Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 13Следующая ⇒

Наиболее сильное влияние на структуру и свойства сталей оказывает углерод. Чем больше в сталях углерода, тем больше в их структуре твёрдого и хрупкого цементита и меньше мягкого и пластичного феррита. По этой причине с увеличением содержания углерода возрастает твёрдость сталей, но снижается их пластичность и вязкость. Прочность сталей при повышении содержания углерода до 0, 8 – 1 % возрастает, а затем начинает снижаться. Таким образом, наилучшими прочностными характеристиками обладает сталь по составу близкая к эвтектоидной, в структуре которой преобладает перлит. С повышением содержания углерода повышается порог хладноломкости сталей, то есть та температура, при охлаждении до которой, вязкое разрушение сменяется хрупким. (Для ориентира, у стали, содержащей 0, 4 % углерода, порог хладноломкости составляет 0° С). С повышением содержания углерода снижается способность сталей к свариванию и к пластичной деформации, особенно при нагреве. Склонность к обработке резанием оптимальная у среднеуглеродистых сталей. При повышенном содержании углерода сталь является слишком твердой и хрупкой, что ведёт к быстрому износу режущего инструмента. При низком содержании углерода сталь, напротив, является слишком мягкой, вязкой и липнет к резцу. Это приводит к шероховатой поверхности резания.

Кремний специально вводят в сталь на заключительном этапе её выплавки с целью раскисления. Si препятствует растворению в стали кислорода в виде соединения FeO, ухудшающего свойства сплава. Обычно Si растворяется в феррите и повышает его прочность. Таким образом, Si в сталях является полезной примесью.

Фосфор попадает в сталь в основном из руды. Он, как и Si, растворяется в феррите, но приводит к снижению его пластических свойств и увеличению хрупкости. Р может скапливаться в сталях и в чистом виде, в виде так называемых сегрегаций, что также способствует увеличению хрупкости стали, особенно при низких температурах. С увеличением содержания Р повышается порог хладноломкости стали. Таким образом Р в сталях является вредной примесью, полностью избавиться от которой не просто.

Сера также является вредной примесью. Она попадает в сталь из руды и золы топлива. В сталях S не растворяется, а образует соединение FeS, которое совместно с железом формирует легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988° С, располагающуюся по границам зерен. При повышении температуры сталей до температуры горячего деформирования эта эвтектика размягчается (или проплавляется), что приводит к ломкости сталей. Такое явление называют красноломкостью. Таким образом, S ведёт к красноломкости сталей.

Марганец, как и Si, специально вводят в сталь на этапе раскисления. Он не только оказывает полезное раскисляющее действие, но и препятствует вредному влиянию на сталь серы. Mn более активно взаимодействуя с серой образует соединение MnS, которое совместно с железом формирует эвтектику с температурой плавления 1600°С, которая уже не проплавляется при температурах горячего деформирования. Это и препятствует красноломкости стали. Таким образом, Mn является полезной примесью.

Газы: O, N, H попадают в сталь из атмосферы на этапе её выплавки. Эти газы либо растворяются в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды и т.п.), либо скапливаются в порах в чистом виде. Растворяясь в феррите, они повышают его хрупкость, снижают вязкость. Нитриды, оксиды и тому подобные соединения загрязняют сталь и снижают её прочностные характеристики. Также вредное влияние на сталь оказывают газы, скопившиеся в чистом виде, особенно водород. Водород, скапливаясь в порах под большим давлением, может приводить к внутренним надрывам стали.

Классификация и маркировка углеродистых сталей.

Углеродистые стали классифицируют по структуре, по способу производства, по степени раскисления и по качеству.

По структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Доэвтектоидные стали содержат менее 0, 8 % углерода и имеют структуру, состоящую из зёрен феррита и перлита. Эвтектоидные стали содержат 0, 8 % углерода. Их структурой является перлит, т.е. механическая смесь феррита с цементитом. У заэвтектоидных сталей, содержащих более 0, 8 % углерода, в структуре кроме перлита присутствует вторичный цементит, который располагается в виде сетки по границам зёрен перлита.

По способу производства стали подразделяют на мартеновские, кислородно-конверторные и электростали. Всё зависит от того агрегата, в котором выплавлялась сталь. По степени раскисления стали делят на кипящие, спокойные и полуспокойные.

По качеству стали подразделяют на стали обычного качества и качественные. Качественные стали отличаются боле низким содержанием вредных примесей.

