От каких факторов зависят свойства углеродистых сталей?

Изменение структуры при добавлении углерода

Показатели прочности и пластичности зависят от структуры и ее изменений при увеличении содержания углерода.

При доле до 0,2% образуется феррит и третичный цементит, дальнейшее увеличение приводит к образованию эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Значение показателя перлита постепенно повышается и при углероде 0,8% содержится только перлит. Если содержание более 0,8% появляются иглы вторичного цементита и перлит.

Образование цементита происходит до 2% углерода, при этом снижается прочность из-за хрупкости цементитной сетки по границам перлитных зерен. При превышении этого значения формируется эвтектическая смесь.

Влияние углерода на свойства стали

Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.

Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 19).

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

Обозначение марок — буквенно-цифровое.

Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

Группа — А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

Сплавы группы — В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

Степень раскисленности, обозначают буквами кп — кипящие, пс — полуспокойные и сп — спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 — Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности — буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой — У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента — 0,7 — 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву — А. например У7А, У13А, У10А.

По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:

1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит;

2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис.20.а);

3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.20, б, в);

4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.20, г).

Рис.20 Микроструктуры сталей:

а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 — 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.

Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки

В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт — К, титан – Т, марганец — Г, медь — Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий — Б, цирконий — Ц, азот — А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква — А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.

Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 19).

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

Обозначение марок — буквенно-цифровое.

Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

Группа — А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

Сплавы группы — В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

Степень раскисленности, обозначают буквами кп — кипящие, пс — полуспокойные и сп — спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 — Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности — буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой — У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента — 0,7 — 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву — А. например У7А, У13А, У10А.

По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:

1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит;

2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис.20.а);

3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.20, б, в);

4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.20, г).

Рис.20 Микроструктуры сталей:

а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).

Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 — 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.

Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки

В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт — К, титан – Т, марганец — Г, медь — Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий — Б, цирконий — Ц, азот — А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.

Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква — А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

Новые свойства и преимущества сплава

Углерод в составе стали дает ей дополнительные преимущества, прежде всего это:

• достаточная твердость поверхностного слоя и относительная мягкость внутреннего слоя;
• хорошая обрабатываемость;
• долговечность;
• доступная цена.

С увеличением доли углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность, следовательно, чем его больше, тем труднее процесс обработки резанием, хуже показатели деформации и сваривания. Исходя из этого выделяют следующие виды стали:

1. Низкоуглеродистые, с долей менее 0,25%. Они достаточно пластичны, легко поддаются деформации и обработке.
2. Среднеуглеродистые, с долей 0,3-0,6%. Этот вид также пластичен, имеет средний показатель прочности.
3. Высокоуглеродистые, с долей 0,6-2%. С низкой вязкостью и высоким показателем прочности. Сварка производится только с предварительным разогревом до 225 градусов.

Помимо основных механических свойств, увеличение содержания углерода дает повышение порога хладноломкости.

Применение углеродистой стали

Сферы применения зависят от механических свойств, и, следовательно, от того, сколько углерода в стали. С показателем 0,7-1,3% углеродистую сталь используют для изготовления режущих и ударных инструментов. Маркируют их буквой «У», последующая цифра характеризует долю, например, У13. Чем выше показатель, тем больше влияние углерода на механические свойства стали.

Низкоуглеродистые стали разделяют на подгруппы в зависимости от назначения:

1. Низкоуглеродистые: 05, 08, 10. Благодаря своей пластичности используются в холодной штамповке для изготовления шайб, прокладок, кожухов и иных деталей.
2. Низкоуглеродистые: 15, 20, 25. Такое значение углерода в составе стали дает повышенную твердость и достаточный задел вязкости, применяются для изготовления деталей малого размера (кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней).
3. Среднеуглеродистые: 30, 35, 40, 45, 50, 55. Применяются для изготовления коленчатых валов малооборотных двигателей, зубчатых колес, маховиков – деталей, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости. Используют после нормализации и поверхностной закалки, которые повышают вязкость и пластичность, соответственно, улучшается показатель обрабатываемости.
4. Высокоуглеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85. Применяются для изготовления рессор, эксцентриков и пружин. Предварительно подвергаются закалке и среднему отпуску, что улучшает свойства упругости необходимые для изготавливаемых деталей.
5. Котельные: 12К-22К. Используют для изготовления оборудования, эксплуатируемого при высоких температурах (сосуды и котлы для турбин и камер сгорания).
6. Сталь автоматная. Нашла применение для изготовления крепежных изделий автомобилей в статических нагрузках (шпильки, гайки, болты).

