Классификация углеродистых сталей
По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8% углерода, структура которой состоит из феррита и перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8% углерода, структура которой состоит только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8-2,14% углерода; её структура состоит из зёрен перлита, окаймлённых сеткой цементита.
По способу производства различают стали, выплавляемые в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.
По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные и спокойные стали.
Кипящая сталь – сталь, раскислённая не полностью (только ферромарганцем), поэтому она при заливке и при кристаллизации продолжает «кипеть». В результате свободного кипения из неё более полно выходят неметаллические включения – различные оксиды FeO, SiO2, MnO. Эта сталь отличается повышенной пластичностью, хорошо штампуется, сваривается.
Спокойная сталь - сталь, полностью раскислённая ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Из спокойной стали изготавливают рельсы, колёса, оси, пружины, а также другие детали подвижного состава, испытывающие большие нагрузки. Такую сталь используют также для изготовления металлических пролётов мостов.
Полуспокойная сталь – сталь, раскислённая в меньшей степени, чем спокойная. По свойствам она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.
По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.
Низкоуглеродистые стали содержат углерода до 0,25%; очень пластичны, но сравнительно малопрочны, используются для изготовления малонагруженных деталей и конструкций, в том числе сварных.
Среднеуглеродистые стали содержат углерода от 0,3 до 0,6% и сочетают в себе достаточно высокий комплекс вязкостно-прочностных свойств. Считаются основным конструкционным материалом в общем и транспортном машиностроении. Эти стали чувствительны к росту зерна при нагреве; закаливаются в воде.
Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,7 до 1,3%; обладают очень высокой твёрдостью и низкими пластичностью, вязкостью и свариваемостью. При нагреве эти стали чувствительны к росту зерна, склонны к образованию трещин при закалке в воде; в небольших сечениях (20 мм) закаливаются в масле.
По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные углеродистые стали используют в машиностроении и строительном деле.
Инструментальные углеродистые стали являются сталями высокоуглеродистыми (содержание углерода 0,7-1,3%), что гарантирует им высокую твёрдость, необходимую для придания инструменту режущих свойств и износостойкости. Марки качественных сталей: У7, У8, У9, У10, У11, У12 и У13. Марки высококачественных сталей: У7А, У8А, У9А, У10А, У11А, У12А, У13А. В маркировке буква У обозначает, что сталь углеродистая, число указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента, буква А – улучшенное металлургическое качество.
По качеству различают стали обыкновенного качества и качественные стали. Стали обыкновенного качества содержат не более 0,05% серы и не более 0,04% фосфора. Стали обыкновенного качества изготавливают по ГОСТ 380-88. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1 ,…, Ст6. Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки стали в зависимости от её химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная.
Качественные стали содержат не более 0,04% серы и не более 0,035% фосфора, они менее загрязнены неметаллическими включениями и газами. Качественные стали имеют более высокие пластичность и вязкость, особенно при низких температурах. Качественные стали предпочтительнее для изготовления изделий, эксплуатируемых при низких температурах, в частности, в условиях Севера и Сибири. Качественные углеродистые стали выплавляются в электропечах, кислородных конвертерах и мартеновских печах по ГОСТ 1050-88. Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10,…, 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Конструкционные углеродистые качественные стали получают при более строгом соблюдении технологии выплавки и содержание в них вредных примесей (серы и фосфора) не должно превышать 0,03% каждого. Их маркировка состоит из двузначного числа, указывающего на содержание углерода в сотых долях процента: 05, 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65,70,75,80,85.
Легированные стали
Общая характеристика
Легирующими элементами называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения её строения и свойств. Соответственно стали, содержащие легирующие элементы, называются легированными. Легированные стали используют для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения, так как они обладают значительно более высокими характеристиками.
Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере прогресса техники. Легирование производится с целью изменения механических (прочности, пластичности, вязкости), физических (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических (коррозионной стойкости в разных средах) свойств.
Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, и поэтому применять их без термической обработки нерационально.
Основными легирующими элементами являются хром, никель, марганец, кремний, молибден, ванадий, алюминий, медь, титан, бор.
На рисунке 8.1 видно, что все основные легирующие элементы повышают твёрдость феррита. При этом хром и особенно никель почти не уменьшают вязкости стали. Никель наиболее сильно снижает порог хладноломкости. Кроме того, никель, хром, марганец и некоторые другие элементы увеличивают прокаливаемость стали. Возможность достижения высокой прочности, пластичности, вязкости, прокаливаемости делает никель и хром важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.
Карбиды в легированных сталях
Карбидообразующими легирующими элементами называют элементы, обладающие большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: железо – марганец – хром – молибден – вольфрам – ниобий – цирконий – титан.
При введении сравнительно небольших количеств легирующего карбидообразующего элемента в сталь, он сначала растворяется в цементите, заменяя часть атомов железа, при этом образуется легированный цементит.
Классификация легированных сталей
По равновесной структуре стали делятся на: доэвтектоидные с избыточным ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами, ледебуритные стали, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся их жидкой стали.
По структуре после охлаждения на воздухе различают: перлитные стали, характеризующиеся низким содержанием легирующих элементов и соответственно невысокой устойчивостью переохлаждённого аустенита; мартенситные стали со средним содержанием легирующих элементов и соответственно высокой устойчивостью аустенита и аустенитные стали, содержащие юольшое количество легирующих элементов и сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре.
По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5% легирующих элементов, среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные стали, содержащие более 10% легирующих элементов.
По назначению различают две группы сталей: конструкционные и инструментальные.
В конструкционные легированные стали для улучшения их служебных свойств вводят такие химический элементы, как хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, бор и другие, а также марганец и кремний в количествах, превышающих их обычное содержание в углеродистых сталях.
Конструкционные легированные стали в сравнении с углеродистыми обладают более высокими вязкостно-прочностными свойствами. Это объясняется тем, что: 1) все они (кроме марганцевых сталей) имеют мелкозернистую структуру; 2) глубже прокаливаются; 3) закаливаются не в воде, а в масле ( а некоторые на воздухе), благодаря чему у них образуются очень малые закалочные напряжения, и поэтому они имеют более высокие пластичность и вязкость; 4) при их отпуске требуется более высокая температура и время выдержки, чем для углеродистых сталей, вследствие чего в них полнее снимаются закалочные напряжения и вязкость оказывается выше.
Инструментальные легированные стали применяют для изготовления мерительного, режущего и ударно-штамповочного инструментов. Эти стали должны быть твёрдыми и износостойкими, сохранять геометрические размеры в течение длительного времени. Указанные свойства достигаются в результате относительно высокого содержания углерода (0,8-1,0%) и при наличии карбидообразующих элементов, главным образом хрома. Образующаяся у них после закалки и низкого отпуска структура обеспечивает высокие режущие свойства инструмента.
Коррозионностойкими (нержавеющими) называют стали стойкие к действию химической и электрохимической коррозии, т. е. обладающие стойкостью к разрушающему воздействию атмосферных условий, речной и морской воды, растворов солей, кислот и щелочей. Основным легирующим элементом всех марок нержавеющих сталей является хром. На металлическом изделии при содержании хрома не менее 12% образуется тонкая сплошная плотная плёнка окисла хрома Cr2O3, которая и предохраняет сталь от коррозии.