Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Микроструктура углеродистых сталей
Равновесные структуры стали получаются при медленном охлаждении аустенита и соответствуют диаграмме Fe – Fe3C. При этом в зависимости от содержания углерода, стали по структуре классифицируются на следующие группы: 1) при содержании углерода менее 0, 025 % сплав называют техническим железом; его микроструктура состоит из зерен феррита. Феррит – (рис.5.1, а) под микроскопом виден в форме светлых зерен – неправильных многоугольников; 2) при содержании углерода выше 0, 025 % и до 0, 8 % стали называются доэвтектоидными, их структура состоит из светлых зерен феррита и темных зерен перлита (рис.5.1, б). При небольшом содержании углерода (например около 0, 1%) количество перлита незначительно. С увеличением же содержания углерода количество перлита возрастает, а феррита – уменьшается; 3) при содержании углерода 0, 8 % сталь называется эвтектоидной, ее структура состоит полностью из перлита. Перлит, представляющий собой механическую смесь феррита и цементита, может иметь пластинчатое или зернистое строение (рис. 5.1, в и г); 4) при содержании углерода выше 0, 8 % и до 2, 14 % стали называют заэвтектоидными, в их структуре по границам зерен перлита появляется цементит вторичный в виде светлой сетки. Количество цементита вторичного в стали увеличивается с увеличением содержания углерода (рис.5.1, д).
Рис. 5.1. Микроструктура углеродистой стали (х 135): а) техническое железо (феррит); б) доэвтектоидная сталь (феррит + перлит); в), г) эвтектоидная сталь (перлит зернистый и пластинчатый); д) заэвтектоидная сталь (перлит + цементит вторичный) Механические свойства
Механические свойства углеродистых сталей в основном зависят от содержания в них углерода. Увеличение содержания углерода приводит к изменению структуры сталей, в частности, к уменьшению количества феррита, увеличению количества перлита и появлению (в заэвтектоидных сталях) цементита вторичного по границам зон перлита. Каждая из этих структурных составляющих имеет определенные механические свойства: для феррита характерны высокая пластичность (d, y); низкая прочность и низкое значение твердости (НВ), для цементита, наоборот, очень высокая твердость, но низкие значения пластичности, он хрупок; перлит, состоящий из мелкодисперсных частиц феррита и цементита, имеет наиболее высокое значение прочности, а пластичность и твердость средние. В таблице 5.1 приведены численные значения механических свойств этих структурных составляющих сталей. Таблица 5.1 Механические свойства структурных составляющих в стали
Зная количество каждой структурной составляющей и ее механические свойства, можно, пользуясь правилом аддитивности (сложения), приблизительно рассчитать механические свойства стали. Количество структурных составляющих при этом определяется визуально под микроскопом по площади, занимаемой структурной составляющей, в поле зрения микроскопа. Например, если при рассмотрении структуры 60 % площади занимает феррит и 40 % – перлит, то механические свойства стали определяются так:
Учитывая, что феррит, перлит и цементит имеют вполне определенное содержание углерода, можно, пользуясь тем же правилом, по виду микроструктуры определить содержание углерода в стали. Для рассмотренного примера: Влияние углерода на механические свойства сталей подтверждается экспериментальным графиком, приведенном на рис. 5.2, из которого следует, что чем больше углерода в стали, тем она тверже, но менее пластична.
Рис. 5.2. Влияние углерода на механические свойства углеродистых сталей
Прочность у доэвтектоидных сталей возрастает с увеличением в ней углерода, достигает наибольших значений в сталях, с содержанием углерода 0, 8 – 1%, а затем, с дальнейшим увеличением углерода снижается, так как по границам зерен перлита появляется хрупкий цементит вторичный (см. рис. 5.1, д), что и ослабляет сопротивление стали разрыву; твердость при этом продолжает увеличиваться. 5.4. Классификация углеродистых сталей
По назначению углеродистые стали подразделяются на: 1) конструкционные; 2) инструментальные. Конструкционные стали – это стали, предназначенные для изготовления различного вида сооружений, конструкций и деталей машин. Основные требования, предъявляемые к этим сталям, – хорошая пластичность в сочетании с достаточной прочностью. Следовательно, по содержанию углерода и структуре – это доэвтектоидные стали (углерода до 0, 8 %). Конструкционные стали по содержанию углерода можно подразделить на три группы: 1. Низкоуглеродистые (строительные стали) содержащие углерода до 0, 3 %. Эти стали имеют до 400 МПа, d до 40 %, НВ до 1300 МПа и применяются, главным образом, в виде листового, профильного и сортового проката в качестве строительного материала для изготовления конструкций и сооружений методом сварки. Все они обладают хорошей пластичностью. 2. Среднеуглеродистые – содержание углерода 0, 3…0, 6 %. Эти стали имеют от 400 до 800 МПа, d от 20 до 25 % и НВ – от 1400 до 2000 МПа. Применяются в виде сортового и листового проката, штамповок и поковок в качестве машиностроительных сталей для изготовления деталей машин. Как правило, подвергаются упрочняющей термической обработке. 