4,3% С),

· эвтектические (4,3% С),

· заэвтектические (более 4,3% С).

Основные структурные составляющие белых чугунов – перлит, ледебурит и цементит. Доэвтектический белый чугун состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Такой чугун очень твердый и хрупкий: НВ>4500 МПа, d=0%. Его отжигают для получения ковкого чугуна. Эвтектический белый чугун состоит из ледебурита. Заэвтектический – из первичного цементита и ледебурита. Ледебурит очень твёрд и хрупок. Твердость ледебурита НВ=7000 МПа. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов.

Белые чугуны из-за высокой хрупкости и твердости не используются как конструкционные материалы. Ограниченное применение находят отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие на износ.

Серые чугуны. Чугун, в структуре которого отсутствует ледебурит и свободный цементит, а часть углерода выделяется в виде графита различной формы, называется серым. Как и белый, серый чугун получается непосредственно при отливке в случае медленного охлаждения. При этом цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, распадается с образованием пластинок графита.

Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью и дешевизной.

В марке серого чугуна (СЧ15, СЧ21, СЧ35 и др.) буквы «СЧ» означают – серый чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм² (килограмм силы на миллиметр в квадрате).

Структура металлической основы серого чугуна может состоять из феррита, перлита, смеси феррита и перлита. Структура металлической основы определяет механические свойства чугуна, такие, как предел прочности при сжатии, твердость, сопротивление износу. Они наиболее высоки у перлитного чугуна.

Графит – важнейшая фазовая и структурная составляющая серых чугунов. Он обуславливает малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутреннее трение, обеспечивающее уменьшение вибраций и ряд других полезных свойств. Графит выделяется в виде пластин, располагающихся в форме разветвленных крабовидных включений. Пластичность, сопротивление растяжению, изгибу зависят, главным образом, от количества, формы и характера расположения графитовых включений. Чем они мельче, компактно и равномернее расположены, а их форма ближе к округлой, тем указанные свойства будут выше. Повысить прочность серых чугунов можно модифицированием – введением в расплав порошка ферросилиция или силикокальция (0,3÷0,6% от массы шихты), частицы которого являются центрами кристаллизации графитовых включений. Марки серых модифицированных чугунов – СЧ30, СЧ35.

Ковкий чугун– это чугун с хлопьевидной формой графита. По сравнению с пластинчатым графитом хлопьевидный графит располагается в металлической основе чугуна более компактно, включения графита не действуют как острые надрезы, поэтому такие включения в меньшей степени ослабляют металлическую основу. Получают ковкий чугун путем графитизирующего отжига белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается, углерод выделяется в виде графита в форме хлопьевидных гнездообразных включений. Такой чугун хорошо сопротивляется изгибу и удару. Получение определенной металлической основы ковкого чугуна (ферритная, феррито-перлитная) обеспечивается специальным режимом отжига. Наиболее пластичны ферритные ковкие чугуны (КЧЗ0-6, КЧ35-10 и др.). Лучшая износостойкость – у перлитных чугунов (КЧ60-3, КЧ70-2 и др.), благодаря высокой твердости и прочности. Ковкий чугун находит широкое применение в машиностроении как хороший конструкционный материал для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Недостаток ковких чугунов по сравнению с другими – повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

В марке ковкого чугуна (КЧЗ0-6, КЧ35-10и др.) буквы «КЧ» означают – ковкий чугун, первые цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм², вторые – относительное удлинение, %.

Высокопрочный чугун получается путем добавки в жидкий расплав перед разливкой небольших количеств магния (модификатора II рода). Модификатор изменяет условия кристаллизации, приводит к образованию графита шаровидной формы. Шаровидный графит – менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый, поэтому он меньше снижает механические свойства металлической основы. Металлическая основа может состоять из феррита (ВЧ35, ВЧ40), перлита и феррита (ВЧ45, ВЧ50, ВЧ60), перлита (ВЧ80, ВЧ100). Высокопрочный чугун отличается высокой износостойкостью, антифрикционными и литейными свойствами, способностью гасить вибрации (демпфирующая способность), легко обрабатывается резанием.

В марке высокопрочного чугуна (ВЧ40, ВЧ45, ВЧ60и др.) буквы «ВЧ» означают – высокопрочный чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм².