НОВОСТИ   БИБЛИОТЕКА   КАРТА САЙТА   ССЫЛКИ   О ПРОЕКТЕ  





предыдущая главасодержаниеследующая глава

§ 26. Углеродистые стали

Основным легирующим компонентом в этих сталях является углерод; содержание его от 0,01 до 2,1%. Кроме того, в углеродистых сталях имеется марганец (0,1 - 1,5%), кремний (0,05 - 0,5%), сера и фосфор (от нескольких тысячных до десятых долей процента), а также кислород, азот и водород (не более 0,01% в сумме). Сплавы, в которых углерода менее 0,1 % называют также техническим железом.

Углерод весьма сильно сказывается на механических свойствах рассматриваемой группы сталей. Если сравнивать свойства металла после горячего деформирования в аустенитной области и охлаждения на воздухе, то при 0,1% С предел прочности составляет 200 - 300 МПа, а при 0,8% С 800 - 900 МПа. Это изменение прочности объясняется тем, что с ростом содержания углерода в структуре сплавов непрерывно увеличивается количество эвтектоидной составляющей - перлита. При 0,8% С сталь приобретает полностью эвтектоидное строение и наибольшую прочность. Одновременно с ростом прочности отмечается увеличение твердости НВ (50 - 270) и падение относительного удлинения от 40 до 10%. Дальнейшее увеличение содержания углерода (до 1,5%) связано с появлением в структуре сплавов вторичного цементита в виде прослоек по границам бывших зерен аустенита. Твердые, но хрупкие выделения цементита, появляющиеся во все возрастающем количестве, продолжают повышать твердость стали, которая возрастает до НВ (300 - 350). Относительное удлинение падает до 1 - 2%, а прочность снижается до 500 МПа.

Марганец в углеродистых сталях входит в твердый γ-или α-раствор, несколько упрочняя его. Однако главная роль марганца в углеродистых сталях заключается в раскислении металла и обезвреживании серы. Марганец вводят в жидкую сталь для связывания растворенного в металле кислорода. Образующаяся закись марганца переходит в шлак. Чтобы обеспечить наиболее полное удаление кислорода, марганец добавляют с избытком, так что в стали всегда остается 0,2 - 0,3% этого металла. Действие марганца при обезвреживании серы будет рассмотрено ниже. Марганец способен образовывать собственные карбиды, но в углеродистых сталях, где его немного, он лишь частично входит в состав цементита, замещая в нем железо.

Кремний в углеродистых сталях в основном выполняет роль раскислителя, и его так же, как и марганец, добавляют в сталь в избыточном количестве, чтобы достичь наиболее полного удаления кислорода из расплава.

Сера - одна из наиболее вредных примесей в сталях, так как уже сотые доли процента этой примеси вызывают появление в структуре эвтектики железо - сульфид железа, плавящейся при 988°С. Легкоплавкие сульфидные включения, имеющие вид прослоек между зернами, резко затрудняют горячую пластическую обработку и вызывают разрушение стали. Добавляемый в сталь марганец в значительной мере переходит в сульфидные включения, которые делаются более тугоплавкими, и, кроме того, меняют свою форму. Вместо протяженных тонких прослоек между зернами и ветвями дендритов сульфидные включения становятся округлыми и изолированными одна от другой частицами. Это происходит из-за того, что в тройной системе железо - сера - марганец имеется область, где в ходе кристаллизации происходит монотектическая реакция, и из металлического расплава выделяются несмешивающиеся с ним капли сульфидного расплава. Таким образом, в присутствии марганца в твердой стали сера оказывается связанной в сравнительно тугоплавкие и изолированные включения. В таком виде сера не столь губительно влияет на пластические свойства стали и в меньшей степени осложняет горячую пластическую обработку. В ходе горячего деформирования сульфидные включения вытягиваются вдоль направления течения металла. Сера попадает в сталь из руды и из кокса при выплавке чугуна. Содержание ее в углеродистых сталях в среднем не превышает 0,05%.

Фосфор образует с железом соединение Fe3P. В системе железо - фосфид железа имеется эвтектика с точкой плавления 1050°С . Растворимость фосфора в кристаллах железа при этой температуре равна 3%. Однако из-за неравновесной кристаллизации и в присутствии углерода и кремния эвтектика появляется уже при 0,5% Р. Главная опасность от присутствия фосфора состоит в том, что он резко охрупчивает сталь. Поэтому в углеродистых сталях содержание фосфора ограничивается в среднем 0,05%.

