Класифікація сталей
Вуглецеві сталі класифікують за такими ознаками: за якістю, за призначенням, за вмістом вуглецю, за структурою.
За якістю, котра визначається вмістом шкідливих домішок, зокрема сірки та фосфору, сталі поділяють на: сталі звичайної якості; сталі якісні; сталі високоякісні.
За призначенням вирізняють дві групи сталей — конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі використовують для виготовлення елементів конструкцій та деталей машин, а інструментальні сталі — для виготовлення різального (призначеного для оброблювання різанням) і вимірювального інструменту. Серед конструкційних сталей виокремлюють: сталі мостові, сталі з підвищеною оброблюваністю різанням (автоматні), ресорно–пружинні тощо.
За вмістом вуглецю сталі поділяють на: сталі маловуглецеві, сталі середньовуглецеві, сталі багатовуглецеві. Вміст вуглецю в маловуглецевих сталях є в межах від 0,02 % до 0,30 %, у середньовуглецевих — від 0,35 % до 0,55 %, а в багатовуглецевих — від 0,60 % до 2,14 %.
За структурою в рівноважному стані вуглецеві сталі поділяють на: евтектоїдні, котрі містять близько 0,76 % вуглецю, із структурою перліт (рис. 1.2, г, д); доевтектоїдні з вмістом вуглецю від 0,022 % до 0,76 % — структура складається з перліту та надлишкового фериту (рис. 1.2, б, в); заевтектоїдні з вмістом вуглецю від 0,76 % до 2,14 % — структура складається з перліту та надлишкового цементиту вторинного (рис. 1.2, ж). Залізовуглецеві сплави, котрі містять вуглець в кількостях менших за 0,02 % називають технічним залізом. Структура технічного заліза складається тільки з фериту, якщо вміст вуглецю при кімнатній температурі не перевищує 0,008 %, або з фериту та цементиту третинного — при вмісті вуглецю від 0,008 % до 0,022 %.
а |
б |
в |
г |
д |
ж |
а – технічне залізо, 500; б, в – доевтектоїдні сталі відповідно з 0,35; 0,55 % С, 200; г, д – евтектоїдні сталі зі структурами пластинчастого та зернистого перліту, 200; ж – заевтектоїдна сталь з 1,0 % С, 200;
1 – ферит; 2 – цементит третинний; 3 – перліт; 4 – цементит вторинний;
Рисунок 1.2 — Мікроструктури технічного заліза та вуглецевих сталей
За ступенем дезоксидації та умовами проведення процесу розрізняють сталі: киплячі (в марці скорочено позначають «кп»); напівспокійні («пс»); спокійні («сп»).
Киплячі сталі дезоксидують тільки фероманґаном, тому розплав містить підвищену кількість FeO, який взаємодіє з розчиненим у ньому Карбоном і утворює СО, бульбашки якого створюють ефект кипіння металу і викликають пористість злитків.
Спокійні сталі одержують повною дезоксидацією металевого розплаву фероманґаном, феросиліцієм та алюмінієм у печі, а потім – у ковші. Вони кристалізуються без виділення газів під час охолодження злитків.
Напівспокійні сталі за ступенем дезокисдації та механічними властивостями займають проміжне положення.
Сталі трьох способів дезоксидації мало відрізняються за статичною міцністю – границі текучості та міцності у спокійних та напівспокійних сталей тільки на 10...20 МПа вищі, ніж у киплячих. Проте за ударною в'язкістю та температурою переходу з в'язкого у крихкий стан киплячі сталі істотно поступаються спокійним. Сталі трьох способів дезоксидації мають також різну пластичність, що зумовлено неоднаковою масовою часткою Силіцію. Вона найбільша в спокійній сталі (0,15...0,30 %) і найменша – в киплячій (до 0,05 %). Унаслідок меншої концентрації Силіцію в фериті киплячі сталі найпластичніші, але найбільш схильні до деформаційного старіння.
За якістю, яку визначає вміст шкідливих домішок (Сульфуру та Фосфору), розрізняють сталі звичайної якості, якісні та високоякісні.
Сталі звичайної якості, особливо киплячі, найдешевші. У процесі виробництва їх найменше очищають від шкідливих домішок. Сталі розливають у великі зливки, тому в них розвинута ліквація хімічних елементів, і вони містять значну кількість неметалевих фаз.
Якісні сталі виробляють з дотриманням жорсткіших вимог щодо складу шихти (насамперед наявності шкідливих домішок), ведення процесу варіння сталі та розливання. В конструкційних якісних сталях вміст Сульфуру не перевищує 0,040 %, а Фосфору — 0,035 %. Масова частка шкідливих домішок в якісних інструментальних сталях ще менша — 0,028 % S та 0,030 % P. Також у них обмежують кількість сульфідів, фосфідів, силікатів, оксидів та нітридів, регламентують макро- та мікроструктуру.
Високоякісні інструментальні вуглецеві сталі містять не більше 0,018 % S й 0,025 % P.
Дефекти структури сталей виникають у разі недотримання технологічних процесів виробництва сталі та подальшої обробки напівфабрикатів та виробів.
Нагрівання сталі до високих температур і тривала витримка за таких умов викликає утворення грубого аустенітного зерна, розмір якого після охолодження успадковують ферит та перліт. Сталь з такою структурою називають перегрітою (рис. 1.3, а). Грубозерниста структура є причиною крихкого руйнування. У структурі перегрітої сталі часто спостерігають відманштеттову структуру з характерною пластинчастою формою зерен фериту (рис. 1.3, б). Обидва дефекти структури виправляють відпалом.
а |
б |
в |
а – перегріта струтктура; б – відманштеттова структура; в – рядкова структура; 1 – ферит; 2 – перліт
Рисунок 1.3 — Дефекти мікроструктур вуглецевих сталей, 100
Рядковість у розташуванні фериту та перліту (рис. 1.3, в) приводить до значної анізотропії механічних властивостей та погіршення здатності оброблятися різанням. Рядковість може викликати недотримання технологічного процесу гарячої обробки тиском. Значно частіше вона виникає внаслідок забруднення сталі неметалевими часточками (переважно сульфідами, але й оксидами, силікатами, нітридами), а також через ліквацію фосфору. Рядковість структури, яка викликана неметалевими часточками, не виправляється відпалом.