Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
241
4. По химическому составу: углеродистые (нелегированные)
(Fe−Mn−Si−С), низколегированные (Fe−С + до 2,5 % М, где М −
сумма легирующих элементов), среднелегированные [Fe−C +
+ (2,5−10) % М], высоколегированные (Fe−С + более 10 % М),
сплавы на основе железа (стали) (содержание Fe ≥ 45 %).
5. По назначению: конструкционные (детали машин, механиз-
мов, конструкций и т.д.), функциональные −инструментальные
(режущий, штамповый, измерительный и прочий инструмент), с
особыми физическими свойствами (магнитные, с высоким электро-
сопротивлением и т.д.) и др.
6. По качеству: обыкновенные, качественные, высококаче-
ственные, особовысококачественные.
Классификация сталей определенным образом связана с содер-
жанием таких вредных примесей, как сера и фосфор. Так, стали
общего назначения меньше очищаются от примесей (менее 0,05 %
S и 0,04 % Р) и наиболее дешевы; в качественных сталях примесей
меньше (менее 0,04 % S и 0,035 % Р); высококачественные и осо-
бовысококачественные стали дорогостоящие, содержание приме-
сей в них ограничено ниже 0,015 % S и 0,025 % Р.
Углеродистые стали маркируются по содержанию углерода.
Марка легированной стали состоит из сочетания букв и цифр, обо-
значающих ее химический состав.
Стали обыкновенного качества (Ст0, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6).
Чем больше цифра после Ст, тем больше в стали углерода, следо-
вательно, выше прочность и ниже пластичность. В зависимости от
условий и степени раскисления различают
1
спокойные стали
(например, Ст6сп), кипящие стали (например, Ст2кп) и полуспо-
койные стали (например, Ст3пс). Кроме того, в зависимости от
назначения, гарантированных свойств и состава эти стали делятся
на три группы.
Группа А. Химический состав не уточняется, поставляется по
механическим свойствам. Сталь используется в состоянии постав-
ки (Ст0, Ст1,..., Ст6).
Группа Б. Химический состав гарантирован (БСт0, БСт1,...,
БСт6).
1
Физическое материаловедение. − Т. 5. П. 18.1.2.
242
Группа В. Гарантированы химический состав и механические
свойства (ВСт1, ВСт2,..., ВСт5).
Стали групп Б и В подвергают термической обработке для обес-
печения требуемого уровня свойств.
Полуспокойная сталь с номерами 1−5 производится как с обыч-
ным, так и с повышенным содержанием Мn (Ст1Гпс, Ст2Гпс,...,
Ст5Гпс).
Обыкновенные стали применяют в строительстве (балки, швел-
леры, уголки и т.д.) и в машиностроении для изготовления малоот-
ветственных деталей (болты, гайки, прутки и т.д.), работающих при
низких напряжениях и температуре.
Углеродистые качественные конструкционные стали марки-
руют двухзначными цифрами (08, 10,..., 85), которые указывают
среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистые стали (08÷25) относятся к мягким сталям,
применяют в отожженном виде для изготовления деталей штам-
повкой, глубокой вытяжкой (прокат, проволока, листы и т.д.).
Среднеуглеродистые стали (30÷50) применяют после нормали-
зации, улучшения (закалка от 820−880 °С и высокий отпуск при
550−650 °С) или закалки с низким отпуском для самых разнообраз-
ных деталей и узлов (различные валы, шестерни, фрикционные
диски и т.д.).
Высокоуглеродистые стали применяют после закалки и отпуска
для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и т.д.
Высококачественные углеродистые стали могут быть с повы-
шенным содержанием Мn − до 0,7−1,0 % (15Г, 20Г,..., 50Г и др.).
Марганец повышает прокаливаемость стали, σ
в
и σ
02
, но несколько
снижает δ и а
к
по сравнению со сталями с нормальным содержани-
ем Мn (0,25−0,7 %).
