9

Мета роботи полягає в ознайомленні з мікроструктурою і властивостями вуглецевих сталей, білих та машинобудівних чавунів.

1Теоретичні відомості

1. Вуглецеві сталі

Сталями називають сплави заліза та вуглецю з порівняно невеликим вмістом останнього — від 0,022 % до 2,14 %. Властивості, повільно охолоджених з температури аустенітизації (відпалених), сталей визначаються не тільки фазовим складом згідно діаграми фазової рівноваги Fe–Fe₃C, але і характером розподілу фаз, тобто — залежать від мікроструктури.

У промислових сталях крім заліза та вуглецю присутні й інші елементи–домішки: постійні (Манґан, Силіцій, Сульфур, Фосфор), приховані (Оксиґен, Нітроґен, Гідроґен) та випадкові (Станум, Плюмбум, Купрум). Наявність домішок та їх кількість зумовлена рівнем розвитку металургійних процесів одержання сталей, зокрема: складністю вилучення їх під час варіння сталі (Сульфур, Фосфор, Оксиґен, Нітроґен, Гідрорґен), переходом до складу сталі в процесі дезоксидаціїї (Манґан, Силіцій) або з шихти (Хром, Нікол, Купрум, Станум) чи з руд (Арсен). На мікроструктуру сталей домішки переважно суттєво не впливають, тому структура промислових сталей аналогічна структурі чистих залізовуглецевих сплавів.

1. Вплив Карбону та домішок на властивості сталі

Карбон, вміст якого у сталях не перевищує 2,14 % мас., порівняно з іншими хімічними елементами в їх складі має переважальний вплив на властивості. Ступінь впливу залежить від структурного стану сталі та її термічної обробки.

Структура вуглецевої сталі формується двома фазами – феритом та цементитом. Співвідношення кількості цих фаз та характер їх взаємного розташування впливають на властивості сталі. Ферит має невисоку міцність, малу твердість і добру пластичність. Частка фериту зі збільшенням концентрації Карбону в сталі поступово зменшується, а цементиту — зростає.

Цементит значно твердіший та крихкіший за ферит, тому зі збільшенням його відносної кількості зростає опір руху дислокацій та підвищуються показники міцності, але погіршуються пластичність та в'язкість сталі (рис. 1.1). Міцність вуглецевих сталей зростає до концентрації Карбону 0,8...0,9 %. Подальше збільшення його вмісту зменшує міцність, що пов'язують з утворенням на границях колишніх зерен аустеніту суцільної сітки крихкого цементиту вторинного, у якій напруження розтягування викликають утворення тріщин. Окрім зменшення опору динамічним навантаженням, Карбон зі зниженням температури викликає перехід сталі в крихкий стан. Кожні 0,1 % С підвищують температуру переходу з в'язкого у крихкий стан приблизно на 20 ºС.

Зі збільшенням вмісту Карбону в сталі зменшуються її густина, теплопровідність, залишкова індукція, магнітна проникність, але зростають питомий електричний опір та коерцитивна сила. Зростання вмісту Карбону позначається також на технологічних властивостях сталі – погіршуються здатність зварюватися, оброблятися різанням та пластично деформуватися в гарячому і, особливо, у холодному стані.

Манґан – корисна домішка у сталях, яку додають під час дезоксидації. Залишковий вміст Mn становить 0,25...0,80 %. Манґан послаблює шкідливий вплив Оксигену і Сульфуру, приводить до подрібнення зерен фериту під час термічної обробки, і завдяки цьому збільшує міцність та в'язкість сталі, практично не зменшуючи її пластичності.

Силіцій також додають до складу сталі для дезоксидації; його середня масова частка не перевищує 0,49 %. Перебуваючи у твердому розчині з феритом, він значно підвищує границю текучості, що погіршує здатність сталі пластично деформуватися. Тому у сталях, призначених для холодного штампування та висаджування, вміст Силіцію обмежують.

Сульфур є шкідливою домішкою, яка може викликати червоноламкість – крихкість під час вальцювання або кування. Цей вид крихкості зумовлений утворенням сульфіду FeS, який на границях зерен разом з феритом утворює евтектику з температурою плавлення 988 ºС, нижчою від температур гарячої обробки тиском (800...1200 ºС). За гарячої обробки тиском евтектичні колонії на границях зерен плавляться, і матеріал під дією зовнішнього зусилля легко руйнується. Запобігають утворенню легкоплавкої евтектики додаванням Манґану, який зв'язує Сульфур у сульфід MnS, температура плавлення якого 1620 ºС. У температурному інтервалі гарячої обробки тиском MnS пластичний і не викликає руйнування заготовок. Проте сульфіди Манґану за температур експлуатації можуть сприяти зародженню тріщин, особливо коли вони мають пластинчасту форму і розташовуються в металі у вигляді стрічок. Вони не тільки погіршують пластичність та в'язкість сталі, але й можуть викликати шарувате руйнування зварних швів. Тому вміст Сульфуру в сталях обмежують – максимально допустима його масова частка у найдешевших сталях звичайної якості не перевищує 0,05 % (у сталі марки Ст0 не більше 0,06 %), а зменшення вмісту Сульфуру практично на 0,01 % підвищує їх якість. Позитивний вплив Сульфуру полягає тільки в поліпшенні здатності обр

Рисунок 1.1 — Вплив вмісту Карбону на механічні властивості сталі

облятися різанням (автоматні сталі).

Фосфор також негативно впливає на конструкційну міцність сталі. Розчиняючись у фериті, він зміцнює його, але водночас викликає холодноламкість – зменшення в'язкості за низьких температур. Кожні 0,01 % Р підвищують температуру переходу з в'язкого у крихкий стан на 20...25 ºС. Схильність сталі до цього виду окрихчення посилюється зі збільшенням вмісту в ній Карбону. Вміст Фосфору, як і Сульфуру, визначає якість сталі, тому його концентрацію обмежують – не більше 0,04 % в сталях звичайної якості (у сталі марки Ст0 не більше 0,07 %).

Оксиґен та Нітроґен навіть у незначній кількості – приховані шкідливі домішки в сталі. Вони утворюють крихкі неметалеві фази – оксиди та нітриди, які є концентраторами напружень, і тому значно знижують опір сталі циклічним та динамічним навантаженням. Підвищена концентрація Нітроґену у сталі викликає деформаційне старіння, внаслідок якого матеріал втрачає пластичність. Атоми Нітроґену в холоднодеформованій сталі скупчуються на дислокаціях (виникають хмари Коттрелла) і гальмують їх рух. Негативним наслідком деформаційного старіння є неприпустиме утворення надривів та смуг ковзання на поверхні виробів, одержуваних холодним листовим штампуванням. Масова частка Нітроґену в сталі має бути не більше 0,008 %, а за умови виробництва в електропечах – не більше 0,012 %.

Гідроґен у твердому розчині скупчується поблизу дислокацій, а у вільному стані — у порах. Він викликає окрихчення сталі внаслідок утворення флокенів — внутрішніх надривів, які виникають під дією високого тиску через виділення Гідроґену під час охолодження злитків. Флокени у зламі виглядають як плями білого кольору, а на поверхні шліфа – як дрібні тріщини.

Випадкові домішки надходять до складу сталі з вторинної сировини або з руд окремих родовищ. Зі скрапу до складу сталі потрапляють Станум, Плюмбум, Купрум та інші хімічні елементи. Загалом такі хімічні елементи негативно впливають на в'язкість та пластичність сталі.