Лабы

Рис3. Частьдиаграммысостояния«железо-углерод» (от2,14 до6,67 % С)

На рис.2 изображена левая часть диаграммы Fe – F 3C. Сплав 1 содержит меньше0,02% С, т.е. расположен левее точки Р. Он представляет собой технически чистое

железо. Криста- ллизация аустенита начинается в точке 1 и заканчивается в точке 2. До точки 3 в сплаве 1 не происходит никаких фазовых превращений: сплав просто охлаждается. В точке 3 начинается перестройка кубически гранецентрированной решетки (ГЦК) аустенита в кубическую объемно- центрированную решетку (ОЦК) феррита с изменением содержания углеродав обоих твердых растворах: по мере охлаждения состав аустенита изменяется по линии GOS, а состав феррита – по линии GMP. В точке 4 это превращение заканчивается и до точки 5 происходит охлаждение образовавшегося феррита. Ниже точки 5 сплав находится в области двухфазного состояния Ф + Ц. Линия РQ – линия переменной растворимости углерода в решетке феррита. Этот избыточный углерод образует с железом химическое соединение Fe3С – цементит.

Особенностью всех сплавов с содержанием углерода от 2,14 до 6,67% является наличие в их структуре ледебурита (рис.3). Кривая охлаждения 5 типична для всех сплавов, содержащих углерод от 2,14 до 4,3%. Кристаллизация зерен аустенита начинается в точке 2. С понижением температуры состав аустенита изменяется по линии солидус от точки А до точкиЕ, составжидкойфазы– отточки1 доточкиС. При температуре1147ºС (точка 2) оставшаяся жидкость претерпевает эвтектическоепревращение Жс = Ас + Ц1. Между линиями ЕСF и PSK сплавы имеют структуру А + Л

61

(А+Ц)+Ц2. ИвнихобразуетсяЦ2, т.к. приохлаждениисоставаустенитатакже будет изменяться по линии ЕS. При температуре 727º С (линия РSК) происходит эвтектоидное превращение А = Ф + Ц. Ниже этой температуры сплавбудетиметьструктуруП+ Л(П+Ц) + Ц2. Вторичныйцементитсливается

сцементитом ледебурита.

Всплавах, содержащих углерод от 4,3 до 6,67% (сплав 7), в точке 1 начинается образование кристаллов цементита. Чтобы отметить характер выделения, такойцементит называют первичныйи обозначают Ц1. Поскольку при кристаллизации Ц1 выделяется из жидкой фазы, его кристаллы обычно бывают крупными (грубые выделения). В точке 2 происходит эвтектическое превращение. СтруктураславамеждулиниямиЕСF и РSК Ц1 + Л(А+ Ц). При температуре 727º С происходит эвтектическое превращение аустенита. Окончательная структура сплава (ниже 727º С) Ц1 + Л(П + Ц). Химические и физические свойства Ц1, Ц2, Ц3 одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этихвыделений.

Порядоквыполненияработы

1.Изучить диаграмму состояния Fe – Fe 3C и начертить ее в тетради для лабораторных работ.

2.Построить кривую охлаждения стали с концентрацией углерода ______% (по заданию преподавателя).

3.Построить кривую охлаждения чугуна с концентрацией углерода _____% (по заданию преподавателя).

4.Описать процессы охлаждения заданных сплавов от расплавленного состояниядо нормальнойтемпературы. Нанестинакривойохлаждениявсефазы и записать

условными обозначениями все превращения.

Контрольные вопросы

1.Какиеаллотропическиемодификацииимеетжелезо, опишитеихсвойства.

2.Чтоназываетсясплавом? Какие бывают сплавы?

3.Чтотакое диаграмма состояния сплава?

4.Что называется сталью, чугуном?

5.Какиеструктурныесоставляющиежелезоуглеродистыхсплавовимеются на диаграмме состояния? Дайте их определения.

6.КаковысвойстваструктурныхсоставляющихдиаграммысостоянияFe-Fe3C?

7.	Как пользоваться диаграммой состояния Fe – Fe 3C?
8.	Как построить кривую охлаждения сплавов?
	62

Лабораторная работа 11

КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Цель работы: изучениесоставовисвойствсталей.

Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий углерод до 2,14%. Стали классифицируются по химическому составу, качеству, применению, микроструктуре.

По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую (конструкционнуюиинструментальную) илегированную(низколегированную, среднелегированную ивысоко- легированную).