Легированные конструкционные стали маркируют буквами и
цифрами, указывающими примерный состав. Каждый элемент
(кроме углерода и железа) обозначают буквами:
В последние годы наблюдается тенденция использования танта-
ла (Та) при создании реакторных сталей с быстрым спадом наве-
денной активности (Мо и Nb, образующие долгоживущие изотопы
при облучении, заменяют на W и Та соответственно), однако бук-
243
венного обозначения для Та нет и в маркировке стали тантал обо-
значают химическим символом, например, 16Х12В2ФТаР.
А − азот (N) (если А стоит в
начале марки, то она означает,
что сталь автоматная, например
А40Г; в конце марки − высоко-
качественная сталь, например
30ХГСА, или особовысокока-
чественная сталь, например
,
15Х2МФАА);
К − кобальт (Со);
М − молибден (Мо);
Н − никель (Ni);
П − фосфор (Р);
Р − бор (В);
С − кремний (Si);
Т − титан (Ti);
Ф − ванадий (V);
Б − ниобий (Nb);
X − хром (Сr);
В − вольфрам (W);
Ц − цирконий (Zr);
Г − марганец (Мn);
Ч − редкоземельные
металлы (РЗМ);
Д − медь (Сu);
Е − селен (Se);
Ю − алюминий (А1).
Цифра перед маркой означает среднее содержание углерода в
сотых долях процента; цифры, идущие после букв, − примерное
количество данного элемента, округленное до целого числа. При
содержании менее 1,5 % элемента цифру не приводят. Так,
45ХН2МФ − конструкционная сталь с содержанием примерно
0,45 % С, около 1 % Сr, примерно 2 % Ni, до 1 % Мо и до 1 % V.
На практике иногда для сокращения числа знаков в обозначении
несколько отступают от точного соблюдения принятой системы
ГОСТ, особенно при маркировке сложнолегированных сплавов.
Например: 1) при содержании углерода более 0,1% цифры перед
обозначением могут опустить (Х12М, по ГОСТ 16Х12М), а при
концентрации С менее 0,1% вместо цифр иногда пишут 0
(0Х16Н15МЗБ, по ГОСТ 07Х16Н15МЗБ); 2) при содержании менее
50 % Fe и большом количестве различных легирующих элементов
все они перечисляются буквами без цифр, а цифрой указывается
только содержание Ni (ХН77ТЮР, по ГОСТ 07Х20Н77Т3ЮР).
Нестандартные стали обозначают различными способами. Так,
опытные марки, выплавленные на заводе «Электросталь», обозна-
чают ЭИ (электросталь, исследовательская), ЭП (электросталь,
244
пробная); на Челябинском заводе − ЧС (челябинская сталь) и
порядковыми номерами: ЭИ-847 (0Х16Н15МЗБ), ЭП-172
(0Х16Н15МЗБР), ЭП-150 (04X15Н35М2БТЮР), ЭП-450
(Х13М2БФР), ЧС-42 (0Х20Н45М4БЧ) и т.д.
В других странах приняты другие системы маркировки сталей,
которые являются гораздо менее информативными (см.
пп. 25.5−25.7, 25.3).
25.3. Влияние легирования на структуру
и механические свойства сталей
Главными компонентами конструкционных сталей различного
класса являются Fe, система Fe−Сr или Fe−Cr−Ni. Обязательной
легирующей составляющей сталей выступает углерод, который
имеет большое значение в углеродистых и малолегированных ста-
лях и относительно меньшее − в высоколегированных жаропроч-
ных и коррозионно-стойких сталях. Кроме того, для повышения
прочности и жаропрочности стали легируют тугоплавкими метал-
лами, такими, как Mo, Nb, Ti, V и др.
25.3.1. Сплавы системы Fe
−
С
Диаграмма состояния системы Fe−С (Fe−Fe
3
C) хорошо изучена
и все точки этой диаграммы в представляющем для практики инте-
рес интервале концентраций углерода (от 0 до 6,67 %) определены
достаточно точно (рис.25.7; табл.25.1). Поэтому ограничимся лишь
ее краткой характеристикой и определением основных видов
структуры, которые можно получить, выбирая концентрацию угле-
рода и вид термообработки.
