Материаловедение и технология материалов (стр. 4 )

Для количественного определения отдельных структурных составляющих в стали при определенном содержании углерода пользуются методом треугольника.

Сущность его сводится к следующему: 100% перлита будет в эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8%. В крайних точках треугольника перлита не будет. Ординаты треугольника показывают количество перлита в сплавах «железо-углерод».

Пользуясь методом треугольника, можно определить количество перлита, вторичного цементита в заэвтектоидной стали. Например, определим качественно и количественно структуру стали с содержанием углерода 1,2%.

1.  Сталь заэвтектоидная, структура ее будет П+Ц2

2.  Из dbc определяем количество перлита в этой стали:

П2 / 100 = 6,67-1,2/6,67-0,8; П2 = 93,1%

Следовательно, в этой стали будет П=93,1%, а вторичного цементита – 6,9% (структурно свободный цементит).

Влияние углерода на механические свойства стали

(прочность, твердость и пластичность)

С увеличением содержания углерода в стали понижается ее пластичность, увеличивается твердость и прочность для эвтектоидной и доэвтектоидной стали. Увеличение прочности в этих сталях связано с увеличением в структуре количества перлита. В заэвтектоидной стали при увеличении содержания углерода продолжает значительно увеличиваться твердость, но прочность падает, так как сказывается наличие хрупкого цементита, располагающегося по границе зерен. При этом снижается и пластичность. Следует обратить внимание, что форма и размер цементитных частиц в перлите существенно влияют на свойства и обрабатываемость сталей резанием. Чем грубее и крупнее в перлите цементитные включения, тем ниже его механические свойства. Зернистый перлит менее тверд и прочен, но более пластичен (см. табл.2).

Таблица 2

Структура	Механические свойства
δВ кг/мм2	δ %	НВ
1.Перлит пластинчатый с мелкими частицами цементита	133	11	200
2.Перлит крупнопластинчатый с крупными частицами цементита	55	5	250
3.Зернистый перлит	63	20	160-220

Величина зерен стали тоже влияет на ее свойства. С укрупнением зерен понижается ударная вязкость, твердость и другие свойства.

Примеси в стали

Следует иметь в виду, что сталь – это сложный сплав и содержит кроме углерода другие элементы, примеси.

а) Полезные примеси: марганец (Mn) до 0,7%, кремний (Si) до 0,5%.

Они раскисляют металл, устраняя вредное влияние окиси железа (включения FeO сообщают стали хрупкость):

FeO+Mn=MnO+Fe

2FeO+Si=SiO2+2Fe.

Окислы MnO и SiO2 всплывают в виде шлака. Кроме того, кремний повышает упругость сталей.

б) Вредные примеси: сера и фосфор.

Сера вызывает явление красноломкости, что препятствует прокатке и ковке. Допустимое содержание серы до 0,05%.

Фосфор (содержится до 0,05%) вызывает явление хладноломкости. Но в некоторых случаях сера и фосфор способствуют лучшей обрабатываемости сталей.

в) Газы – азот и кислород – содержатся в стали в небольших количествах и образуют неметаллические включения, которые ухудшают свойства сталей.

Общая характеристика сталей

1.  По химическому составу стали делятся на:

·  углеродистые – стали, содержащие железо, углерод и постоянные примеси;

·  легированные – стали, содержащие железо, углерод, легирующие элементы (Cr, Ni, Si, Mn, Ti, Mo и др.), постоянные примеси.

2.  По назначению стали бывают:

·  конструкционные, используемые для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов. Обладают хорошими технологическими свойствами;

·  инструментальные, используемые для изготовления инструментов различного назначения. Важным требованием являются высокие механические свойства (твердость, прочность);

·  стали с особыми физическими свойствами, например, с особыми магнитными или электрическими свойствами.

3.  По способу производства (по качеству) стали бывают:

·  обыкновенного качества; они выплавляются в конверторах или в мартеновских печах и могут иметь до 0,06% серы и до 0,07% фосфора;

·  качественные стали, выплавляются в мартеновских и электрических печах и могут содержать не более 0,04% серы и 0,035% фосфора;

·  высококачественные стали, выплавляются, в основном, в электрических печах, и содержание вредных примесей в них не должно превышать 0,025% серы, 0,025% фосфора; высококачественные стали обозначаются буквой А в конце маркировки.

4.  По степени раскисления стали делятся на

·  кипящие (обозначаются КП в конце маркировки);

·  полуспокойные (ПС);

·  спокойные (в маркировке не обозначаются).

Кипящими и полуспокойными бывают только углеродистые, легированные стали всегда спокойные.

5.  По структуре углеводистые стали бывают

·  доэвтектоидные (углерода до 0,8%);

·  эвтектоидные (углерода до 0,8%);

·  заэвтектоидные (углерода от 0,8% до 2,14%).

Легированные стали имеют более сложную градацию по структуре, хотя среди них тоже есть доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества

Маркируются буквами Cm. и далее порядковый номер сплава от 0 до 6.

Например: Cm.0; Cm.1; Cm.3; Cm.2КП; Cm.3ПС; Cm.5

Углеродистые конструкционные качественные стали

05КП, 08КП, 08ПС; 10КП…35,48,45,…60, 60Г,65Г, 70Г и т. д.

Число показывает содержание углерода в сотых долях процента (40 – 0,4% С; 05 – 0,05% С).

Буква Г показывает повышенное содержание Mn. КП; ПС– степень раскисления.

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые инструментальные стали обозначаются буквой У в начале маркировки, далее цифра или число, показывающая количество углерода в десятых долях процента. Например, У7, У8, У8А, … У13, У13А. Буква А в конце обозначает высококачественную сталь.

Легированные стали

В легированных конструкционных сталях количество углерода показывают в сотых долях процента, а в инструментальных – в десятых долях процента. Цифра или число после буквы, обозначающей легирующий элемент, показывает его количество. Каждый легирующий элемент обозначается следующей буквой:

А (в середине маркировки) – азот

Б – ниобий

В – вольфрам

Г – марганец

Д – медь

К – кобальт

Л – бериллий

М – молибден

Н – никель

С – кремний

П – фосфор

Т – титан

Х – хром

Ц – цирконий

Ч – редкоземельные элементы

Ф – ванадий

Ю – алюминий

Например:

9ХС – легированная инструментальная, углерода 0,9%, хрома 1%, кремния 1%;

38ХН3ЮСА – легированная конструкционная, углерода 0,38%, хрома 1%, никеля 3%, алюминия 1%, кремния 1%, высококачественная (А в конце маркировки);

ХВГ – легированная, инструментальная, углерода 1%, хрома, вольфрама, марганца по 1%.

Чугуны

Чугун отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами, малой способностью к пластическим деформациям (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали.

В зависимости от химического состояния углерода и формы графитных включений чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными.

В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния Fe-C. По структуре и содержанию углерода белые чугуны делятся на:

1) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С; структура их состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;

2) эвтектические, содержащие 4,3%С; структурное состояние характеризуется ледебуритом;

3) заэвтектические, содержащие от 4,3% до 6,67% С; структура состоит из первичного цементита и ледебурита.

Из-за наличия структурно свободного цементита и ледебурита белые чугуны характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддаются обработке режущим инструментом.

В сером чугуне углерод находится в виде графита, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Металлическая основа серого чугуна может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Свойства серого чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений. Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ 12, СЧ 15, СЧ 28). Две цифры после букв показывают средний предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ 12 имеет δВ120МПа.

В высокопрочном чугуне углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами (например, ВЧ 40, ВЧ45, ВЧ 50), при этом цифры указывают на средний предел прочности при растяжении в кг/мм2 (или 10 в МПа).

Ковкий чугун получают в результате отжига отливок белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами (например, КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10 и т. д.). Первые две цифры указывают на предел прочности растяжения, а следующие – на относительное удлинение в процентах.