3. Высокоуглеродистые – содержание углерода 0, 6…0, 8 %. Могут применяться для изготовления рессор и пружин. После термической обработки имеют высокую твердость, прочность и предел упругости. В металлургии сталь производят (выплавляют) различными методами (мартеновский, конвертерный, электрошлаковый переплав, вакуумно-индукционный переплав и т.д.). Естественно, что в зависимости от принятого способа изготовления стали будут различаться как по химическому составу, так по свойствам (качеству). Согласно действующим стандартам, различают конструкционные стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Стали обыкновенного качества получают мартеновским, конвертерным и бессемеровским методом. Свойства этих сталей гарантируются ГОСТ 380-71. Данные стали маркируются значком Ст (никакие другие стали значком Ст не обозначаются) и цифрой от 0 до 6. Эта цифра показывает группу прочности стали – чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность*. В соответствии с ГОСТ 380-71 предусматривается поставка сталей трех групп: группа А . Если сталь используется для изделий, которые не подвергают горячей обработке (сварке, ковке и т.д.), то структура и свойства, которые сталь получила при выходе из прокатного цеха металлургического завода, сохраняются и у потребителя. В этом случае стали поставляют потребителю только по механическим свойствам. Химический состав сталей не гарантируется; группа Б . Если сталь у потребителя будет подвергаться горячей обработке (ковке, штамповке и т.д.), то исходные структура и механические свойства не сохраняются. В таком случае для потребителя основное значение имеет, прежде всего, химический состав стали, так как именно им в первую очередь определяется режим горячей обработки и свойства стали. В этом случае сталь поставляется потребителю только по химическому составу. группа В . Если сталь у потребителя подвергается сварке, то в зоне термического влияния сварного шва свойства металла меняются. В таком случае потребителю необходимо знать химический состав стали. Одновременно необходимо знать и исходные свойства, так как те части изделий, которые не подвергали сварке, сохраняют свои свойства. Металл в таком случае поставляют и по химическому составу и по механическим свойствам. Группа стали (буква А, Б или В) указываются перед значком Ст. Кроме того, после марки, ставят условное обозначение способа раскисления стали: кп – кипящая сталь (раскислена только Mn); пс – полуспокойная (раскислена Mn + Al); сп – спокойная (раскислена Mn + Al + Si). Кипящая сталь, по сравнению со спокойной, содержит больше кислорода и азота (хуже раскислена), полуспокойная – занимает промежуточное положение и применяется вместо кипящей и спокойной сталей. Марки конструкционных сталей обыкновенного качества: Ст0, Ст2, БСт3кп, ВСт5сп и т.д. Конструкционные углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050-85) выплавляются в мартеновских и электрических печах и отличаются пониженным содержанием серы и фосфора. Эти стали маркируются только цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, марки 05; 08; 10, 60 содержат углерода, соответственно 0, 05 %, 0, 08 %, 0, 10 % и 0, 60 %). У конструкционных качественных сталей с повышенным содержанием марганца (до 1– 1, 2 %) в конце марки ставится буква Г (например, марки 65Г2 и 70Г). Качественные стали могут быть также спокойными, кипящими и полуспокойными (марки 05пс, 15 кп, 25сп и т.д.). Инструментальные стали – используются при изготовлении различного вида инструмента (режущего, штампового, мерительного). Так как эти стали большей частью работают на истирание, испытывают большие удельные нагрузки, наиболее важным свойством их должна быть высокая твердость в сочетании с прочностью (пластичность понижена). Как известно, такими свойствами обладают высокоуглеродистые стали, содержащие углерода 0, 7–1, 3 %, т.е. по структуре в основном эвтектоидные и заэвтектоидные. Инструментальные углеродистые стали, согласно ГОСТ 1435-74, обозначаются буквой У и цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента; это марки У7, У8, У12. В случае, если в конце марки стоит буква А, то это обозначает, что сталь высококачественная (содержание S и Р – минимально). Марки высококачественных сталей: 45А, 60ГА, У8А, У8ГА, У12А и т.д. Более подробно назначение и области применения сталей различных марок описаны в таблице 5.2.
Таблица 5.2 Назначение углеродистых сталей некоторых марок
Примечание: Углеродистые стали с содержанием углерода более, чем 1, 3 %, ввиду низкого предела прочности, в современном машиностроении не применяются 5.5. Контрольные вопросы
1. Как изменяется структура сталей с повышением содержания в них углерода? 2. Как классифицируются стали по структурному признаку? Назовите характерные признаки структур каждой из групп сталей и содержание в них углерода. 3. Как изменяются механические свойства сталей с повышением содержания углерода? Свяжите эти изменения свойств с изменением структуры. 4. Как классифицируются углеродистые стали по назначению. Для чего они применяются? 5. Как маркируются конструкционные и инструментальные стали по ГОСТ? 6. По заданию преподавателя приведите примеры некоторых марок сталей и их применения в сельскохозяйственной технике.
