2.7. Углеродистые качественные стали
В машиностроении находят применение для изготовления деталей и изделий, чаще всего неответственного назначения, дешевые углеродистые качественные стали.
Свойства углеродистых сталей определяются содержанием углерода и применяемой обработкой. Горячекатаные, нормализованные и отожженные стали имеют феррито-перлитную структуру. С увеличение содержания углерода количество перлита возрастает и при ~ 0,8 % С сталь имеет полностью перлитную структуру. В заэвтектоидной стали наряду с перлитом появляется избыточный цементит. Увеличение содержания углерода (перлита) приводит к росту прочности и падению пластичности вязкости феррито-перлитной стали (рис. 2.7.), при этом порог хладноломкости существенно повышается (рис. 2.8.).
Рис. 2.7. Влияние содержание углерода на механические свойства углеродистых сталей со структурной феррито-карбидной смеси.
Структура закаленной стали зависит от содержания углерода и температуры нагрева под закалку. Углерод растворенный при нагреве под закалку в аустените, будет понижать температурный интервал мартенситного превращения (рис. 2.9.). При содержании в аустените более 0,5 % С температуры окончания мартенситного превращения Мк будет ниже комнатной температуры, вследствие чего после закалки в стали наряду с мартенситом присутствует остаточный аустенит. Количество растворенного в аустените углерода будет определять тетрагональность и твердость мартенсита, а также количество остаточного аустенита. Следовательно, твердость закаленной стали будет определяться перечисленными факторами (рис. 2.10.).
Рис. 2.8. Изменение порога хладноломкости и энергии разрушения (U) под влиянием содержания углерода для сталей со структурой феррито-карбидной смеси: содержание С, % 1 – 0,11; 2 – 0,20; 3 – 0,31; 4 – 0,41; 5 – 0,49; 6 – 0,60; 7 – 0,69; 8 – 0,80
Так в углеродистой закаленной стали до содержания ~ 0,6 % С твердость возрастает пропорционально его содержанию в стали, дальнейшее увеличение углерода до 0,8 % приводит к замедлению темпа прироста твердости, так как появляется остаточный аустенит, а при содержании углерода больше эвтектоидного твердость стали возрастает мало, лишь за счет появления избыточного цементита.
Рис. 2.9. Влияние содержания углерода на температуру начала Мн и конца Мк мартенситного превращения
Закалка заэвтектоидной стали приводит к сильному увеличению количества остаточного аустенита и падению твердости. Легирование относительно мало повышает твердость мартенсита, однако способствует увеличению остаточного аустенита, что так же, как и перегрев заэвтектоидной углеродистой стали, приводит при определенном содержании углерода к уменьшению твердости стали.
Рис. 2.10. Зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода и легирования стали: 1 – легированный мартенсит; 2 – углеродистый мартенсит; 3 – мартенсит с остаточным аустенитом
Основным недостатком углеродистой стали является малая устойчивость переохлажденного аустенита, а отсюда и низкая прокаливаемость. Критический диаметр при закалке в воду (мартенситная структура) для различных углеродистых сталей составляет от 10 до 20 мм и увеличивается в указанных пределах при повышении содержания углерода от 0,3 до 0,6 %.
В углеродистых сталях уже в сечениях около 40 мм даже при закалке в воду в центре протекает феррито-перлитное превращение. Малая прокаливаемость обуславливает и низкую закаливаемость углеродистой стали. Чем меньше содержание углерода, тем меньше закаливаемость.
Требуемые свойства достигаются при последующем отпуске стали. На рис.2.11 показано изменение механических свойств закаленной углеродистой стали 40 при отпуске на разные температуры. С повышением температуры отпуска прочностные характеристики непрерывно уменьшаются, а пластичность и вязкость стали увеличиваются.
Рис. 2.11. Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска (отметки на левой шкале – свойства после закалки, на правой – после отжига)
По таким диаграммам выбирают режим термической обработки (улучшения), обеспечивающий необходимый для той или иной детали комплекс механических свойств. Подобные диаграммы построены для широко распространенных углеродистых и легированных сталей и приводятся в справочной литературе.