Материаловедение и технология конструкционных материалов

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

а_____________ ______________________

Влияние примесей на свойства сталей

Сплавы на основе железа являются основными материалами для изготовления деталей машин, приборов, строительных кон­ струкций и различного инструмента. Широкое применение сталей в машиностроении обусловлено сочетанием ценного комплекса их механических, физических, химических и других свойств. Свойства сталей зависят не только от их состава и соотношения компонентов, но и от вида термической и химико-термической обработки, которым они подвергаются.

Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02...2,14 %), постоянными примесями которого являются марганец до 0,8 %, кремний до 0,5 %, фосфор до 0,05 %, сера до 0,05 %. Такую сталь называют углеродистой. Если в процессе выплавки до­ бавляют легирующие элементы (Cr, Si, Ni, Мп, V, W, Мо и др.), причем некоторые из них сверх их обычного содержания, то по­ лучают легированную сталь.

Рассмотрим влияние углерода, постоянных примесей и леги­ рующих элементов на механические свойства сталей.

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С уве­ личением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость (рис. 6.1).

Временное сопротивление ов достигает максимального значе­ ния при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Структура углеродистых сталей может быть ферритно-перлитной (до 0,8 %), перлитной(0,8 % )иперлитоцементитной(свыше0,8 % углеро­ да). Появление в структуре стали вторичного цементита снижает

еепластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления

впроцессе плавки. Эти элементы растворяются в феррите и струк­ турно не обнаруживаются, но заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако

Рис. 6.1. Влияние углерода на механические свойства стали

принимая во внимание, что содержание марганца и кремния

вобычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в чугун, а затем и в сталь. Она не растворима

вжелезе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe—FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности про­ исходит в районе температур красного каления. Введение марган­ ца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как, соединяясь

ссерой, он образует сульфид марганца MnS (FeS + Мп —>MnS + + Fe), температура плавления которого 1620 °С.

При температуре горячей обработки (800...1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) уве­ личивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вяз­ кость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редко­ земельными элементами (Се, La, Nd). Эти модификаторы образуют

ссерой компактные округлые соединения, которые сохраняют

132 Раздел I. Материаловедение

свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается ани­ зотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влия­ ние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатывае­ мость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического пере­ дела. Его растворимость в железе при высокой температуре дос­ тигает 1,2 %, однако с понижением температуры резко падает, составляя 0,02...0,03 % при 200 °С и ниже. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержа­ ние фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничи­ вается в пределах 0,025...0,06 %.

Азот, и кислород содержатся в стали в небольших количест­ вах и присутствуют в виде неметаллических включений (окси­ ды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охруп­ чивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в раство­ ренном состоянии не только ее охрупчивает, но и способствует возникновению очень опасного дефекта — внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

Легирующие элементы в стали оказывают различное влия­ ние на аллотропические превращения железа и фазовые превра­ щения стали. Они могут находиться в стали в твердом растворе, в карбидной фазе или в виде интерметаллидных соединений.

Наиболее существенное влияние на полиморфизм железа оказывают хром, вольфрам, ванадий, молибден, ниобий, марга­ нец, никель, медь и другие металлы. Они расширяют или сужают область существования у-железа. Например, введение в сталь никеля, марганца и меди понижает температуру точки А 3и по­ вышает температуру точки А 4, что (при определенном их содер­ жании) расширяет область у-железа от температуры плавления до комнатной (рис. 6.2, а). Такие сплавы представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе и относятся к сталям аустенитного класса.

Вторая группа элементов, таких как хром, молибден, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, понижает температуру точки А 4

ж + а

ж + у

у+ а

Мп, Ni...... % Ci, S i , %

Рис. <?.2. Диаграммы состояния железо — легирующий элемент: а — ре—м п> Ni( pt, Ru, Os, Си; б — Fe—Si, W, Mo, V, Ti, Та, Nb, Zr

(ж —

и повышает температуру точки А 3, сужая область у-железа на диаграмме (рис. 6.2, б). Сплавы при определенном содержании легирующего элемента этой группы в интервале температур от комнатной до температуры плавления представляют собой твер­ дый раствор легирующего элемента в a -железе и называются сталями ферритного класса.

К элементам, способным образовывать карбиды, относятся мар­ ганец, вольфрам, ванадий, молибден, титан и др. При небольшом содержании некоторые карбидообразующие элементы раство­ ряются в цементите. Состав легированного цементита отвечает общей формуле (Fe, М)3С, где М— легирующий элемент. При повышении содержания карбидообразующего элемента образу­ ются самостоятельные карбиды данного элемента типа Сг7С3, Cr23C6, Мо2С, W2C, VC, TiC и др. Ряд элементов,-например вольф­ рам и молибден, совместно с железом образуют карбиды Fe3W 3C

иFe3Mo3C. Все эти карбиды отличаются высокой твердостью

ивысокой температурой плавления.

Элементы, не образующие карбидов (Ni, Си, Si, Со), находятся в стали главным образом в виде твердого раствора.

Легирующие элементы также изменяют кинетику распада аустенита (кобальт ускоряет превращение, никель, марганец, кремний, хром, молибден и др. — замедляют), влияют на поло­ жение температурного интервала мартенситного превращения

легированные (более 10 %). По преобладающему легирующему элементу легированные стали подразделяются на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромомарганцево-ванадие- вые и др.

По способу производства различают конверторные, марте­ новские, электростали и стаЛи особых методов выплавки.

По назначению стали классифицируют на конструкцион­ ные, инструментальные, строительные и стали специального назначения с особыми свойствами.

