16.Углеродистые стали

По химическому составу различают углеродистые и легированные стали Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14 % углерода (С) при малом содержании других элементов. Они обладают высокой пластичностью и хорошо деформируются. Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания. Углеродистые стали можно классифицировать по нескольким параметрам: По качеству По способу раскисления (см. ниже) По качеству Стали обыкновенного качества Изготавливаются по ГОСТ 380-71. Обозначают буквами Ст и условными номерами от 0 до 6, например: Ст 0, Ст 1, ..., Ст 6. Степень раскисления обозначают буквами сп (спокойная сталь), пс (полу­спокойная), кп (кипящая), которые ставят в конце обозначения марки стали. В зависимости от назначения различают три группы сталей обыкновенного качества: А, Б и В. В марках указывают только группы Б и В, группу А не указывают. Группа А поставляются только по механическим свой­ствам, химический состав сталей этой группы не регламентируется, он только указывается в сертификатах завода-изготовителя. Стали этой группы обычно используются в изделиях в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше ее прочность и меньше пла­стичность. Группа Б поставляется только с гарантируемым химическим составом. Чем больше цифра условного номера стали, тем выше содержание углерода. Эти стали в дальнейшем могут подвергаться деформации (ковке, штамповке и др.), а в отдельных случаях и термической обработке. При этом их первоначальная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава стали позволяет определить температурный режим горячей обработки давлением и термообработки. Группа В могут подвергаться сварке. Их поставляют с гарантированным химическим составом и гарантированными свойствами. Стали этой группы маркируются буквой В и цифрой, например — В СтЗпс. Эта сталь имеет механические свойства, соответствующие ее номеру по группе А, а химический состав — номеру по группе Б с коррекцией по способу раскисления. Качественные углеродистые стали Этот класс углеродистых сталей изготавливается по ГОСТ 1050—74. Качественные стали поставляют и по химическому составу, и по механическим свойствам.. К ним предъявляются более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04 %, фосфора не более 0,035 %), неметаллических вклю­чений и газов, макро- и микроструктуры. Качественные углеро­дистые стали маркируют двузначными цифрами 08, 10, 15, ..., 85, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях про­цента с указанием степени раскисленности (кп, пс). Качественные стали делят на две группы: с обычным содержанием марганца (до 0,8 %) и с повышенным содержанием (до 1,2 %). При обозна­чении последних в конце марки ставится буква Г, например 60 Г. Марганец повышает прокаливаемость и прочностные свойства, но несколько снижает пластичность и вязкость стали. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисленности: кп, пс. В случае спокойной стали степень раскисленности не указывается. По содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются: низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3—0,55 % С) высокоуглеродистые (0,6—0,85 % С). Для изделий ответственного назначения применяют высоко­качественные стали с еще более низким содержанием серы и фос­фора. Низкое содержание вредных примесей в высококачествен­ных сталях дополнительно удорожает и усложняет их производ­ство. Поэтому обычно высококачественными сталями бывают не углеродистые, а легированные стали. При обозначении высоко­качественных сталей в конце марки добавляется буква А, напри­мер сталь У10А. Углеродистые стали, содержащие 0,7—1,3 % С, используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Их марки­руют У7, У13, где У означает углеродистую сталь, а цифра — содержание углерода в десятых долях процента.

По способу раскисления Кипящие Содержат до 0,05% кремния, раскисляются марганцем. Имеют резко выраженную химическую неоднородность в слитке. Их преимущества – высокий выход годного продукта (более 95%), хорошая способность к штамповке в холодном состоянии. Недостатки –повышенный порог хладноломкости и невозможность широкого использования для территорий с холодным климатом. Полуспокойные Содержат 0,05- 0,15% кремния, раскисляются марганцем и алюминием, выход годного продукта –90-95%. Спокойные Содержит 0,15-0,35% кремния, раскисляется кремнием, марганцем и алюминием. Выход годного – около 85%, однако, металл имеет более плотную структуры и однородный химический состав.