На схеме структур (рис.7) представлена описанная выше классификация чугуна по строению металлической основы и форме графита. Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

Задание

1. Для сплава известной марки (по указанию преподавателя) рассмотреть, пользуясь диаграммой состояния, все фазовые и структурные превращения, происходящие при охлаждении сплавов из жидкого состояния до нормальной температуры. Описать равновесную структуру, найти ее в атласе или коллекции микрошлифов, построить кривую охлаждения

2. Изучить микроструктуру сталей с различным содержанием углерода.

3. Исследовать под микроскопом микрошлифы белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов.

4. Определить самостоятельно микроструктуру и марку стали или чугуна контрольного образца.

5. Построить кривую охлаждения для стали 40. Сделать полный фазовый и структурный анализ, подсчитать количество фазовых и структурных составляющих при температуре 600°С.

6. Составить письменный отчет. Отчет должен включать: а) диаграмму состояния и определение всех точек и линий, а также всех структурных составляющих стали и чугуна; б) описание фазовых и структурных превращений для указанного сплава и зарисовку его микроструктуры.

Контрольные вопросы

1.  Дать определение следующих понятий: система, компоненты, фаза, структура.

2.  Описать значения точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод».

3.  Какие сплавы называются сталями? Углеродистыми сталями?

4.  На какие группы подразделяются стали по структуре в связи с разным содержанием углерода? Охарактеризуйте типичную структуру для каждой из них.

5.  Как изменится структура сталей с повышением содержанием углерода?

6.  Как меняются основные механические свойства сталей с повышением содержания углерода? Свяжите эти изменения с изменениями в структуре.

7.  Как классифицируются углеродистые стали по назначению и способу производства?

8.  Какие сплавы называются чугунами? Укажите классификацию чугунов (по состоянию углерода и по форме графитовых включений).

9.  Какие микроструктуры белых чугунов вы знаете?

10.  Что такое серый чугун и от чего зависят свойства серого чугуна?

Тестовые задания

1.  Сталь – сплав железа с углеродом, где углерода …

1)  до 0,8%

2)  до 2,14%

3)  до 4,3%

4)  до 6,6%

2.  В системе Fe-C твердым раствором является …

1)  (А) аустенит

2)  (Ц) цементит

3)  (Г) графит

4)  (П) перлит

3.  Цементит – это …

1)  твердый раствор

2)  механическая смесь

3)  химическое соединение

4)  жидкий раствор

4.  Перлит – это эвтектоидная смесь …

1)  Ф+П

2)  Ф+Ц

3)  Ф+А

4)  Ц+А

5.  Сколько фаз находится в состоянии равновесия, если структура сплава состоит из эвтектоидной смеси?

1)  одна

2)  две

3)  три

4)  четыре

6.  Сколько фаз находится в состоянии равновесия, если структура сплава состоит из жидкости и эвтектики?

1)  одна

2)  две

3)  три

4)  четыре

7.  Какая из перечисленных сталей является легированной инструментальной?

1)  60

2)  60Х2НС

3)  6ХС

4)  65Г

8.  Какая из перечисленных сталей является углеродистой

инструментальной?

1)  40

2)  9Х

3)  У10А

4)  Ст.6

9.  Какую структуру имеет белый эвтектический чугун?

1)  Л+Ц

2)  П

3)  Л

4)  Л+П+Ц

10.  Какой из перечисленных чугунов имеет наибольшую прочность?

1)  СЧ – 20

2)  СЧ – 22

3)  КЧ 40 – 3

4)  КЧ 37 – 9

Используемая литература

1.  Гуляев . – М.: Металлургия, 1986. С.59-67, 113-161

2.  , Колесов и технология конструкционных материалов. – М.: Высшая школа, 2004. 519 с.

3.  , Леонтьева . – М.: Машиностроение, 1986. 511 с.

4.  , , атериаловедение. – СПб.: Химиздат, 2002