Глава 8. Железо и сталь

Черные металлы - железо и сталь - основа машиностроения. Их основные эксплуатационные свойства: прочность, жесткость, твердость. Их главные технологические свойства, обеспечивающие способность к переработке и к получению материалов с заданными свойствами: пластичность, возможность изменения структуры изменением состава и термической обработкой.

Главный металл в машиностроении - это сталь. Она имеет плотность 7800 кГ/м³ . Прочность на разрыв - порядка _р= 250 МПа (25 кГ/мм²) ; модуль упругости 206 ГПа, и высокая электропроводность  =10^-7Ом.м. Для сравнения: такой неметаллический материал как стекло имеет модуль упругости около 70 ГПа, _р = 200 МПа; полистирол имеет _р =40 МПа, модуль упругости 3 ГПа.

Свойства металлов определяются их структурой. Это кристаллические материалы, они кристаллизуются в нескольких преимущественных кристаллических модификациях:

Объемно-центрированная кубическая решетка (ОЦК). В ОЦК атомы располагаются в вершинах куба (8 атомов) и один атом расположен в центре куба. Координационное число такой решетки равно 8, коэффициент заполнения объема 68%. Такую решетку имеют Fe , К,Na, Мо, V, Cr, Nb,Ва.

Рис. 2 3.

Схемы объемно-центри-

рованной кубической ОЦК и

гранецентрированной

кубической ГЦК решеток ОЦК ГЦК

Зависимость структуры от химического состава и температуры описы- вается фазовой диаграммой.

Т,^оС

Рис.24. 1600 L

Фазовая диаграмма Ж+A

системы железо- 1147 A

углерод: Ж- расплав;

A- аустенит; 727 A+Ф A+Ц A+Ц

Ф- феррит Ô Ф+Ц Ц+Ф П+Ц

П- перлит

Ц-цементит 0 1 2 3 4 5 6 C,%

Фазовая диаграмма железа с углеродом приведена на рис.24.

Основные модификации железа - альфа-железо Fe_ с решеткой ОЦКБ существующее ниже 910оС, гамма-железо Fe_ с решеткой ГЦК (910-1392оС) и дельта-железо Fe_ решеткой ОЦК (1392-1539оС).

Температура плавления железа 1539^ОС. Температура плавления углерода 3500^ОС.

Железо альфа ферромагнитно до 770^ОС и имеет магнитную проница-емость =5000-10000.

Другие фазы в сплавах железа с углеродом:

Феррит - твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе.

Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в гамма-железе. Предельная растворимость углерода 2,14%. Атомы С располагаются в центре ГКЦ.

Цементит - химическое соединение Fe₃С - карбид железа, в котором 6,67% С. Он имеет ромбическую решетку, высокую твердость и очень мало пластичен.

Перлит - эвтектоидная феррито-цементитная смесь. При охлаждении при 727^ОС аустенит распадается и переходит в перлит. Перлит имеет пластинчатое строение из чешуек цементита и феррита, но может образовывать и сфероиды в виде зерен.

Сплавы с содержанием углерода выше 0,025% называются сталью, а ниже - техническим железом.

В заэвтектоидных сталях присутствует цементит и перлит. Сплавы с содержанием углерода выше 2,14% (максимальная растворимость углерода в аустените) называются чугунами.

В стали с увеличением содержания углерода увеличивается количество цементита, в результате чего прочность на разрыв и предел текучести растут, а пластичность и вязкость уменьшаются.

При содержании углерода выше 0,8% растет твердость, а прочность снижается, растет модуль упругости.

Термическая обработка стали.

При нагревании доэвтектоидной стали перлит переходит в аустенит (феррит сохраняется), но при более высокой температуре феррит рас-творяется в аустените. В эвтектике перлит переходит в аустенит. В заэв-тектоидной стали цементит растворяется в аустените.Таким образом нагрев проводится для образования аустенита.