Кислород в углеродистых сталях является вредной примесью, вызывающей хрупкость при 250°С и при минусовых температурах. Содержание кислорода обычно составляет 0,02 - 0,04%. При плавке углеродистые стали поглощают до нескольких десятых долей процента кислорода. Перед разливкой сталь раскисляют, вводя в нее марганец, кремний и алюминий, которые переводят кислород в нерастворимые окиси и затем в шлак. Некоторые сорта стали разливают нераскисленными ("кипящая" сталь). При остывании и кристаллизации нераскисленных сталей в них выделяются окись углерода, образуя пузыри и вызывая "кипение". Таким образом, в "кипящей" стали кислород находится как в твердом растворе, так и в виде окиси углерода, заполняющей пузыри. В нормально раскисленной стали содержание кислорода в растворе значительно меньше. Он главным образом присутствует в виде так называемых неметаллических включений (см. ниже).

Водород в углеродистых сталях содержится в количестве нескольких десятитысячных процента и весь входит в раствор, не образуя самостоятельных фаз. При повышенном содержании водород усугубляет брак по флокенам - трещинам, появляющимся при горячем деформировании металла. Водород попадает в сталь при плавке в результате взаимодействия расплава с парами воды.

Азот при повышенных температурах входит в твердый раствор на основе феррита до десятой доли процента. Понижение температуры резко снижает растворимость азота (до 0,001% при 100°С), и в структуре появляются частицы нитрида железа Fe4N, заметно снижающие пластичность металла при комнатных и особенно при отрицательных температурах. Обычно в углеродистых сталях содержится 0,002 - 0,008% N.

Углеродистые стали, загрязненные перечисленными элементами, содержат неметаллические включения в виде округлых или угловатых частиц размером от 1 - 2 мкм до 0,5 мм, вкрапленные в металлическую матрицу. Эти включения появляются в жидкой стали в результате раскисления, обессеривания и просто из-за захвата капель шлака или частиц огнеупоров. Неметаллические включения большей частью состоят из окиси кремния (до 50%) или окиси алюминия (до 60%) со значительной долей закиси железа (15 - 40%). Нередко неметаллические включения имеют сложное строение, и в их состав наряду с окислами входят и сульфиды. Количество неметаллических включений часто может доходить до 0,1% (по массе).

Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конверторным способами. Наиболее качественные сорта углеродистых сталей получают в дуговых электропечах.

Как уже отмечалось, при плавке сталь насыщается кислородом. Если разливают нераскисленный металл, получают кипящую сталь, что отражается в ее марке буквами кп. Частично раскисленная сталь называется "полуспокойной" и обозначается пс. Полностью раскисленная сталь носит название "спокойной" и обозначается сп. Механические свойства кипящей, полукипящей и спокойной стали при одинаковом содержании углерода практически совпадают. Однако кипящие стали содержат меньше кремния, поскольку не подвергались раскислению. По этой же причине они менее загрязнены неметаллическими включениями - продуктами раскисления. Все это обусловливает большую пластичность кипящих сталей, особенно при листовой штамповке. Газовые пузыри в слитке кипящей стали, образованные окисью углерода, практически нацело завариваются в ходе горячей обработки давлением и поэтому не сказываются на свойствах деформированного металла.

Основной недостаток кипящей стали - хладноломкость, т. е. резкое падение пластических свойств при ударных нагрузках в условиях пониженных температур. Хладноломкость кипящих сталей начинает проявляться уже с -10°С. Причина хладноломкости заключается в распаде раствора кислорода в железе и выделении частиц закиси железа. Хладноломкость спокойных сталей проявляется ниже -40°С, но они менее пластичны при комнатной температуре и сильнее загрязнены неметаллическими включениями, В неметаллических включениях в спокойных сталях содержится много окиси алюминия, образующейся в ходе окончательного раскисления расплава алюминием.

Углеродистые стали как кипящие, так и спокойные, делятся на стали обыкновенного качества, качественные конструкционные и высококачественные. Различие между этими группами сталей заключается в содержании вредных примесей серы и фосфора. В стали обыкновенного качества этих примесей допускается по 0,05% каждой, в качественной - не более 0,035%, в высококачественной - менее 0,025%. Сталь обыкновенного качества составляет до 80% всего объема производства. Эта сталь имеет 7 марок (Ст0 - Ст6), отличающихся содержанием углерода, которое возрастает от 0,06 до 0,50%. Цифры в марках стали не отражают содержание углерода и являются просто порядковыми номерами. Каждая марка может соответствовать кипящей, полуспокойной и спокойной стали.