Углеродистые стали обычного качества имеют 3 группы поставки: А, Б и В. Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Эти стали используют в состоянии поставки без дополнительной обработки давлением или сварки. Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом, свойства при этом не гарантируются. Такие стали подвергают термообработке или обработке давлением, в результате которых структура и свойства сталей изменяются. Гарантированный химический состав необходим этим сталям для выбора оптимального режима термообработки. Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали используют, главным образом, для изготовления сварных конструкций, в которых часть материала подвергается термообработке, а часть - нет. По этой причине и требуются гарантии на механические свойства и химический состав данных сталей.

Все стали обычного качества маркируют буквами Ст, после которых стоит цифра от 0 до 6. Для сталей группы Б и В вначале марки ставят соответствующую букву. У сталей группы А букву не ставят. В конце марки указывают степень раскисления стали: «кп» – кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная.

Например:

Ст3кп - сталь группы А, с номером 3, кипящая.

БСт4пс - сталь группы Б, с номером 4, полуспокойная

Чем выше номер стали группы А, тем лучше её прочностные характеристики. У сталей группы Б с возрастанием номера повышается содержание углерода. У сталей группы В свойства такие же как у сталей группы А, а химический состав такой же как у сталей группы Б соответствующего номера. (Информацию о химическом составе сталей обычного качества и их свойствах можно получить в справочнике).

Качественные углеродистые стали, используемые для изготовления деталей машин или конструкций, т.е. конструкционные стали маркируют цифрами: 0, 8; 10; 15; 20 и т.д. до 85. Цифра означает среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если сталь содержит повышенное количество Mn (0, 8 £ Mn £ 1, 2 %), то в конце марки стали ставится буква Г. Степень раскисления стали обозначают буквами «кп» и «пс» в конце марки. Для спокойных сталей степень раскисления не указывают.

Например:

Сталь 40 - качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0, 4 % углерода, спокойная.

Сталь 60Гпс - качественная углеродистая конструкционная сталь, содержащая 0, 6% углерода, с повышенным содержанием Mn, полуспокойная

Стали с содержанием углерода от 0, 7 до 1, 3 % обычно используют для изготовления ударного или режущего инструмента. Эти инструментальные углеродистые стали маркируют буквой У, после которой ставится цифра, означающая среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Например:

У7 - инструментальная углеродистая сталь, содержащая 0, 7 % углерода.

У10 - инструментальная углеродистая сталь, содержащая 1 % углерода.

У13 - инструментальная углеродистая сталь, содержащая 1, 3 % углерода.

Образование графитных включений в чугунах.

В чугунах, отличающихся от сталей повышенным содержанием углерода, углерод может находится не только в связанном состоянии (в виде цементита), но и в свободном состоянии, т.е. в виде графитных включений различной формы. Эти включения могут образовываться как из жидкой фазы, при кристаллизации расплава, так и из твёрдой фазы (цементита) при его нагреве и длительной выдержке. Процесс образования графитных включений в чугунах называют графитизацией.

На процесс графитизации существенное влияние оказывает скорость охлаждения жидкого расплава. Если расплав охлаждается достаточно быстро, атомы углерода не успевают собраться в графитные включения и в сплаве наблюдается образование цементита. Не смотря на то, что цементит является менее устойчивой, чем графит, фазой, его химический состав (6, 67 % С) ближе к химическому составу жидкого расплава, чем химический состав графита (100 % С). Поэтому при высоких скоростях охлаждения расплава цементит образуется с большей вероятностью, чем графит. При медленном (равновесном) охлаждении жидкого расплава создаются условия благоприятные для диффузии атомов углерода и образования в структуре сплава графитных включений.

Процессу графитизации чугунов способствует наличие в жидком расплаве не растворившихся частиц графита и частиц SiO₂, Al₂O₃, AlN. Все эти неметаллические включения при кристаллизации чугунов могут играть роль центров графитизации.

На процесс графитизации также существенное влияние оказывает химический состав чугунов. Так кремний, являющийся постоянной примесью в чугунах, способствует процессу графитизации, а марганец, напротив, препятствует. Изменяя соотношение в сплаве Si и Mn, можно управлять процессом графитизации. Содержание Si в графитных чугунах может достигать 4 - 5%, а Mn должно быть не более 1%. Сера также препятствует процессу графитизации и ведёт к отбеливанию чугунов. Её отбеливающее влияние в 5-6 раз сильнее влияния Mn. В то же время, S снижает жидкотекучесть чугунов, повышает усадку, склонность к образованию трещин и пузырей. По этой причине сера в чугунах является кране нежелательной, вредной примесью. Фосфор, напротив, повышает жидкотекучесть чугунов и практически не влияет на процесс графитизации. Фосфор в чугунах не считается вредной примесью.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