№19.Стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные углеродные стали

Стали обыкновенного качества

Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полуспокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали.

В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают.

Группа А поставляются только по механическим свойствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя.

Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке.

Группа В могут подвергаться сварке. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления.

Качественные углеродистые стали

Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей, неметаллических включений и газов, макро- и микроструктуры.

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с еще более низким содержанием серы и фосфора. Низкое содержание вредных примесей в высококачественных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали.

№20. Классификация и маркировка легированных сталей

1. По структуре после охлаждения на воздухе выделяются три основных класса сталей (cм. все записи с тегом стали и сплавы): перлитный; мартенситный; аустенитный.

2. По степени легирования (по содержанию легирующих элементов):

низколегированные – 2,5…5 %; среднелегированные – до 10 %; высоколегированные – более 10%.

3. По числу легирующих элементов:

трехкомпонентные (железо, углерод, легирующий элемент);

четырехкомпонентные (железо, углерод, два легирующих элемента) и так далее.

4. По составу: никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и так далее (признак– наличие тех или иных легирующих элементов).

5. По назначению:

конструкционные;

инструментальные (режущие, мерительные, штамповые);

стали и сплавы с особыми свойствами (резко выраженные свойства – нержавеющие, жаропрочные и термоустойчивые, износоустойчивые, с особыми магнитными и электрическими свойствами).

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения: хром (Х), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), тантал (ТТ), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор (Р), кобальт (К), ниобий (Б), цирконий (Ц), селен (Е), редкоземельные металлы (Ч).

Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в десятых долях процента. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится 0,8-1,5 %, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0.2-0.3%) А также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0…0.010%). В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры показывают содержимое углерода в сотых долях процента.

№21.Разновидность чугунов, их микроструктура и свойства

Сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода более 1,7% называются чугунами.

Чугуны различаются по структуре, способам изготовления, химическому составу и назначению.

По структуре чугуны бывают серые, белые и ковкие. По способам изготовления—обыкновенные и модифицированные.

По химическому составу чугуны различают не легированные и легированные, т. е. такие, в составе которых имеются специальные примеси.

Серый чугун

Серый чугун наиболее широко применяется в машиностроении для отливок из него различных деталей машин. Он характеризуется тем, что углерод в нём находится в свободном состоянии в виде графита. Поэтому серый чугун хорошо обрабатывается режущими инструментами. В изломе он имеет серый и темно-серый цвет. Получается серый чугун путём медленного охлаждения после плавления или нагревания.

Белый чугун

Белый чугун применяется в машиностроении в значительна меньших количествах, чем серый. Он представляет собой сплав железа с углеродом, в котором углерод находится в виде химического соединения с железом. Белый чугун очень хрупкий и твёрдый. Он не поддаётся механической обработке режущими инструментами и применяется для отливки деталей, не требующих обработки, или подвергается шлифованию абразивными кругами.

Ковкий чугун

Ковкий чугун обычно получают из отливок белого чугуна путем длительного томления их в печах при температуре 800—950°С, Существуют два способа получения ковкого чугуна: американский и европейский.

Модифицированный чугун

Модифицированный чугун отличается от обычного серого чугуна тем, что в нем большее количество углерода находится в виде графита, чем в сером чугуне.

Модифицирование заключается в том, что при плавлении чугуна в жидкий металл добавляется некоторое количество присадок, способствующих выделению углерода в виде графита при затвердевании и охлаждении.

№22.Теоретические основы обработки стали. Критические точки нагрева и охлаждения

Термической обработкой называется технологический процесс, состоящий из совокупности операций нагрева, выдержки и охлаждения изделий из металлов и сплавов, целью которого является изменение их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическая обработка рассматривает и объясняет изменение строения и свойств металлов и сплавов при тепловом воздействии, а также при тепловом воздействии в сочетании с химическим, деформационным, магнитным и другими воздействиями.

Термическая обработка является одним из наиболее распространенных в современной технике способов получения заданных свойств металлов и сплавов. Термическая обработка применяется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием и др., либо как окончательная операция для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который сможет обеспечить заданные эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее изделия (конструкция), тем, как правило, в ней больше термически обработанных деталей.