По качеству различают:

сталь обыкновенного качества – углеродистая сталь с содержанием углерода обычно не более 0,6%, содержание серы не должно превышать

0,06%, фосфора 0,08%;

сталь качественная – углеродистая или легированная. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04%;

сталь высококачественная легированная. Содержание серы менее 0,02%, фосфора менее 0,03%. Высококачественная сталь обозначается буквой А

после марки.
По применению различают:
класс	Ι–	сталь	строительная.	Похимическомусоставууглеродистаяили
лигированная, а по качеству обыкновенного качества и качественная;
класс	ΙΙ	–	сталь машиностроительная. По химическому составу
углеродистая		или	легированная,	по качеству	качественная	или
высококачественная;

класс ΙΙΙ– сталь инструментальная; класс ΙΥ– сталь с особыми физическими свойствами.

Углеродистые конструкционные стали

Большая часть выплавляемых конструкционных сталей – углеродистые. Их отличают хорошие технологические свойства, экономичность, недефицитность. Углеродистые стали производят обыкновенного качества и качественные. В зависимости от способа и степени раскисления стали подразделяютсянакипящие(кп), спокойные(сп) и полуспокойные (пс).

Сталь углеродистая обыкновенного качества общего назначения. Эти стали самые дешевые, их выплавляют в конвертерах и мартеновских печах,

63

отливают крупные слитки, из которых получают поковки и рядовой горячекатаный прокат (балки, швеллеры, листы).

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств стали обыкновенногокачества подразделяютсянагруппы А, Б, В.

Сталиэтихгрупп имеютгарантирование: А– механическиесвойства; Б

– химический состав; В– оба этих параметра.

Маркируютстальобыкновенногокачествабуквами Ст ицифрами 0 до7, означающими порядковый номер, с ростом которого растет прочность, но падаетпластичностьстали. Принадлежностьсталикгруппам БиВотмечается вмаркировкеэтимижебуквами. Примермаркировки: Ст2кп, БСт6сп, ВСт5пс. С ростом номера стали растет и содержание углерода, но цифра не соответствует его среднему содержанию (в Ст3 содержится 0,14…0,22% С, в

Ст4 – 0,18…0,27 С, вСт6 – 0,38…0,49 С).

Стали группы А используются в основном в состоянии поставки без последующихтехнологическихопераций(сварки, обработкидавлениемит.д.).

Стали групп Б и В имеют гарантированный химический состав и могут упрочняться термообработкой: закалка в воде, нормализация. Эти стали используютсяприпереработкеполуфабрикатавизделиясприменениемсварки или горячей деформации.

Свариваемость стали ухудшается с повышением содержания углерода,

поэтому сварные конструкции изготовляются из сталей марок						Ст1, Ст2, Ст3
групп Б и В.	Стали	группы	В	(повышенного качества) имеют
специализированное	назначение:		судостроение,		мостовые	сооружения,
моторостроение и т.д.
ИзсталейСт1, Ст2, Ст3 группы			А	изготовляюткрепеж, балкиидр. Эти
же стали групп Б	и В	идут для	изготовления		цементируемых изделий

(малонагруженных деталей машин, работающих на износ, измерительного инструмента), Ст4 используетсявсудостроении(обшивкакорпусовидр.), Ст5, Ст6 идут на изготовление средненагруженных деталей (валов, пружин, рессор, крюков кранов, крепежа и т.д.).

Сталь углеродистая качественная конструкционная

От сталей обыкновенного качества качественные отличаются более узкими пределами химического состава, меньшим содержанием серы, фосфора и неметалических включений. Двузначные цифры в марке стали указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 10 – 0,1% С, 45 – 0,45% С, 65 – 0,65% ит.д.). Присодержаниивстали0,7 – 1% Mn

вмаркировке добавляется буква Г.

64

Низкоуглеродистые стали (≤0,3% С) – малопрочные, высокопластичные – применяют длямалонагруженныхдеталей(прокладок, шайб, втулок, шестерен, осейидр.) изготовляе- мыхрезанием, сваркой, штамповкойит.д.

Среднеуглеродистые стали (0,3…0,55% С) более прочные и менее пластичные, чем низкоуглеродистые. Они широко применяются в различных отраслях машиностроения для изготовления деталей (шпиндели, штоки, плунжеры, шатуныид.).

Углеродистые (0,6…0,85% С) конструкционные стали прочные с высокими упругими свойствами, износостойкостью – применяются для изготовлениядеталей, работающихвусловияхтренияпривысокихстатических ивибрационных нагрузках.

Прокат для строительных стальных конструкций

Фасонный прокат изготовляют из стали С235, С245, С255, С285, С345,

С375;	листовой универсальный прокат и гнутые профили – из стали С235,
С245,	С255, С275, С285, С345, С375, С390, С390К, С440, С590, С590К (С

означает – сталь строительная, ГОСТ 27772 – 88; цифры условно обозначают пределтекучестипроката; К– вариантсостава).

