Микроструктура сталей и чугунов

По структуре стали делятся следующим образом:

1. Ферритные, с содержанием углерода до 0,025%. Они имеют струк­туру феррита (рис. 1).

2. Доэвтектоидные, содержащие углерода от 0,025 до 0,8%. Структу­ра этих сталей состоит из феррита - светлые зерна и перлита - темные зерна (рис. 12а).

3. Эвтектоидные, содержащие 0,8% углерода. Структура состоит из перлита, что показано на рис. 12б, и было на рис. 2.

4. Заэвтектоидные, содержащие углерода более 0,8%, Структура со­стоит из перлита и цементита (рис. 12в).

По микроструктуре белые чугуны делятся на:

1. Доэвтектические с % содержанием углерода от 2,14 до 4,7% с микроструктурой из перлита, вторичного цементита и ледебурита (рис. 13).

2. Эвтектические с 4,3% углерода и со структурой из одного ледебурита.

3. Заэвтектические с % содержанием углерода от 4,3 до 6,67% со структурой из первичного цементита и ледебурита (рис. 14).

Рисунок 12 - Микроструктура сталей:

а - доэвтектокдной, б - эвтектоидной, в – заэвтектоидной

Рисунок 13 – Микроструктура белового доэвтектического чугуна

Рисунок 14 – Микроструктура белого заэвтектического чугуна

Серые чугуны в микроструктуре имеют пластинчатый графит (рис. 15а), который располагается в металлической основе (перлитная, ферито-перлитная, перлито-цементитная).

Модифицированные и легированные чугуны имеют микрострукту­ру аналогичную серому чугуну, но в результате модифицирования кремни­ем, кальцием и др. или легирующими элементами (хром, никель и др.) с увеличением центров кристаллизации, получается более мелкозернистая структура.

Ковкие чугуны в микроструктуре имеют хлопьевидный графит (рис. 15б), который располагается в металлической основе (феррит, перлит, феррито-перлит).

Высокопрочный чугун получается модифицированием серого чугуна магнием с последующей добавкой ферросилиция со структурой перлита, феррита и шарообразного графита (рис. 15в).

Рисунок 15 - Микроструктура чугуна:

а) серого, б) ковкого, в) высокопрочного.

Назначение и классификации, сталей и чугунов

Применяемые в практике стали содержат кроме углерода до 0,4% кремния, 0,5-0,8% марганца и по 0,02 - 0,05% серы и фосфора. Кремний и марганец растворяясь в феррите упрочняют сталь. Сера, образуя соединение FeS, вызывает красноломкость (хрупкость при повышенных температурах). Фосфор, растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость.

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкцион­ные ( С< 0,8% ) и инструментальные ( С> 0,7%).

Конструкционные стали бывают обыкновенного качества и качест­венные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) подразделяют на группы А, Б и В. Стали группы А характеризуются механическими свойст­вами; группы Б - химическим составом и группы В - механическими свойст­вами и химическим составом.

По степени раскисления эти стали бывают кипяшими (кп), полуспо- койными (пс) или спокойными (сп).

В зависимости от нормируемых показателей механических свойств эти стали подразделяют также на ряд категорий.

Конструкционные стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой - номером стали, например Ст3, Ст5 и г.д. Группа стали указы­вается соответствующей буквой в начале марки БСт 1, ВСт6, в марке группы А такая буква не ставится - Ст4. В марке указывается также степень раскис­ления стали (Ст1кп; БСт2пс) и в конце - категория - Ст2кпЗ; ВСт4кп4 (пер­вая категория не указывается - Ст1сп).

Качественные конструкционные стали (ГОСТ 1050-74) отличаются меньшим содержанием серы и фосфора (< 0,04%), в них строже регламентируется содержание других элементов, неметаллических примесей. Эти стати маркируются числами 08, 10, 15, 20,..85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. По степени раскисления они могут быть также кипящими, полуспокойными или спокойными.

Из конструкционных сталей выделяются так называемые автомат­ные стали с повышенной обрабатываемостью резанием, применяемые в ос­новном для изготовления из них деталей на станках-автоматах. Эти стали характеризуются повышенным содержанием серы (0,08 - 0,30%) и фосфора (до 0,15%). Сера образует при резании сульфид MnS, оказывающий смазы­вающее действие на инструмент, а фосфор способствует образованию лом­кой стружки и получению чистой блестящей поверхности при резании Ав­томатные стали маркируют буквой А и числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: А12, А20, А30.

Инструментальные стали (ГОСТ 2283-79) подразделяют на качест­венные: У7,У8...У13 и высококачественные: У7А, У8А...У13А. Числа в мар­ке указывают содержание углерода в десятых долях процента, буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь.

Легированные стали - стали в которых содержатся специально вве­денные (легирующие - Сг, Ni, Mo, V, Ti и др.) элементы, изменяющие их свойства. Мп>1% и Si>0,5% также являются легирующими. Легирующие элементы в марках стали обозначают буквами: Х-хром, Н- никель, М- мо­либден, В- вольфрам, К- кобальт, Т-титан, А-азот, Г'- марганец, Д- медь, Ф- ванадий, С- кремний, П- фосфор, Ю- алюминий, Р- бор, Б- ниобий, Ц- цирконий.