Зерна растут из-за стремления к уменьшению свободной энергии, так как чем меньше поверхность,тем она меньше. Примеси Mn, Ti,Zr, V ,Al

придают мелкозернистость.В случае присутствия примеси Al это проис-ходит, возможно, из-за присутствия нитрида алюминия, располагающегося на границах зерен и препятствующего их росту. Менее сильно замедляет рост зерен Cr,W,Mo.

Продолжительный нагрев (“перегрев”) стали приводит к образованию крупнозернистого аустенита. В этом случае излом стали крупнозернистый, ударная вязкость падает по сравнению с мелкозернистой сталью, когда излом волокнистый. В то же время _р и относительное удлинение не меняются.

Еще более длительный нагрев в присутствии кислорода приводит к окислению зерен на границах к “пережогу” стали, который является неустранимым дефектом. При охлаждении стали происходит распад аустенита, особенно быстро около 550^ОС. Поэтому для сохранения аустенита следует проводить охлаждение быстро ( за 1,5 секунды ) со скоростью 200-800 град/с. При этом диффузия углерода не успевает происходить и не успевает образоваться ферритно-цементитная смесь. Вместо этого аустенит переходит в мартенсит - структуру пересышенного раствора углерода в альфа-железе. Такие процессы происходят и в углеродистых, и в легированных сталях.

Легирование стали ( Mn, Cr, W, Mo) увеличивают устойчивость аустенита к переохлаждению и повышает прокаливаемость (способность стали воспринимать закалку на глубину).

Таким образом, быстрое охлаждение (“закалка”) приводит к образованию мартенсита - структуры закаленной стали. Мартенситное превращение - переход ГЦК решетки к ОЦК решетку без выделения углерода, который внедряется в ОЦК решетку и располагается в центре одной из граней куба. Этот переход происходит кооперативно.

Легированные стали охлаждают в масле. После закалки проводят отпуск.

Мартенсит обладает высокой твердостью и прочностью, намного большей,чем у феррита.

После закалки сталь подвергается отпуску ( нагреву ниже температуры образования аустенита -727^ОС и охлаждению на воздухе). При этом происходит частичный или полный распад мартенсита с образованием структур, обладающих высоким комплексом свойств. С повышением температуры отпуска твердость и прочность уменьшается,а пластичность растет.

Другие технологические операции. Гомогенизирующий отжиг слитков проводят при 1100-1200^ОС 8-20 часов при медленном охлаждении. В результате получают однородную по составу сталь. Рекристаллизационный отжиг проводят при ~600^ОС- после холодной обработки давлением.

Холодная обработка давлением - ковка, прокат - приводят к наклепу, при котором зерна деформируются, становятся вытянутыми, происходит упрочнение и охрупчивание.

Малоуглеродистые стали (0,08%-0,2% С) обрабатывают прокаткой, волоче-нием, штамповкой.

Нормализацию сталей проводят при температуре градусов на 50 выше перехода в аустенит, при этом происходит перекристаллизация из крупной структуры в мелкую.

Охлаждение быстрое на воздухе. после Эту термообработку проводят литья, ковки, прокатки, штамповки. Нормализация на 10% увеличивает прочность и увеличивает твердость. Ударная вязкость также повышается.

Марочный состав сталей.

Стали обыкновенного качества. Подразделяются на стали группы А с гарантированными механическими свойствами, Б с гарантированным химическим составом и В с гарантированными и тем и другим.

Обозначаются Ст. и цифра (от 0 до 6) - содержание углерода в 0,1%. Стали имеют также буквы сп, пс или кп - спокойные, полуспокойный и кипящие. отличающиеся по содержанию кислорода. Стали кп содержат больше газов, дешевле, качество хуже.

Стали сп затвердевают без газовыделения. Раскисляют стали добавками Mn, Si, Al. Эти небольшие добавки не ухудшают свойства сталей.

Ухудшающие примеси - фосфор, сера - увеличивается хрупкость, а фосфор снижает ударную вязкость при понижении температуры.