17.Превращения в сталях при ТО Превращения в стали при нагреве и охлаждении 4.2.1. Перлитное превращение аустенита 4.2.2. Мартенситное превращение  4.2.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита Рассмотрим превращения на примере эвтектоидной стали. В соответствии с диаграммой Fe-Fe₃C при нагреве стали перлит превращается в аустенит при температуре 727 С (критическая точка Ас₁). Однако в реальных условиях такое превращение при отмеченной температуре происходить не может, так как в данном случае имеет место равенство свободных энергий (Е) перлита и аустенита, т.е. температура Ас₁ является равновесной (рис. 46). Следовательно, для превращения перлита в аустенит температура нагрева должна быть обязательно немного выше 727 С, а для превращения аустенита в перлит – немного ниже. Другими словами должны иметь место перенагрев (в первом случае) и переохлаждение – во втором. От этих параметров во многом зависит величина зерна, а, соответственно, и свойства продуктов превращений.  

4.2.1. Перлитное превращение аустенита При медленном охлаждении эвтектоидной стали, нагретой выше температуры Ас₁, аустенит распадается на механическую смесь феррита и цементита, то есть образуется перлит. Повышая скорость охлаждения, т.е. увеличивая степень переохлаждения, можно изменить механизм и кинетику превращения и, соответственно, структуру и свойства продуктов распада. Процессы распада переохлажденного аустенита подразделяются на перлитное, промежуточное и мартенситное. Кинетику распада удобнее всего рассматривать при изотермических условиях по диаграммам изотермического распада аустенита (рис. 47). Диаграммы строятся на основе экспериментальных данных в координатах температура – время (по логарифмической шкале). Образцы, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносятся в ванны, имеющие температуры ниже равновесной и выдерживаются до полного превращения. При этом фиксируются изменения какого-нибудь свойства (например, аустенит парамагнитен, а продукты распада аустенита ферромагнитны), тем самым, определяя время начала и конца превращений. Соединяя точки, соответствующие началу (а₁, а₂…а_n) и концу (в₁, в₂…в_n) превращений получают две С-образные кривые, разделяющие диаграмму на три области: область, находящаяся левее С-образных кривых, соответствует переохлажденному аустениту; область, расположенная между кривыми – область, в которой происходят превращения; область, лежащая правее С-образных кривых, соответствует продуктам распада аустенита.

 Горизонтальными линиями отмечаются области, соответствующие устойчивому аустениту и образования мартенсита. Линия Мн соответствует температуре начала образования мартенсита, а Мк – конца образования. Превращение аустенита при температурах в интервале Аr₁…550 С называется перлитным, а интервале 550 С…Мн – промежуточным. При перлитном превращении в результате распада аустенита образуются пластинчатые структуры перлитного типа, строение которых зависит от температур превращения. Если превращение происходит при температурах чуть ниже Аr₁ (при малых степенях переохлаждения), образуется сравнительно грубая смесь пластинок феррита и цементита с межпластиночным расстоянием l = 0,6…1 мкм. Такая смесь называется собственно пластинчатым перлитом. При увеличении степени переохлаждения, когда превращение совершается при 640…590 С, возникает феррито-перлитная смесь с межпластинчатым расстоянием 0,25…0,3 мкм. Такая структура называется сорбитом [от имени англ. ученого Г.К. Сорби (Н.С. Sorby)]. При степени переохлаждении 150…180 С межпластинчатое расстояние уменьшается до 0,1…0,15 мкм. Такая структура называется трооститом [от имени франц. ученого Л.Ж. Труста (L.-J. Troost)]. При увеличении дисперсности феррито-цементитной смеси повышаются прочность и твердость стали, но уменьшается вязкость. Наилучшую пластичность и вязкость имеет структура сорбита.  4.2.2. Мартенситное превращение Область образования мартенсита на диаграмме изотермического распада аустенита показана условно, так как не только в эвтектоидной, но и в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не происходит. Оно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн…Мк. В случае любой изотермической выдержки в этом интервале температур превращение реализуется не до конца, что приводит к наличию в структуре остаточного аустенита, т. е. происходит его стабилизация. Характерной особенностью мартенситного превращения является его бездиффузионный характер. При большой степени переохлаждения углерод не успевает диффундировать из решетки аустенита и образовать частицы цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Однако полиморфное превращение Fe_Fe_ протекает и углерод остается в решетке -железа в большом количестве. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в -железе. Такое пересыщение вызывает изменение объемноцентрированной кубической решетки в тетрагональную, элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллепипед (рис. 48). Атомы углерода в такой ячейке располагаются или в междоузлиях, или в середине удлиненных ребер, или в центре основания. Интервал температур образования мартенсита зависит от химического состава аустенита. С повышением в нем содержания углерода линии Мн и Мк понижаются. При содержании углерода более 0,6 % мартенситное превращение заканчивается при температурах ниже 0°С. Поэтому, для того чтобы в высокоуглеродистых сталях получить большее количество мартенсита, их необходимо охлаждать до минусовых температур. Существенное влияние на линии Мн и Мк оказывают легирующие элементы. 4.2.3. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита В интервале температур (промежуточном между перлитным и мартенситным превращениями) от изгиба С-кривой (~550 °С) до критической точки Мн (см. рис. 47) аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом [от имени амер. металлурга Э. Бейна (E. Bein; 1891–1974)], представляющих двухфазную смесь кристаллов пересыщенного углеродом феррита и цементита. На начальном этапе превращения углерод перераспределяется в переохлажденном аустените с образованием обогащенных и обедненных участков. Участки обедненного углеродом аустенита претерпевают мартенситное -превращение, а из участков, обогащенных углеродом, выделяется цементит. При этом аустенит обедняется углеродом и происходит мартенситное бездиффузионное превращение. С течением времени при постоянной температуре изотермической выдержки образовавшийся мартенсит диффузионным путем превращается в ферритно-цементитную смесь. Ферритная фаза является пересыщенным твердым раствором Fe_(C). Обогащенный углеродом аустенит, обладая высокой устойчивостью, часто не претерпевает превращения и сохраняется, как остаточный аустенит. Следовательно, в результате промежуточного превращения структура стали в самом общем случае состоит из феррита, пересыщенного углеродом; частиц цементита и остаточного аустенита. Вся эта смесь имеет очень высокую дисперсность, которую при обычных увеличениях микроскопа различить невозможно.