Система Fe−С характеризуется наличием следующих реакций:
перитектической (при 1498 °С): δ (0,46 % С) + Ж (2,28 % С)
γ (0,74 % С) (здесь приведено атомное содержание С, %); эв-
тектической (при 1146 °С): Ж
γ + Fe
3
C (С); эвтектоидной (при
723 °С): γ
α + Fe
3
C (С).
Растворимость углерода в α-Fe при равновесии с Fe
3
C в диапа-
зоне 300−700 °С описывается выражениями:
для атомного содержания, %
245
lg C = −0,92 − 2121/Т, (25.1)
для массового содержания, %
lg
C = 0,41 − 2121/Т. (25.2)
Рис. 25.7. Диаграмма состояния системы Fe−С (Fe−Fe
3
C)
Таблица 25.1
Точки диаграммы системы Fe−С
Обоз-
наче-
ние
точки
Т, °С
Концентрация С, %
(в скобках −
атомная
кон
ц
ент
р
а
ц
ия
,
%
)
Обоз-
наче-
ние
точки
Т, °С
Концентрация С, %
(в скобках −
атомная
кон
ц
ент
р
а
ц
ия
,
%
)
А 1539 ± 3 0(0) D Точно не
установлена
6,67 (24,94)
В
1498 ± 3 0,50 ± 0,05
(
2,28
)
Н
1498 ± 3 0,10 ± 0,05
(
0,46
)
G 910 ± 2 0
(
0
)
J
1498 ± 3 0,16 ± 0,05
(
0,74
)
Р
723 ± 5 0,022 ± 0,005
(
0,10
)
N
1392 ± 3 0
(
0
)
S
723 ± 5 0,80 ± 0,025
(
3,61
)
Е 1146 ± 2 2,14 ± 0,05
(
9,23
)
К
723 ± 5 6,67
(
24,94
)
С
1146 ± 2 4,30 ± 0,05
(
17,28
)
Q
20−500
< 0,02
(
< 0,09
)
F
1146 ± 2 6,67
(
24,94
)
L
20−500
6,67
(
24,94
)
246
Рассмотрим основные структуры системы Fe−С
1
.
Феррит − твердый раствор углерода(и других легирующих эле-
ментов в сталях) в α-Fe (обозначают α или Ф) (рис. 25.8,а). Разли-
чают низкотемпературный α-феррит или просто феррит с раство-
римостью углерода до 0,02 % (точка Q на рис. 52.7) и высокотем-
пературный δ-феррит с растворимостью углерода 0,1 % (точка Н).
Рис. 25.8. Типичные микрофотографии структуры сплавов системы Fe−С:
а − феррит; б − аустенит (×400)
Главным фактором, определяющим возможность растворения
путем внедрения, является размерный фактор, т.е. определенное
соотношение между размером пустот в кристаллической решетке и
размером внедряющегося атома. В ОЦК решетке α-Fe имеются три
октаэдрические пустоты в серединах граней (1/2×6) и еще три окта-
эдрические пустоты (1/4×12) в серединах ребер, куда можно впи-
сать шар радиусом октаэдрической пустоты всего r
о.п.
≈ 0,154r
Fe
(рис. 25.9,а).
Октаэдрические пустоты в середине ребер элементарной ячейки
эквивалентны пустотам в центре граней. Тетраэдрические пустоты
в ОЦК структуре окружены четырьмя атомами: двумя на ребре ку-
ба и двумя в центре объема смежных ячеек (рис. 25.9,б).
1
Физическое материаловедение. − Т. 2. П. 6.3.
247
Тетраэдрическая пустота в ОЦК решетке больше, чем октаэдри-
ческая, − в нее можно вписать шар радиусом тетраэдрической пу-
стоты r
т.п.
≈ 0,291
r
Fe
. В
элементарной ячейке
таких пустот 12 (2×6).