При нагреве стали выше критических точек с образованием аустенита исходной структурой чаще всего является смесь феррита и цементита — перлит. Превращение перлита в аустенит в точном соответствии с диаграммой «железо-углерод» происходит лишь при очень медленном нагреве. В реальных условиях нагрева при термообработке превращение перлита в аустенит запаздывает и имеет место перегрев. Скорость превращения зависит от степени перегрева. Чем выше температура, тем больше степень перегрева и тем быстрее идет превращение.

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге эвтектоидной стали, — это распад аустенита при комнатной температуре ниже точки А1 (727 оС) на смесь феррита с цементитом. При скорости охлаждения стали, обеспечивающей полное протекание диффузионных процессов и соответственно близкое к равновесному состоянию стали, в структуре последней согласно диаграмме «железо—углерод» образуется перлит.

№23.Характеристика видов термической обработки стали

Шире других видов термической обработки применяют отжиг, нормализацию, закалку и отпуск стали.

Отжиг стали производят в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Нормализация заключается в нагреве стали на ЗО...5О°С выше критических, непродолжительной выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе. Нормализацию стали применяют в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокими твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига.

Закалка стали заключается в нагреве ее до температуры образования аустенита, выдержке при этой температуре и последующем быстром охлаждении. В зависимости от скорости охлаждения сталь получают в состоянии мартенсита, троостита или сорбита закалки.

Отпуском называют термическую обработку, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже критических точек Ас\ (723 °С), выдерживают при этой температуре, а затем охлаждают. При отпуске стали мартенсит закалки и остаточный аустенит распадаются, образуя более устойчивые структуры (троостит, сорбит). Цель отпуска — уменьшение внутренних напряжений, снижение твердости и хрупкости, повышение пластичности.

№24.Перлитное превращение.

Перлитное превращение - эвтектоидное превращение (распад) аустенита, происходящее ниже 727°С (по другим источникам 723°С) и заключающееся в одновременном зарождении и росте внутри аустенита (ɣ-фаза) двух новых фаз: феррита (ɑ-фаза) и цементита (Fe3C) имеющих пластинчатую форму. Схематически процесс описывается формулой: ɣ→ɑ+Fe3C

Перлитное превращение происходит в сталях, содержащих более 0,025%С (по массе), а также в белых и серых чугунах (за исключением чугунов на ферритной металлической основе). Структура, образующаяся в результате превращения, называется перлит и она состоит из тонких чередующихся пластинок (кристаллов) феррита и цементита. Составы всех трех фаз при медленном охлаждении строго определен: в нелегированной стали или чугуне аустенит содержит 0,8%С, феррит - 0,025%С и цементит - 6,67%С (по массе). Отсюда следует, что пластинки феррита в 7,3 раза толще пластинок цементита.

При снижении температуры ниже 727°С скорость превращения увеличивается, достигает максимума при ~550°С и затем уменьшается, падая почти до нуля при ~200°С. Чем ниже температура превращения тем меньше толщина пластинок и выше прочностные свойства. Абсолютная толщина пластинок перлита меняется обычно от нескольких мкм, до десятых долей мкм и до сотых долей мкм. Соответствующие дисперсные разновидности перлита называют также сорбит и троостит.

Скорость охлаждения влияет на структуру и свойства смеси феррит + цементит. В результате можно получить качественно одинаковые, но различно называющиеся:

Перлит — получается при медленном охлаждении, обычно вместе с обладающей тепловой инерцией массивной печью, то есть при отжиге.

Сорбит — получается при охлаждении на воздухе (нормализация).

Троостит — получается при более высокой скорости охлаждения, обычно в каком-либо минеральном масле.

25.Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита.

Бейнит  - игольчатая структура железоуглеродистых сплавов, образующаяся при термической обработке в результате промежуточного превращения аустенита. Иногда структуру бейнита называют игольчатый троостит или продукты промежуточного превращения. Бейнит состоит из смеси частиц пересыщенного углеродом феррита и карбида железа. Часто в структуре бейнита имеется остаточный аустенит с изменённым (по сравнению со средним) содержанием углерода.