По требованию потребителя массовая доля меди в стали С345, С375, С390, С440 должна быть 0,15 – 0,30%, при этом к обозначению добавляется буква Д, например: С345Д. Допускается способом термического улучшения со специального нагрева изготовлять листовой прокат С390 с химическим составом стали С345, а также способом термического упрочнения с прокатного нагрева изготовлять фасонный прокат толщиной полки до 12 мм

включительно	С345	и С375 с	химическим составом С245 и С255.			К
обозначению стали добавляют букву Т,				например, С390Т,	С390ДТ. При
изготовлении	стали	С590К	методом	электрошлакового	переплава	к

обозначениюдобавляетсябукваШ.

Соответствующиемаркиподействующимстандартамприведенывтабл. 1.

65

		Таблица 1
Наименование	Марки по действующим стандартам
стали
	марки стали	обозначение стандарта
С235	Ст3кп	ГОСТ 380 – 88
С245	Ст3пс, Ст3сп	ГОСТ 380 – 88
С255	Ст3пс, Ст3Гсп	ГОСТ 380 – 88
С275	Ст3пс	ГОСТ 380 – 88
С285	Ст3сп, Ст3Гп, Ст3Гсп	ГОСТ 380 – 88
С345	12Г2С, 09Г2С	ГОСТ 380 – 88
С345Д	12Г2СД, 09Г2СД	ГОСТ 19282 – 73
С345К	10ХИДП
С375	12Г2С
С375Д	12Г2СД
С390	14Г2АФ
С390Д	14Г2АФД
С390К	15Г2АФДпс
С440	16Г2АФ
С440Д	16Г2АФД
С590	12Г2СМФ
С590К	12ГН2МФАЮ

Сталь легированная конструкционная

Болеедорогиелегированныесталиимеютрядпреимуществпосравнению с углеродистыми, которые наиболее полно проявляются в термообработанном состоянии.

Легирование стабилизирует аустенит, уменьшая критическую скорость закалки υк, повышая прокаливаемость. Уменьшение υк позволяет применять менее резкие охладители – масло, иногда воздух. Это снижает деформацию изделийиопасностьтрещинообразования.

Легированные стали имеют недостатки: более дорогие могут проявлять склонность к отпускной хрупкости, к дендритной ликвации. Нужно следить также за оптимальным содержанием легирующих элементов, иначе легированиеможетпривестикобратномурезультату.

Маркируются стали так: первые цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за буквой, обозначающей

66

определенныйэлемент(H – Ni, K – Co, X – Cr,	M – Mo,	Г–	Мn, C – Si, Ф– V,
B – W, Ю – Al, A – N, Д – Cu, P – B,	T – Ti.	Б –	Nb, Z – Zr, Ч –

редкоземельные и др.), - его среднее количество в процентах. При содержании менее 1…1,5% элементасталимаркируютсятолькобуквой.

Низколегированные строительные стали содержат ≤0,22% С и до 2,5% в основном недефицитных легирующих элементов ( Мn, Cr, N и др.). Очень эффективновведение 0,05 – 0,12% V и 0,015 – 0,025% N ( 14 Г2АФ, 16Г2АФД).

Из этих сталей изготовляют трубопроводы, котлы, сварные конструкции мостов, ихприменяютвстроительстве.

Инструментальные стали

Инструментальными сталями называются углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью и применяемыедляизготовленияразличныхинструментов.

Стали углеродистые инструментальные маркируются буквой У и цифрой, показывающейсодержаниеуглеродавдесятыхдоляхпроцента.

Согласно диаграмме Fe – Fe 3C углеродистые инструментальные стали имеютструктуру Ф+П (У7, У7А), П(У8, У8А), П+ЦII (У9, У9А, У13, У13А). В состоянии поставки перлит имеет пластинчатое строение, стали плохо обрабатываются резанием. После отжига их структура – зернистый перлит с твердостью 170…180 НВ (1700 – 1800 МПа), они хорошо обрабатываются резанием, достаточнопластичны.

Из сталей марок У7, У8, У7А, У8А изготовляют деревообрабатывающий инструмент (пилы, отвертки, стамески, буравы, топоры, долота), слесарный и кузнечный инструмент (керны, зубила, клейма, кузнечные штампы), другие изделия, подвергающиеся ударным нагрузкам.

Стали марок У9, У10, У11, У9А, У10А, У11А идут для изготовления инструмента, не подвергающегося ударным нагрузкам, требующего высокой твердости режущей грани (фрезы, зенкеры, сверла, метчики, развертки, резцы, ленточныепилы, медицинскийинструмент, ножидлярезкикожи ит. д.).