Стали обыкновенного качества подразделяются еще на три группы - А, Б, В. Стали группы А поставляются потребителям по механическим свойствам без указания состава. Эти стали имеют σв от 300 до 500 МПа и δ - от 30 до 12%. Чем больше цифра в марке, тем выше прочность и ниже пластические свойства стали. Стали группы А применяются в состоянии поставки без термической обработки. Пример обозначения стали этой группы - Ст3пс, Ст6пс, Ст1пс. Стали группы Б поставляют не по механическим свойствам, а по химическому составу. Эти стали предназначены для термической обработки, с помощью которой сам потребитель добивается нужного уровня свойств. Примеры обозначения - БСт1кп, БСтЗкп, БСтЗсп, БСт6пс. Стали группы В поставляются и по химическому составу, и по механическим свойствам. Обозначаются так же, как стали группы Б, но в марке ставится соответственно В. Во всех сталях обыкновенного качества содержание марганца в зависимости от марки колеблется от 0,25 до 0,80%, содержание кремния-от 0,05 до 0,35%.

Качественные углеродистые стали, как отмечалось, содержат не более 0,035% S и Р порознь. Содержание углерода составляет 0,08 - 0,85%. В некоторых сортах качественных углеродистых сталей намеренно предусмотрено повышенное содержание марганца (0,8 - 1,2%). Качественные стали обозначаются марками, в которых первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, затем указывается степень раскисленности (кп, пс, сп). Повышенное содержание марганца отражается в марке большой буквой Г. Примеры обозначения качественной углеродистой стали: 08 кп - сталь кипящая с 0,08% С, 30 сп - сталь спокойная с 0,30% С, 70 Г - сталь с 0,70% С и 1% Мn (при 1% Мп сталь может быть только спокойной). Качественные стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам. Эти стали при малом содержании углерода (до 0,30%) термически не обрабатываются и используются в состоянии поставки. При больших содержаниях углерода они могут быть подвергнуты закалке и отпуску. Качественные углеродистые стали, содержащие 0,7 - 1,3% С, называют инструментальными, так как из них изготавливают мерительный и режущий инструмент. Эти стали обозначаются У8 - У13. Большая буква в марке означает углерод, а цифра - его содержание в десятых долях процента.

Высококачественные углеродистые стали отличаются пониженным содержанием вредных примесей. В марках это отражается большой буквой А, стоящей в самом конце. Например, марка У10А означает инструментальную углеродистую сталь в 1% углерода высокого качества (серы и фосфора не более 0,025% каждого).

Основную массу углеродистой стали выпускают в виде полуфабрикатов, полученных горячей пластической обработкой. Холоднодеформированные полуфабрикаты (листы, проволока, прутки) имеют, естественно, более высокие прочностные свойства. Так, холодная деформация может вызвать рост предела прочности стали, содержащей 0,2% С, от 400 до 1500 МПа, а стали с 0,8% С - от 1000 до 2000 МПа.

По назначению углеродистые стали делятся на строительные, котельные, машиностроительные, пружинные, инструментальные. Строительные и котельные стали содержат не более 0,25% С, так как они должны хорошо свариваться, а углерод ухудшает свариваемость - шов получается хрупким. В машиностроении широко используют среднеуглеродистые стали (стали 30, 35, 40, 45), которым придают нужное сочетание прочности и пластичности с помощью термической обработки. Малоуглеродистые стали используют в машиностроении для деталей, подвергаемых химико-термической обработке - цементации, которая обеспечивает высокую твердость поверхностному слою при сохранении высоковязкой сердцевины. Рельсы изготавливают из углеродистой стали с 0,5 - 0,7% С. Для изготовления пружин и рессор используют сталь с таким же содержанием углерода, но с обязательной термической обработкой. Проволоку разного назначения изготавливают из стали с 0,1 - 0,9% С, инструмент - из стали с 0,6 - 0,8% С. Инструмент, не испытывающий при работе ударов, изготавливают из сталей с большим содержанием углерода (0,8 - 1,4%). Термическая обработка здесь обязательна.

