Теоретическое введение. Классификация железоуглеродистых сплавов.Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2,14 % углерода, называются сталями

Классификация железоуглеродистых сплавов. Железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2, 14 % углерода, называются сталями, а свыше 2, 14% - чугунами.

Классификацию углеродистых сталей производят:

- по структуре в равновесном (отожженном) состоянии;

- по назначению;

- по способу выплавке.

Классификация по структуре. Часть диаграммы состояния «железо-цементит» с содержанием углерода до 2, 14% соответствует структуре стали в отожженном состоянии т.е. после медленного охлаждения.

С увеличением содержания углерода в стали, структура изменяется следующим образом.

Структура стали с минимальным содержанием углерода (техническое железо) представляет феррит, который имеет зернистое строение. В структуре литой или перегретой стали наблюдаются пластинчатые выделения феррита (видманштедтова структура).

Незначительное увеличение содержания углерода, вследствие его незначительной растворимости в α -железе вызывает образование второй фазы – цементита. При содержании углерода примерно до 0, 025% он присутствует в структуре в виде относительно небольших количеств третичного цементита, выделяющегося из феррита при охлаждении, вследствие уменьшения растворимости углерода в α -железе. Третичный цементит располагается главным образом по границам зерен феррита, что снижает пластичность и вязкость стали.

Увеличение содержания углерода сверх 0, 025% вызывает образование перлита, двухфазной структуры (звтектоида), представляющей механическую смесь (феррит + перлит), при этом в сталях с содержанием углерода до 0, 15% еще сохраняются включения третичного цементита.

Количество перлита возрастает пропорционально увеличению содержания углерода и соответственно уменьшается количество избыточного феррита. Перлит, как двухфазная структура при воздействии реактива (травителя) на микмошлиф травится интенсивнее, чем феррит. Поэтому при рассмотрении под микроскопом перлит имеет вид темных включений неоднородного строения. За счет значительной дисперсности, строение перлита можно различить только при увеличениях более 500 раз.

В доэвтектоидных сталях перлит имеет пластинчатое строение, темные пластинки, видимые в перлите, представляют тени, отбрасываемые на участки феррита выступающими после травления пластинками цементита. В заэвтектоидных сталях перлит может иметь зернистое строение. Форма выделения перлита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях определяется условиями выполнения отжига.

В заэвтектоидных сталях основной структурной составляющей является перлит. Наряду с перлитом присутствует вторичный цементит, выделяющийся из аустенита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в γ -железе. При правильно выполненных операциях (прокатка, ковка, отжиг) вторичный цементит присутствует в виде мелких зерен, равномерно распределенных в основной массе перлита.

Возможно выделение вторичного цементита в виде сетки по границам зерен перлита. Оно происходит в результате окончания горячей обработки при излишне высокой температуре или выполнения отжига при температуре выше Асm и является дефектом, заэвтектоидной стали, ухудшающим ее прочность и вязкость. Еще одной из форм выделения цементита, сильно ухудшающей механические свойства является образование в виде игл, что является следствием перегрева

По структуре в равновесном состоянии стали делятся следующим образом.

Доэвтектоидные, содержащие от 0.025 до 0, 8 % углерода. Структура этих сталей состоит из феррита – светлые пятна и перлита - темные пятна. Количество перлита изменяется пропорционально содержанию углерода.

Эвтектоидная, содержащая 0, 8 % углерода. Структура этой стали состоит из перлита. Зерна перлита состоят из пластинок феррита и цементита.

Заэвтектоидные, содержащие от 0, 8 до 2% углерода. Структура этих сталей состоит из перлита и вторичного цементита. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется по границам зерен аустенита, образуя твердую и хрупкую оболочку, видимую под микроскопом в виде сетки. Цементит, также как и феррит, при травлении раствором HNO₃ сохраняет белый цвет. Выделение вторичного цементита по границам зерен аустенита и цементита перлита в виде пластинок (игл) нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью, плохо обрабатывается резанием и после окончательной термообработки готовые детали будут иметь пониженные механические свойства, главным образом, низкую пластичность и ударную вязкость. Поэтому, оптимальной является структура с цементитом в виде мелких зерен округлой формы (зернистый перлит). Структуру зернистого перлита получают путем специальной термической обработки. Структура зернистого перлита является исходной структурой для инструментальных сталей.

Сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 0, 025% называются техническим железом. Структура их состоит из феррита и небольшого количества третичного цементита, располагающегося преимущественно по границам зерен феррита.

Влияние углерода на строение и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали меняется ее структура, увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита. Феррит представляет собой мягкую, пластичную структурную составляющую со следующими механическими свойствами σ в = 300 мПа, δ = 45%, ψ = 70%, НВ = 80. Цементит- химическое соединение железа с углеродом, отличается высокой твердостью и хрупкостью, твердость НВ 800.

С изменением структуры, изменяются свойства стали. Чем больше углерода в стали, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность.

Механические свойства стали зависят также от формы и размеров ферритно - цементитной смеси. Чем дисперсней (тоньше) частички ферритно - цементитной смеси, тем выше твердость и прочность стали. Зернистая форма цементита, по сравнению с пластинчатой, при одинаковой твердости, обладает более высокой пластичностью и ударной вязкостью. С повышением содержания углерода в стали ухудшается свариваемость и до некоторого содержания углерода (от 0, 3 до 0, 5%) улучшается обрабатываемость резанием. Далее, с повышением содержания углерода, в связи с увеличением твердости, обрабатываемость резанием ухудшается. Повышенное содержание углерода способствует образованию трещин и пор в сварном шве, повышает порог хладноломкости стали, увеличивает чувствительность стали к дисперсионному старению и к старению после холодной пластической деформации, понижает коррозионную стойкость.

Увеличение содержания углерода повышает чувствительность стали к перегреву, повышает закаливаемость и прокаливаемость

Классификация сталей по назначению. В зависимости от содержания углерода и требований, предъявляемых к тем или иным группам изделий, углеродистые стали делятся на следующие классы.

Строительные стали, содержат до 0, 3 % углерода.

Машиностроительные или конструкционные стали, содержат до 0, 85 % углерода. Эти стали, в зависимости от окончательной термической обработки применяемой в готовых изделиях, в свою очередь подразделяются на цементуемые (до 0, 3% С), улучшаемые (от 0, 3 до 0, 5 % С) и среднеотпущенные или рессорно – пружинные (от 0, 5 до 0, 85 % С).

Строительные и машиностроительные стали, по структуре в отожженном состоянии, относятся к доэвтектоидным сталям.

Инструментальные стали содержат от 0, 7 до 1, 3 % углерода. По структуре эти стали в отожженном состоянии могут быть доэвтектоидные (с большим содержанием перлита), эвтектоидные, эазвтектоидные.

Классификация углеродистых сталей по способу производства (качеству). От способа производства, от которого зависит содержание в стали примесей и их распределение углеродистые стали делятся на три класса:

- обыкновенного качества;

- качественные;

- высококачественные.

Стали обыкновенного качества - выплавляются в конвертерах или мартеновских печах. Эти стали содержат повышенное количество серы и фосфора. Поставляются в виде фасонных профилей, горячекатаных прутков листов и проволоки.

Качественные стали могут быть как углеродистые, так и легированные. Их выплавляют в основных кислородных конвертерах, основных мартеновских и электродуговых печах. К ним предъявляются более высокие требованиям, чем к сталям обыкновенного качества, в отношении химического состава, неметаллических включений и других дефектов. Содержание серы и фосфора не более 0, 04 %.

По назначению качественные стали могут быть строительные, конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами.

Конструкционные качественные стали изготовляются следующих марок: 05кп, 08кп, 10, 10кп, 15, 15кп, 30, 35, 40, 45…65. В этих сталях цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Инструментальные углеродистые стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента.

Высококачественные стали выплавляются в электропечах. Они обладают высокой чистотой по неметаллическим включениям, содержат серы и фосфора не более 0, 025% и остальные примеси имеют более суженные пределы. Маркируются эти стали, как и качественные но в конце маркировки ставится буква А, показывающая что сталь является высококачественной. По назначению высококачественные делятся на те же классы, что и качественные.