Число в начале марки конструкционной стали указывает на содержа­ние углерода в сотых долях процента, цифры после букв - среднее содержа­ние обозначенного этими буквами элемента в процентах. Например, марка 18Х2Н4В обозначает сталь со средним содержанием 0,18% С, 2% Сг, 4% Ni и около 1% W или 12ХН2А - 0,12%С, 1% Cr,2%Ni, а буква А в конце марки указывает на то, что сталь высококачественная.

При маркировке инструментальных и некоторых специальных сталей иногда отходят от этого правила. Например, марка Х12М обозначает сталь с содержанием около 1,5%С , 12% Сг, 0,5% Мо.

Некоторые легированные стали выделены в отдельные группы: Ш- шарикоподшипниковые, Р- быстрорежущие, Е- магнитные и др.

Стали, находящиеся в стадии исследования, обозначают буквами ЭИ и условным номером (ЭИ943) и пробные - буквами ЭП и условным номе­ром (ЭП54).

Легированные стали подразделяют на конструкционные, инструмен­тальные и со специальными физическими свойствами.

К конструкционным легированным сталям относятся стали, приме­няемые для изготовления цементируемых и улучшаемых термообработкой деталей машин, рессор и пружин, шарико- и роликоподшипников, жаро­прочные, износо- и коррозионностойкие стали. Эти стали легируют разно­образными элементами - Mn, Ni, Si, Сг, Mo, Ti, А1 и др.

К инструментальным относятся стали для режущего, штампового, измерительного инструмента. Эти стали доллжны облагать высокой твердо­стью и износостойкостью, поэтому их легируют в основном карбидообра­зующими элементами - Сг. W, V, Мо и др.

К сталям и сплавам со специальными физическами свойствами отно­сятся магнитные материалы, с высоким электросопротивлением, с заданным коэффициентом линейного расширения, с особыми упругими свойствами. Большинство из них отличаются высоким содержанием Ni. Сr и др.

Белые чугуны в изломе из-за углерода в виде цементита имеют бе­лый блестящий цвет. Они обладают высокой твердостью и износоустойчи­востью, хрупкие и плохо поддаются обработке резанием, из-за этого огра­ниченно применяются в машиностроении В частности, они используются для изготовления валиков мукомольных мельниц, вагонных колес с отбе­ленным ободом, лемехов плугов с отбеленным носком и лезвием. Большин­ство передельных чугунов являются белыми

Серые чугуны в изломе имеют серый цвет. Они самый дешевый ли­тейный материал, хорошо обрабатывается резанием. Наличие пластинчатых включений графита, представляющих по существу пустоты с острыми над­резами, обусловливает низкие механические свойства. Из серых чугунов из­готавливаются разнообразные детали: корпуса насосов, станины, кронштей­ны, корпуса коробок передач и др.

ГОСТом установлены следующие марки серых чугунов: СЧ 00 (без испытания механических свойств), СЧ 12, СЧ 15, СЧ18, СЧ21, СЧ 24. Цифра в марках обозначает предел прочности на разрыв в кгс/см² (10^-1Мпа)

Модифицированные чугуны в изломе имеют серый цвет и маркиру­ются как серые чугуны, применяются для изготовления ответственных де­талей: станин станков, блоков и картеров двигателей, цилиндровых втулок, поршней крупных двигателей и др. ГОСТом предусмотрены следующие марки чугунов: СЧ 28, СЧ 32, СЧ 35, СЧ 38.

Легированные чугуны - обычно серые или модифицированные, в ко­торые во время плавки введены небольшие легирующие добавки для прида­ния специальных свойств. Они маркируются так же как и серые, только в чертежах деталей указывается количественный состав легирующих элементов.

Ковкие чугуны - получаются из белых чугунов путем длительного отжига (в начале получают отливки из белого чугуна, затем отжигают в ка­мерных печах). Они обладают высокой прочностью и ударной вязкостью, из них изготовляют детали автомобилей, сельскохозяйственных и других ма­шин, имеющих сложную форм}' и тонкое сечение и работающих в условиях ударной нагрузки (мосты автомобилей, картеры, зубчатые колеса, звездочки и др.).

По ГОСТу ковкие чугуны маркируются ферритные - КЧ 30-6, КЧ 33- 8, КЧ 37-12, перлитные - КЧ 50-5, КЧ 55-4. Первые цифры обозначают предел прочности на разрыв в кгс/см² , вторая цифра - относительное удлине­ние в %.

Высокопрочные чугуны - получаются модифицированием серого чу­гуна магнием с последующей добавкой ферросилиция, что придает им вы­сокую прочность и вязкость, приближая их по свойствам к сталям. Они об­ладают высокими литейными и антифрикционными свойствами, хорошо обрабатываются резанием. Из них изготавливаются ответственные детали: коленчатые валы, зубчатые колеса, корпуса задних мостов автомашин и др. Они маркируются (ГОСТ 7293-85): ферритные - ВЧ 35, ВЧ 40, ВЧ 45; пер­литные - ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 70, ВЧ 80, ВЧ 100. Цифра означает предел проч­ности на разрыв в кгс/см².