Стали марок У12, У13, У12А, У13А применяются для инструментов высокой твердости и износостойкости, не повергающихся ударным нагрузкам (напильники, шабера, гравировальный и измерительный инструмент, зубила длянасечкинапильников, ручныеметчики, сверлаидр.).

Легированныеинструментальныесталимаркируютсятак: цифры, стоящие первыми, показывают содержание углерода в десятых долях процента, отсутствие цифр означает – 1%. Легирующие элементы и их количество обозначаются, как вконструкционных сталях.

67

Порядоквыполненияработы

1.Ознакомиться с классификацией сталей.

2.Получить задание на выполнение работы согласно индивидуальному варианту (табл. 2).

3.Выполнитьзаданиепоописаниюстали вследующейпоследовательности: по химическому составу, качеству, применению (см. табл. 3), микроструктуре (диаграмма “ железо-цементит”)

4.Составить отчет в лабораторной тетради. Содержание отчета: название, цель работы, вариантиндивидуальногозадания, результатывыполнениязадания.

Таблиц2

№

№

№

№

вари-

Задание

вари-

Задание

вари-

Задание

вари-

Задание

анта

анта

анта

анта

У13А

ВМСт 3

40ХНВА

30ХГСА

35ХГСА

С 275

С 345

35ХМ

1

С235

2

35ХРА

3

Ст 7

4

У 12А

ВСт 5

У8

Х12Ф1

КСт 3 пс

15Г

20Г

12Х2Н4А

Р 18

30ХГТ

6ХНФ

У11А

С255

40ХН

Р9К10

30НХЗА

С 245

С285

У8

5

МСт 3 кп

6

ВКСт5

7

С275

Р14Ф4

40ХФА

ВМСт5

У7А

Ст5

45

10

15

70

С375

С255

Ст6

30ХГС

У12

С285

БСт6

25ХГС

20ХН4ФА

8

Р9Ф5

9

БСт4

10

У9А

У7А

15Г

40Г

20

25

30

12Х13

20Х13

30Х13

14Г2АФ

16Г2АФД

15Х25Т

5ХНМ

12Х17

13

9Х5ВФ

11

С440Д

12

С390Д

30ХМЮА

У10

КСт6

С375Д

40Х13

С275

12Х2Н4А

15Х18

МСт3кп

9ХФ

14

ВКСт3

15

20ХН3А

ХГС

У11А

9ХФ

16

ВКСт5

С345К

40Г

У12

68

Таблица 3

Марка стали

Изготовляемые конструкции и детали

Ст1… Ст7

10, 15, 20, 25

30, 35, 40

45, 50

55, 60, 65, 70 15Г, 20Г, 40Г

40ФХ, 40ФХА

20Х, 35Х,

30ХГТ

30ХМЮА,

35ХЮА

12Х2Н4А,

20ХН3А

7ХФ, 9ХФ, Х14

9ХС, ХГС,

9Х5ВФ

7Х3, 5ХНМ

6ХНФ, Х12ВМ

35ХГСА, 35ХМ

Неответственные конструкции, крепежные детали, листовой прокат, заклепкиит. д.

Сварные и клепаные конструкции, ненагруженные детали, подвергающиесяцементации: втулки, пальцы ит. д.

Различные детали, подвергающиеся большим нагрузкам.

Хорошо обрабатываются резанием Детали, подвергающиеся большим нагрузкам (коленчатые

валы двигателей), мелкие детали с последующей термической обработкой.

Пружинные рессоры, зубчатые колеса, прокатные валы Износоустойчивые детали: гусеницы тракторов, железнодоро- жные стрелки

Автомобильныедетали, оси, валы Зубчатыеколесапередач

Зубчатые колеса, подвергаемые азотированию для повышения износостойкости

Коленчатыевалы, поршни, деталитурбин Измерительный инструмент: резьбовые калибры, скобы Режущий измерительный инструмент: фрезы, сверла, метчи- ки лекала

Штампыгорячейштамповки Штампыхолоднойштамповки

Зубчатыеколеса, подвергаемыеулучшению

69

Контрольные вопросы

1.Чтотакоесталь?

2.Чтотакоелегированнаясталь?

3.Какиесталиотносятсякстроительным?

4.Чемопределяетсякачествосталей?

5.Какмаркируютсясталиобыкновенногокачества?

6.Какмаркируютсялегированныеконструкционныестали?

7.Какиебываютчугуны?

8.Какмаркируютсячугуны?

9.Какпостроитькривуюохлажденияконкретногосплава?

70