Особую группу углеродистых сталей составляют так называемые автоматные стали, в которых намеренно сохранено или введено повышенное количество серы и фосфора. В этих сталях предусмотрено повышенное содержание марганца (не менее 0,6%) чтобы сделать возможной горячую обработку давлением. Хрупкие сернистые включения резко облегчают обработку резанием, позволяют получать сыпучую стружку и чистую без заусенцев поверхность. Это свойство очень ценно при массовой обработке деталей на автоматических линиях. Автоматные стали содержат 0,1 - 0,3% S; 0,1 - 0,5% Р и от 0,08 до 0,45% С. Марки автоматных сталей начинаются с большой буквы А, затем следует цифра, указывающая содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание марганца составляет около 1%, то в конце марки ставят большую букву Г. Например, маркой А20 обозначают автоматную сталь с 0,15 - 0,25% С. В этой стали имеется 0,1% S и около 0,06% Р; маркой А40Г обозначают автоматную сталь с 0,35 - 0,45% С и 1,2 - 1,5% Мn. Эта сталь содержит 0,25% S и около 0,1% Р.

Горячее деформирование углеродистых сталей производится при температурах, соответствующих аустенитной области и на 100 - 150°С ниже солидуса. Практически это означает, что при содержании 0,1% С в стали горячую обработку ведут при 1200 - 1300°С. С ростом содержания углерода температуру горячей обработки снижают. Стали с 1,5% С и более богатые углеродом обрабатывают при 1000°С . Отжиги углеродистой стали после холодной обработки производят ниже эвтектоидной температуры (при 650 - 700°С).

Углеродистые стали используют и для получения фасонных отливок. Содержание углерода в сталях для фасонного литья составляет от 0,15 до 0,55%. Во всех литейных сталях содержится кремний (0,2 - 0,4%) и марганец (0,3 - 0,9%). Примесь серы допускается до 0,06 - 0,08%, фосфора - до 0,08%. При получении фасонных отливок вред этих примесей выражается в том, что они вызывают образование горячих трещин (см. § 18). Кроме того, сера и фосфор очень сильно ликвируют при кристаллизации металла, и поэтому отдельные участки отливок могут заметно обогащаться этими вредными примесями. Стали при указанном содержании углерода обладают сравнительно небольшим интервалом кристаллизации и поэтому в фасонных отливках из них усадка проявляется в виде сосредоточенных раковин| Углеродистые стали для фасонного литья обозначают марками, в которых цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента, а большая буква Л указывает, что это литейный сплав (например, сталь 25Л). Отливки из углеродистых сталей обладают грубой микроструктурой (так называемой видманштеттовой структурой) с крупными и ориентированными в одном направлении выделениями феррита. Это происходит из-за длительного пребывания стали в аустенитной области, где сильно вырастает зерно, и замедленного охлаждения в ходе превращений Аr3 и Аr1. Кроме того, в литой стали сильно развита дендритная неоднородность как следствие неравновесной кристаллизации. Грубая микроструктура и дендритная неоднородность обусловливают низкие механические свойства, главным образом низкую ударную вязкость. Поэтому фасонные отливки из углеродистых сталей всегда подвергают термической обработке: гомогенизации (нагреву и выдержке вблизи солидуса) и фазовой перекристаллизации (нагреву выше превращений Аr3 и ускоренному охлаждению). Термическая обработка стали более подробно изложена в § 27.

Особую группу литейных углеродистых сталей представляют так называемые графитизированные стали, содержащие 1,3 - 1,7% С, 0,7 - 1,25% Si, 0,20 - 0,50% Мn. В литом состоянии эта сталь очень хрупка и тверда, так как имеет в структуре много цементита в составе ледебуритной эвтектики. После литья фасонные отливки из этой стали вначале отжигают при 820 - 840°С для разложения вторичного цементита, входящего в ледебурит, на аустенит и графит. Затем отжиг ведут при 700 - 720°С для частичного разложения цементита в перлите, который появился из-за распада аустенита. По окончании таких графитизирующих отжигов, длящихся 15 - 20 ч, сталь приобретает структуру зернистого перлита с включениями свободного графита. В графитизированной стали удачно сочетаются прочностные и пластические свойства (σв = 850 МПа и δ = 6%), обеспечивающие надежную работу при ударных нагрузках. Кроме того, она неплохо работает как антифрикционный материал. Из графитизированной стали отливают коленчатые валы, траки, вкладыши крупных подшипников.

предыдущая главасодержаниеследующая глава

По минимальной цене крем регенерирующий восстанавливающий для рук элен 100мл у нас на сайте. . Самая актуальная информация нержавеющая сетка тут.








© Злыгостев А.С., 2010-2019
При использовании материалов сайта активная ссылка обязательна:
http://metallurgu.ru/ 'Библиотека по металлургии'
Рейтинг@Mail.ru