По морфологии бейнит подразделяется на две главные группы: игольчатый и зернистый.

Превращение аустенита в бейнит имеет общие черты с перлитным и мартенситным превращениями, поэтому с бейнитным превращением следует познакомиться после изучения превращения аустенита в мартенсит.

Бейнитное превращение переохлаждённого аустенита происходит в температурном интервале, расположенном ниже перлитного, но выше мартенситного интервала, поэтому его часто называют промежуточным. Бейнитное превращение имеет черты перлитного и мартенситного превращения (поэтому бейнитное превращение не следует относить к основным видам).

Определяющей особенностью бейнитного превращения является то, что оно протекает в интервале температур, когда практически отсутствует диффузия (самодиффузия) железа, но интенсивно протекает диффузия углерода.

Различают верхний бейнит и нижний бейнит, которые отличаются друг от друга не только по виду микроструктуры, но и по свойствам.

Верхний бейнит образуется из переохлаждённого аустенита при температурах 500-350°C. Структура верхенго бейнита более грубая. Верхний бейнит имеет "перистое" строение и состоит из вытянутых частиц феррита в форме пластин и из параллельных им тонких частиц цементита. Частицы феррита в верхнем бейните имеют форму "реек" (толщина реек <1 мкм, ширина 5-10 мкм). Твёрдость и прочность сталей со структурой верхнего бейнита высоки, но пластичность понижена.

Нижний бейнит образуется из переохлаждённого аустенита при температурах 350-200°C. У нижнего бейнита игольчатое строение, похожее на строение мартенсита, а состоит он из тонких частиц карбида, расположенного в пластинках феррита, пересыщенного углеродом. Карбиды нижнего бейнита очень мелкие, благодаря этому структура нижнего бейнита является предпочтительной, так как обеспечивает высокую твердость и прочность стали и при этом сохраняет высокую пластиность.

26. Мартенситное превращение аустенита.

Мартенситное превращение при охлаждении происходит не при постоянной температуре, а в определённом интервале температур, при этом превращение начинается не при температуре распада аустенита в равновесных условиях, а несколькими сотнями градусов ниже. Оканчивается превращение при температуре значительно ниже комнатной. Таким образом, в интервале температур мартенситного превращения в структуре стали, наряду с мартенситом, есть и остаточный аустенит.

При пластической деформации стали при температурах мартенситного превращения количество мартенсита увеличивается. В некоторых случаях также влияет упругая деформация. Возможно превращение аустенита в мартенсит при комнатных температурах под действием пластической деформации.

Кроме железоуглеродистых сплавов, мартенситное превращение наблюдается и в некоторых других, например, сплавах на основе титана (сплавы типа ВТ6, ВТ8, ВТ14), меди (бронзы типа БрАМц 9-3).

Превращение аустенита в мартенсит. При больших степенях переохлаждения неустойчивость аустенита возрастает, а скорость диффузии углерода резко падает. При переохлаждении аустенита в эвтектоидной стали до 240°С подвижность атомов углерода близка к нулю и происходит бездиффузионное превращение аустенита. При этом меняется тип решетки у —» ос, а весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке феррита. Образуется мартенсит — перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в а-железе. Мартенсит имеет ту же концентрацию углерода, что и исходный аустенит. Из-за перенасыщенности углеродом решетка мартенсита сильно искажена и вместо кубической приобретает тетрагональную форму (рис. 16). При переходе от аустенитной к мартенситной структуре объем и размеры деталей увеличиваются.

Мартенситное превращение идет в интервале температур при непрерывном охлаждении. Для эвтектоидной стали оно начинается при 240° и заканчивается при -50°С. Мартенсит имеет высокую твердость и хрупкость. Превращение мартенсита в перлитные структуры. Структура стали после закалки состоит из тетрагонального мартенсита и некоторого количества остаточного аустенита. При нагреве закаленной стали ниже температуры фазового превращения (отпуск) происходят следующие процессы. При нагреве до 200°С из мартенсита выделяются пластинки карбидной фазы, решетка мартенсита становится близкой к кубической. Образуется структура отпущенного мартенсита.