18. Чугуны Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.   Белый чугун, в котором весь углерод (2,0...3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe3C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали. Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит по реакции Fe3C~>--»-3Fe-[-C. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе. Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа. Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали. Ковкий чугун получают после длительного отжига белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.  Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей. При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна — предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость. При маркировке серого и модифицированного   чугуна, например СЧ12—28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении,   последующие две — предел прочности при изгибе.

19.Основы теории ТО Термической обработкой называют технологические процессы теплового воздействия, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий по определенным режи­мам с целью изменения структуры и свойств сплава. Любой процесс термической обработки может быть описан графиком в координатах тем­пература — время (рис. 30). Параметрами про­цесса термической обработки являются макси­мальная температура нагрева (t _max) сплава; вре­мя выдержки ( τ _k) сплава при температуре нагре­ва; скорость нагрева (V_н) и охлаждения (V_o). На практике обычно подсчитывают среднюю ско­рость нагрева или охлаждения. Она равна мак­симальной температуре нагрева, поделенной на время нагрева или охлаждения, т. е. Vн.ср = t _max /  τ _н  и Vо.cp = t  _max / τ _o. Рис 30 График термической обработки По классификации Бочвара А.А. различают четыре основных вида термической обработки:1) отжиг 1 рода; 2) отжиг 2 рода; 3) закалка; 4) отпуск А- общая сжема; б – отжиг 2 рода; 3- закалка ; г отпуск Отжиг 1 рода – не обусловлен фазовыми преобразованиями в твердом состояни; А0 повышается подвижность атомов; Б) частично иполностью устраняет химическую неоднородность; В0 уменьшает внутреннее напряжение, т.о. способствуе получению более равномерного состояния Основное значение- температуры нагрева и время выдержки. Виды отжига. Диффузионный (гомогенизирующий) для устранения химической неоднородности благодаря диффузии, скорость котоорого завмсит от температцры Е= 0,8- 0.9 Т пл Время –определяется опытным путем 10 диффузионный; 2) полный; 3) изотермический; 4) неполный; 5) сфероиздизирующий; J рекристаллизационный Рекристаллизационный отжиг Применяют после холодной пластической деформации ( холодной обработки давлением) для снятия наклепа и получения равновесного состояния сплава. В результатае рекристаллизации  в деформируемом металле образуются новые зерна, снимается напряжения и восстанавливается пластичность металла. Отжиг для снятия напряжений, возникают при ковке, сварке, литье и т.п., котрые могут вызвать коробление, т.е. изменение формы, размеров и даже разрушение изделий. Отжиг 2 рода- фазовые превращения при нагреве и охлаждении  α  →β                 β →α  нагрев   охлаждение α → β →  α Для сплавов – 1) полиморфные; 20 эвтектоидные; 3) перетектоидные превращения Термическая обработка изменяет в нужном направлении прочностные, пластические и другие свойства материала изделий.