ЧУГУНЫ
Цель: изучить виды чугунов, их микроструктуру, свойства, маркировку, способы получения и применение в машиностроении. Общие сведения
Чугун представляет собой сплав железа с углеродом при содержании углерода более 2, 14 %. Технические чугуны являются сложными сплавами, содержащими, кроме железа и углерода, обязательные примеси кремния, марганца, серы и фосфора в количествах, больших, чем в стали. Эти примеси оказывают существенное влияние на процесс структурообразования чугунов и их свойства. Чугун имеет чрезвычайно большое значение для машиностроения и тракторостроения. Механические свойства чугуна приближаются к свойствам сталей, и в то же время чугун обладает лучшими литейными свойствами, легче обрабатывается резанием и более дешев в производстве. Чугун лучше, чем сталь, сопротивляется износу, нечувствителен к надрезам, устойчив при вибрации. Эти качества обусловили очень широкое применение чугунов в производстве. В зависимости от условий кристаллизации и состояния углерода чугуны делят на два класса: 1. Белый чугун, в котором углерод находится в химически связанном состоянии (в виде цементита); имеет излом белого цвета. 2. Серый чугун, в котором углерод находится полностью или частично в свободном состоянии (в виде графита); имеет излом пепельно-серого цвета. Белые чугуны
Как уже указывалось выше, белыми называются чугуны, у которых углерод присутствует только в виде цементита. В соответствии с диаграммой Fe – Fe3C (рис. 6.1, а) белые чугуны по структуре делятся на: доэвтектические – при содержании углерода от 2, 14 до 4, 3 %. Структура: перлит и ледебурит (рис. 6.1, а); эвтектический – при содержании углерода 4, 3 %. Структура – ледебурит (рис. 6.1, б); заэвтектические – при содержании углерода от 4, 3 до 6, 67 %. Структура – ледебурит и цементит первичный (рис. 6.1, в).
Рис. 6.1. Микроструктура белого чугуна (х 135) а) доэвтектический (перлит + ледебурит); б) эвтектический (ледебурит); в) заэвтектический (ледебурит + цементит первичный)
Белые чугуны содержат от 30 до 100 % цементита, поэтому обладают высокой твердостью (НВ = 5000 – 8000 МПа) и хрупкостью, практически не поддаются обработке резанием. Поэтому основная область их применения – получение тонкостенных отливок для получения ковкого чугуна и в качестве передельного чугуна при производстве стали (чушковый чугун). Серые чугуны
В этих чугунах углерод полностью или частично находится в свободном состоянии (в виде графита). Графит придает излому чугуна темно-серый цвет. Графит в серых чугунах образуется при охлаждении отливок. В соответствии с современной теорией графитизации, часть графита может образовываться уже в жидкой фазе (в расплавленном чугуне), а другая часть образуется при охлаждении твердой фазы путем распада цементита на аустенит и графит. При последующем охлаждении аустенит также может распадаться на феррит и графит. Таким образом, кроме превращений, приводящих к образованию цементита (рассмотренных в работе № 4) на диаграмме состояния железо-углерод возможны превращения, приводящие к образованию графита. Основное влияние на количество выделившегося углерода (степень графитизации) оказывает скорость охлаждения сплава. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже степень графитизации. В зависимости от полноты степени графитизации будут получаться чугуны с различной металлической основой. Если скорость охлаждения очень мала*, то графитизация будет полной, весь находящийся в сплаве цементит превратится в графит и чугун будет иметь ферритную металлическую основу. Если часть углерода останется в связанном состоянии (неполная графитизация), то металлическая основа может быть перлитной или феррито-перлитной. Таким образом, различают серые чугуны: 1) на перлитной основе (при содержании углерода в виде цементита 0, 8 %; см. рис. 6.2, в); 2) на феррито-перлитной основе (при содержании углерода в виде цементита от 0, 03 до 0, 8 %; см. рис. 6.2, б, д); 3) на ферритной основе (когда углерода в виде цементита нет, т.е. он полностью находится только в виде графита; см. рис. 6.2, г). Структура металлической основы просматривается на микрошлифах после травления (рис. 6.2, б, в, г, д). Следует иметь в виду, что твердость чугуна (МПа) определяется структурой его металлической основы:
Из рассмотренного можно сделать вывод, что металлическая основа серых чугунов похожа на структуру доэвтектоидных и эвтектоидных сталей, то есть основное отличие серых чугунов от сталей – наличие графитных включений, предопределяющих специфические свойства чугунов. Форма, размер, количество и взаимное расположение графитовых включений оказывают существенное влияние на физико-механические и эксплуатационные свойства серых чугунов. По форме графитовых включений различают обыкновенный, ковкий и высокопрочный серые чугуны. Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 9917; Нарушение авторского права страницы