По качеству различают стали обыкновенного качества, ка­ чественные, высококачественные и особо высококачественные.

Качество стали зависит от количества вредных примесей, пре­ имущественно серы и фосфора. Содержание этих элементов в сталях различного качества приведено в табл. 6.1.

Качество углеродистой стали отражается в маркировке. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (например, СтЗ). В конце маркировки высококачественных сталей ставится бук­ ва А (например, У12А). Отсутствие букв Ст в начале и буквы А в конце маркировки означает, что углеродистая сталь является качественной (45, У12 и т. д.). Все легированные стали произво­ дят, как минимум, качественными.

Для производства особо высококачественных сталей приме­ няют специальные виды улучшающей обработки, которые могут быть указаны в марках сталей: ВИ (ВИП) — переплав в вакуум­ ных индукционных печах; Ш (ЭШП) — электрошлаковый пере­ плав; ВД (ВДП) — переплав в вакуумных дуговых печах; ШД — вакуумно-дуговой переплав стали после электрошлакового пере­ плава; ОДП — обычная дуговая плавка; ПДП — плазменно-ду- говая плавка.

136 Раздел I. Материаловедение

По ст епени р а с к и с л е н и я различают спокойную сталь, кото­ рая раскислена марганцем, кремнием и алюминием; полуспо­ койную — марганцем и алюминием и кипящую — марганцем. Кипящая сталь уступает по качеству спокойной, так как содер­ жит больше кислорода.

По ст р у к т у р е в равновесном состоянии стали классифи­ цируют на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные (перлитного класса), ледебуритные, аустенитные и ферритные.

По структуре в неравновесном состоянии после охлаждения на воздухе — на перлитные, мартенситные и аустенитные.

В ГОСТах на стали принята следующая си ст ем а д л я обозна ­ чен и я м аро к ст алей . Обозначения состоят из комбинации цифр и букв.

Первые цифры в маркировке указывают на содержание угле­ рода в стали: если число однозначное — в десятых долях про­ цента, если двузначное — в сотых долях процента. В случае, когда первые цифры (цифра) отсутствуют, углерода в стали не менее 1 % (например Х12, Х6ВФ).

Для обозначения легирующих элементов, входящих в состав стали, каждому из них присвоена своя буква: Ni — Н, Си — Д, N — А, Сг — X, В — Р, Р — П, Со — К, Nb — Б, Мо — М, Zr — Ц, Ti — Т, Мп — Г, Si — С, V — Ф, W — В, А1 — Ю. Для указания количества легирующего элемента в составе стали после соот­ ветствующей буквы в марке ставится число, равное процентному содержанию элемента. Если числа нет, то содержание элемента меньше 1...1.5 % (например, 5ХЗВЗМФС).

Степень раскисления стали обозначается буквами в конце маркировки стали: сп — спокойная; пс — полуспокойная; к — кипящая.

Помимо указанных, для некоторых сталей употребляются специальные условные обозначения. Например, обозначение быстрорежущих сталей начинается с буквы Р, цифры за которой показывают содержание вольфрама в процентах (Р18, Р6М5К5); шарикоподшипниковых сталей — с буквы Ш (ШХ9, ШХ15СГ), где цифры (9 и 15) указывают на содержание хрома в стали в де­ сятых долях процента.

Описанная выше классификация принята в Беларуси и стра­ нах СНГ.

Европейская система обозначений сталей регламентируется стандартом EN 10027, состоящим из частей:

□часть 1 определяет порядок наименования сталей (присвое­ ния им буквенно-цифровых обозначений). В первую группу вклю­ чены стали, наименование которых определяется их назначением

имеханическими или физическими свойствами;

□часть 2 регламентирует присвоение сталям порядковых но­

меров. Вторую группу составляют стали, наименования которых определяются их химическим составом.

ВЯпонии наименование марок стали, как правило, состоит из нескольких букв и цифр. Буквенное обозначение определяет группу, к которой относится данная сталь, а цифры — ее поряд­ ковый номер в группе и свойство.

ВСША существует несколько систем обозначения металлов

иих сплавов. Это объясняется наличием нескольких организаций по стандартизации (AMS, ASME, ASTM, AWS, SAE, ACJ, ANSI, AJS).

Втабл. 6.2 приведены некоторые марки сталей по классифи­ кации стран СНГ и их аналоги в классификациях по европей­ ской системе обозначений и стандартам США.

138 Раздел I. Материаловедение

Окончание табл. 6.2

Углеродистые стали

Углеродистые стали относятся к числу самых распростра­ ненных конструкционных материалов. Объем их производства достигает 80 % от общей выплавки стали. Эти стали сочетают в себе высокую прочность и достаточную .вязкость, хорошие технологические свойства, они экономичны и не дефицитны. Различают следующие углеродистые стали: конструкционные обыкновенного качества, качественные, специального назначе­ ния и инструментальные.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавли­ вают следующих марок: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ, СтЗГ, Ст4, Ст5, Ст5Г и Стб. Цифры указывают номер стали, с увеличением которого возрастает содержание углерода, поэтому чем больше номер, тем выше прочность и ниже пластичность. Буква Г указывает, что сталь содержит марганец в количестве, превышающем примес­ ную концентрацию этого элемента.

По степени раскисления стали с номерами марок 1...4 вы­ плавляют кипящими, полуспокойными и спокойными; с номе­ рами ЗГ, 5,6 — полуспокойными и спокойными; 5Г — полуспокойной. Не разделяется по степени раскисления лишь сталь марки СтО.