Классификация углеродистых сталей
Nbsp; Тема 7. Структура и свойства сталей. Влияние содержания углерода на механические свойства сталей. Понятие о хладноломкости. 7.1 Структура и свойства сталей. Сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% С при малом содержании других элементов, называются углеродистыми сталями. Углеродистые стали завершают кристаллизацию с образованием аустенита. В их структуре нет эвтектики (ледебурита), благодаря чему они обладают высокой пластичностью, особенно при нагреве, и хорошо деформируются. Углеродистые стали выплавляют в электропечах, мартеновских печах и кислородных конвертерах. Наилучшими свойствами обладает электросталь, более чистая по содержанию вредных примесей – серы и фосфора, а также газов и неметаллических включений. Она идет для изготовления наиболее ответственных деталей. По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали. При одинаковом содержании углерода кипящие, полуспокойные и спокойные стали имеют близкие величины прочностных свойств и различаются значениями характеристик пластичности. Содержание кремния в спокойной стали составляет 0,15-0,35%, в полуспокойной - 0,05-0,15%, в кипящей - до 0,05%. Для раскисления кипящей стали применяют марганец. Кипящая сталь имеет резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Ее основным преимуществом является высокий (более 95%) выход годного. Благодаря низкому содержанию кремния и углерода кипящие стали хорошо штампуются в холодном состоянии. Из-за повышенной концентрации кислорода кипящие стали имеют сравнительно высокий порог хладноломкости и их не рекомендуют применять для изделий северного исполнения. У полуспокойной стали, раскисляемой марганцем и алюминием, выход годного составляет 90-95%. Спокойная сталь раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного слитков спокойной стали около 85%, но металл значительно более плотен и имеет однородный химический состав. Свойства углеродистых сталей зависят от содержания углерода, а также от содержания постоянных и скрытых примесей. 7.2. Влияние содержания углерода на механические свойства сталей. Углерод является важнейшим элементом, определяющим структуру и свойства углеродистой стали. Даже малое изменение содержания углерода оказывает заметное влияние на свойства сталей. С увеличением углерода в структуре стали растет содержание цементита.. При содержании до 0,8% С сталь состоит из феррита и перлита, при содержании более 0,8%С в структуре стали кроме перлита появляется структурно свободный цементит. Феррит имеет низкую прочность, но сравнительно пластичен. Цементит характеризуется высокой твердостью, но хрупок. Поэтому с ростом содержания углерода увеличивается твердость и прочность и уменьшается вязкость и пластичность стали (рис.1).
|
|
|
|
|
|
Рис. 1. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода.
Рост прочности происходит при содержании в стали до 0,8-1,0% С. При увеличении содержания углерода более 1,0% С уменьшается не только пластичность, но и прочность стали. Это связано с образованием сетки хрупкого цементита вокруг перлитных зерен, легко разрушающейся при нагружении. По этой причине заэвтектоидные стали подвергают специальному отжигу, в результате которого получают структуру зернистого перлита
Углерод оказывает существенное влияние на технологические свойства стали: свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. С увеличением содержания
углерода ухудшается свариваемость, а также способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Лучше всего обрабатывается резанием среднеуглеродистые плохую поверхность и трудноудаляемую стружку. Высокоуглеродистые стали имеют стали,
содержащие 0,3-0,4%С. Низкоуглеродистые стали при механической обработке дают повышенную твердость, что снижает стойкость инструмента.
|
|
|
7.3. Влияние примесей на свойства стали.
Постоянными примесями в углеродных сталях являются марганец, кремний, сера, фосфор, а скрытые примеси – газы: кислород, азот, водород.
Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:
FeО+Mn → MnO+Fe; 2FeO+Si → SiO2+2Fe/
В углеродистой стали содержится до 0,8% Mn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы, связывая ее:
FeS+Mn → MnS+Fe.
В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4%Si. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению.
Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основной источнок серы в стали – исходное сырье (чугун). Сера снижает пластичность и вязкость стали, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS – сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe-FeS (tпл =988 ºC). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температуры горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620 ºC, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.
|
|
|
Повышенное (до 0,2%) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.
Основной источник фосфора – руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2% растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.
Скрытые примеси – кислород, азот, водород – присутствуют в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо в составе химических соединений (нитриды, оксиды), либо в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют сталь хрупкими неметаллическими включениями, что снижает вязкость и пластичность стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромоникелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин – флокенов.
Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.
Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Cr, Ni, Cu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.
Классификация углеродистых сталей.
Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.
По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура которой состоит из феррита и перлитьа; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8%С, структура которой состоит из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14%С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.
По способу производства различают стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородноконвертерным способом.
По способу раскисления различают кипящие стали, полуспокойные и спокойные стали.
По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% S и не более 0,04% Р.
Качественные стали содержат не более 0,04% S ( в случае инструментальных сталей до 0,03%) и не более 0,035% Р, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. В особо ответственных случаях применяют
стали, содержащие менее 0,02% S и 0,03% Р. Поэтому при одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности в условиях Севера и Сибири.
Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380-94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами “Ст” и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1…..Ст6. Буквы “Ст” обозначают “сталь”, цифры – условный номер марки стали в зависимости от ее химического
состава. В конце обозначения марки стоят буквы “кп”, “пс”, “сп”, которые указывают на способ раскисления: “кп” – кипящая, “пс”- полуспокойная, “сп”- спокойная.
Химический состав стали должен соответствовать нормам, указанным в табл.1.
Чем больше цифра условного номера стали, тем выше в ней содержание углерода. Содержание серы в стали всех марок, кроме Ст0, должно быть не более 0,050 %, фосфора – не более 0,040 %; в стали марки Ст0 серы - не более 0,060 %, фосфора – не более 0,070%.
Таблица 1
Состав углеродистых сталей обыкновенного качества, % (ГОСТ 380-94)
| Марка стали | С | Mn | Si |
| Ст0 | ≤0,23 | - | - |
| Ст1кп | 0,06-0,12 | 0,25-0,5 | ≤0,05 |
| Ст1сп | 0,06-0,12 | 0,25-0,5 | 0.12-0,3 |
| Ст2кп | 0,09-0,15 | 0,25-0,5 | 0,07 |
| Ст2сп | 0,09-0,15 | 0,25-0,5 | 0,12-0,3 |
| Ст3кп | 0,14-0,22 | 0,3-0,6 | ≤0,07 |
| Ст3пс | 0,14-0,22 | 0,4-0,65 | 0,05-0,17 |
| Ст3сп | 0,14-0,22 | 0,4-0,65 | 0,12-0,3 |
| Ст4кп | 0,18-0,27 | 0,4-0,7 | ≤0,07 |
| Ст4сп | 0,18-0,27 | 0,4-0,7 | 0,12-0,3 |
| Ст5пс | 0,28-0,37 | 0,5-0,8 | 0,05-0,17 |
| Ст5сп | 0,28-0,37 | 0,5-0,8 | 0,15-0,35 |
| Ст6пс | 0,38-0,49 | 0,5-0,8 | 0,05-0,17 |
| Ст6сп | 0,38-0,49 | 0,5-0,8 | 0,15-0,35 |
Качественные углеродистые стали выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050-88. Качественные стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам (табл.2). К ним предъявляют более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04%, фосфора не более 0,035%).
Таблица 2
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 363; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!