Таким образом, на каж-
дый атом железа в ОЦК
решетке (в элементар-
ной ячейке два атома
Fe) приходится три ок-
таэдрические и шесть
тетраэдрических пустот.
Если внедряется атом
с размером, превышаю-
щим размеры пустоты,
то он должен раздви-
нуть соседние атомы. При этом вокруг тетраэдрической пустоты
сразу смещаются четыре атома в направлениях довольно плотной
упаковки, что вызывает значительное перекрытие взаимноотталки-
вающихся электронных облаков. Вокруг же октаэдрической пусто-
ты из-за сильной его неравноосности смещаются всего два атома
вдоль ребра куба, т.е. вдоль направления <100> с малой плотно-
стью упаковки атомов. Это придает решетке тетрагональность. По-
этому примесным атомам внедрения в ОЦК решетках энергетиче-
ски более выгодным может оказаться размещение в меньших по
размерам октаэдрических пустотах, однако все будет определяться
отношением размера атома легирующего элемента (примеси) к
атому металла. Так, атомы углерода в ОЦК решеткеα-Fe размеща-
ются в октаэдрических пустотах, в то время как в ОЦК решетке Мо
занимают тетраэдрические пустоты.
Диаметр атома углерода r
С
= 0,077 нм, а железа r
Fe
= 0,127 нм,
следовательно, в ОЦК решетке α-Fe r
о.п.
≈ 0,020 нм, r
т.п.
≈ 0,037 нм.
Такие объемы пор недостаточны для помещения в него атома
(иона) углерода. Поэтому даже чисто геометрические соображения
подсказывают, что α-Fe не растворяет углерод. Однако наблюдае-
мая незначительная растворимость (менее 0,02 % С) обусловлена,
по-видимому, тем, что в реальной решетке железа имеются дефек-
Рис. 25.9. Положение октаэдрических (а)
и тетраэдрических (б) пустот в ОЦК решетке
(
− пустота; − атом металла)
248
ты, особенно многочисленные по границам зерен, вакансии, дисло-
кации и т.д.
Аустенит − твердый раствор углерода (и других легирующих
элементов в сталях) в γ-Fe (обозначают γ или А) (рис. 25.8,б).
Предельная растворимость углерода в γ-Fe 2,14% (см. рис. 25.7,
точка Е).
В элементарной ГЦК решетке γ-Fe имеются восемь тетраэдри-
ческих пустот размером r
т.п.
≈ 0,22r
Fe
, расположенных на простран-
ственных диагоналях куба на расстоянии одной четверти диагона-
ли от вершины ячейки (рис.25.10,а), и четыре октаэдрические пу-
стоты [одна− в центре
куба, три (1/4×12) – по-
середине ребер]
(рис. 25.10,б) размером
r
о.п.
≈ 0,41r
Fe
. Очевидно,
что по объему вписыва-
емых шаров и геомет-
рии образования окта-
эдрические пустоты в
центре и на ребрах куба
эквиваленты. Следова-
тельно, на каждый атом
железа в ГЦК решетке (в элементарной ячейке четыре атома Fe)
приходятся две тетраэдрические и одна октаэдрическая пустоты.
Диаметр вписываемых в решетку γ-Fe октаэдрических пустот
(r
т.п.
≈ 0,028 нм, r
о.п.
≈ 0,052 нм) значительно превышает диаметры
пустот в α-Fe. Это и предопределило большую растворимость уг-
лерода в γ-Fe по сравнению с α-Fe (см. рис. 25.7).
Отдельный вопрос: в каком виде растворяется углерод в железе
(и в других металлах)? Например, даже в октаэдрическую пустоту
γ-Fe он может поместиться лишь раздвигая атомы железа (действи-
тельно, наблюдается почти линейное увеличение параметра решет-
ки аустенита с изменением концентрации углерода от 0 до 2 %).