Стали 1-4 поставляется в виде проката, поковок, рельсов; они

используются в малонагруженных деталях машин и приборов, где главное - жесткость. Стали 3-4 используются в сельскохозяйственном машиностроениии. Стали 5-6 используют в рельсах, железнодорожных колесах, грузоподъемных и сельхозмашинах.

Стали повышенного качества имеют букву В. Применяются в судостроении, мостостроении, они хорошо свариваются.

Углеродистые качественные стали имеют лучшие свойства, содержат меньше примесей и неметаллических ключений. Поставляются в виде проката, поковок. Имеют гарантированный химический состав и механические свойства. В названии содержат двухзначную цифру -содержание углерода в сотых %. Изготавливают в электро- или мартеновских печах. Малоуглеродистые качественные стали (08-15)- малопрочные, но пластичные. Используют для прокладок, шайб, змеевиков, сварных конструкций. Легко штампуются на холоду. Могут подвергаться цементации.

Стали 15-25 поставляются без термической обработки в нормализованном виде. Используются в виде проката для ответственных деталей: для баков, рычагов, осей, втулок, шестерен.

Среднеуглеродистые стали (30-50) - подвергаются закалке и высокому отпуску (600⁰С, эта термообработка называется “улучшение”). Используются для коленчатых валов, шатунов, шестерен, плунжеров, фрикционных дисков. Хорошо обрабатываются резанием. Используются для небольших деталей. Сталь 45 используют для шестерен, валов, подшипников скольжения. Высокоуглеродистые стали У7-У13 (0,7-1,3%С) высокопрочны и износостойки. Используются для изготовления инструмента и подвергаются закалке и низкому отпуску (200⁰С).

Легированные стали. Имеют в названии букву, обозначающую легирующий элемент Х - хром, Г-марганец, Н - никель, С - кремний, Ю - алюминий Д- медь, К - кобальт, Ф - ванадий, В - вольфрам. У этих сталей меньше зерно, лучше закалка, лучше ударная вязкость, лучше прокаливаемость в больших сечениях.

Цифры после букв - содержание элемента в %. Если букв нет, то содержание 1-1,5% или менее.

Инструментальные стали , содержащие более 0,7% С, обладают высокой твердостью,прочностью, износоустойчивостью, но пониженной вязкостью. В маркировке содержат впереди букву У ( углеродистая) и цифру в десятых % углерода. Используют для инструмента, например сверл.

Быстрорежущие стали (буква Р в названии) легированы большими

концентрациями W,Cr,Mo,V,Co.

Могут быть буквы Ш - для шарикоподшипников, Э - электро-технического назначения, А - автоматная сталь.

Для резания применяют спеченные твердые сплавы - карбиды W,Ti,Ta с металлической связкой. Используют также алмазы, нитрид бора.

Для измерительного инструмента используют заэвтектоидные стали с высокой твердостью Х,ХГ и др. Инструмент подвергают неоднократной термообработке, чтобы затруднить старение, обработке холодом.

Нержавеющие стали. Содержат более 12% хрома. Могут содержать также никель, марганец. Нержавеющие стали, содержащие более 17% хрома являются кислотоустойчивыми.

Чугун - сплав железа с углеродом при его содержании более 2%.

Серый чугун (СЧ) получают медленным охлаждением. Для лучшего перехода углерода в графит добавляют кремний. Быстрое охлаждение приводит к получению белого чугуна. Кремний, как и замедление охлаждения, улучшает графитизацию. Добавлением ферросилиция и феррокальция модифицируют чугун СЧ, получают АСЧ - антифрикционный чугун.

Высокопрочный чугун получают добавляя магний 0,03-0,07%, при этом

вкрапления графита принимают шарообразную форму, в этом случае он меньше ослабляет металлическую матрицу. Такой чугун обозначают ВЧ 50-1,5 причем, первая цифра обозначает величину прочности _р, а вторая - относительное удлинение в %.