Компоненты структуры сплавов железо-углерод

Для анализа влияние содержания углерода на железоуглеродистые сплавы, нужно характеризовать каждый их структурный элемент. После медленного охлаждения стали состоят из феррита и цементита или из феррита и графита.

Феррит

Феррит является пластичным. В отожженном состоянии феррит имеет большое удлинение (около 40 %). Его твердость составляет по Бринеллю составляет от 65 до 130 С в зависимости от размеров зерна и он является сильно магнитным до температуры 770 ˚С. При температуре 723 ˚С феррит растворяет 0, 02 % углерода, а при комнатной температуре – только тысячные доли процента углерода остается в растворе.

Цементит

Цементит является хрупким и очень твердым. Его твердость по Бринеллю составляет около 800. Цементит является слабым проводником электрического тока и тепла. Имеет сложную ромбическую атомную решетку. Обычно разделяют:

• первичный цементит, который кристаллизуется из жидкой фазы по линии CD;
• вторичный цементит, который выделяется из твердого гамма-раствора по линии ES;
• третичный цементит, который выделяется из твердого альфа-раствора по линии PQ.

Графит

Графит является мягким. Он плохой проводник электрического тока, но хорошо проводит тепло. Графит не плавится даже при температуре 3000-3500 ˚С. Имеет гексагональную атомную решетку в отношением осей больше 2.

Аустенит

Аустенит является мягким (но более твердым, чем феррит) и пластичным. Удлинение аустенита составляет 40-50 %. Он имеет более низкую проводимость тепла и электричества, чем феррит. Аустенит является парамагнитным. Обладает гранецентрической кубической решеткой.

Влияние других примесей

Как и углерод, иные химические элементы в составе стали влияют на ее механические свойства:

• кремний – используется как активный раскислитель;
• марганец – снижает влияние кислорода и серы, уменьшает стойкость к нагрузкам;
• сера и фосфор – увеличивают показатель красноломкости, относятся к категории вредных примесей;
• титан – улучшает показатели прочности и пластичности;
• хром – повышает жаростойкость и стойкость к стиранию;
• никель – улучшает вязкость и упругость;
• медь – оказывает влияние на стойкость к коррозии.

Механические свойства стали полностью зависят от ее состава и наличия тех или иных примесей. Именно эти характеристики необходимо учитывать при применении стали в промышленном производстве. Некоторое негативное влияние содержания элементов можно снизить дополнительными методами улучшения – термическим упрочением поверхности (цементация) или добавлением антикоррозийной защиты, проще говоря – гальваника, покрытие которой увеличивает срок службы изделия.

Улучшаемая сталь

Примеры улучшаемых сталей:

Углеродистые улучшаемые стали: сталь 30, сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 50.

Легированные улучшаемые стали: 40Х, 45Х, 40ХР, 40ХН, 40ХНА, 40ХНМА, 30Х2Н4МА, 38ХН3МА, 38Х2НМА, 30ХГСА, 30ХГС-Ш.

Некоторые улучшаемые стали пригодны для поверхностной закалки (плазменной и индукционной), в частности — сталь 45.

Основным свойством улучшаемых сталей

является
прокаливаемость
, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь (
сквозное улучшение
). Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей — предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия.

После улучшения гарантируются следующие свойства сталей: временное сопротивление σВ от 55 до 150 кгс*мм-2, удлинение δ5 от 6 до 50%, поперечное сужение ψ=30-60% (по данным ). Изменение значений этих свойств в зависимости от температуры отпуска иллюстрируется «диаграммами улучшения» (пример на рисунке).

Термическая обработка

. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.