Другой путь − уменьшение размера самого атома углерода. Много-
численные данные свидетельствуют о том, что при растворении
углерод отдает свои валентные электроны, т.е. превращается в по-
Рис. 25.10. Положение тетраэдрических (а)
и октаэдрических (б) пустот в ГЦК решетке
(
− пустота; − атом металла)
249
ложительный ион С
4+
. Есть и предположения, допускающие пере-
крытие электронных орбит железа и углерода.
Однако коэффициент ионизации атомов углерода в твердом рас-
творе нельзя считать точно установленным.
Цементит − химическое соединение Fe
3
C − карбид железа
(обозначают К или Ц), содержит 6,67 % (атомное содержание око-
ло 25 %) углерода (точка L на рис. 25.7). Цементит имеет очень
сложную орторомбическую кристаллическую решетку с плотной
упаковкой атомов (а = 0,5090 нм, b = 0,6748 нм, с = 0,4523 нм)
(рис. 25.11). Температура плав-
ления цементита и, следова-
тельно, кривая ликвидус CD
точно не определена в связи с
возможностью его распада
(Fe
3
C → Fe + графит) при на-
греве еще до достижения тем-
пературы плавления. По неко-
торым расчетным данным
температура плавления цемен-
тита оценивается равной
1200−1550 °С. Возможно, це-
ментит испытывает разложе-
ние при 1250−1300 °С. К ха-
рактерным особенностям це-
ментита относится очень вы-
сокая твердость (НV ≈ 1000) и
очень малая пластичность.
Кроме карбида Fe
3
C в системе возможно образование метаста-
бильных карбидов: ε-карбида (Fe
2
C) с гексагональной структурой,
выделяющегося при отпуске закаленной стали (150−200 °С), и кар-
бида FeC. Карбид Fe
7
C
3
с гексагональной структурой типа Сr
7
С
3
получен только при высоких давлениях.
Перлит (а также сорбит и троостит) − эвтектоидная смесь
феррита и цементита, которые обозначают П, С, Т (рис. 25.12).
В эвтектоидной стали при распаде аустенита (А → Ф
р
+ Ц) в об-
ласти температур от
1
c
A
примерно до 680 °С (переохлаждение
Рис. 25.11. Кристаллическая структура
цементита
250
∆Т ≤ 40 °С) расстояние между пластинками в колониях составляет
от 0,5 до 1 мкм. Это − перлит.
Рис. 25.12. Типичный вид
структуры перлита (гру-
бопластинчатый перлит):
отчетливо видны череду-
ющиеся участки цементи-
та (темные) и феррита
(светлые). Эвтектоидная
сталь после термообра-
ботки по режиму: 985 °С,
35 мин + 675 °С, 30 мин;
охлаждение на воздухе
В интервале 680−600 °С (∆Т ≤ 100 °С) межпластиночное рассто-
яние 0,2−0,4 мкм. Это − сорбит.
В интервале 600−500 °С (∆Т > 100 °С) очень тонкая эвтектоид-
ная смесь с межпластиночным расстоянием ≤ 0,1 мкм. Это − тро-
остит.
Зависимость межпластиночного расстояния (l, нм) от переохла-
ждения (∆Т) эвтектоидной стали (0,8 % С) можно представить как
lgl = 3 − 9
⋅ 10
−3
∆Т. (25.3)
При непрерывном охлаждении углеродистой эвтектоидной ста-
ли указанные структуры образуются в следующих условиях
(рис. 25.13):
перлит − при охлаждении с печью со скоростью несколько гра-
дусов в минуту;
сорбит − при охлаждении на воздухе со скоростью несколько
десятков градусов в минуту;
троостит − при охлаждении в масле со скоростью несколько де-
сятков градусов в секунду.
Перлитное превращение в эвтектоидной стали протекает при
диффузионном распаде аустенита в интервале от
1
c
A
до температур
вблизи изгиба («носа») С-образной кривой (см. рис. 25.13). Ниже
изгиба в интервале примерно 500−250 °С (∆Т > 200 °С) характер
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)