12.6 Стали. Состав, строение, свойства. Чугуны. Состав, строение, свойства.

Углеродистые и легированные стали разделяют на: конструкционные; легированные; обыкновенного качества; углеродистые качественные конструкционные; повышенной обрабатываемости (автоматные); рессорно – пружинные; подшипниковые; углеродистые инструментальные; инструментальные легированные; литейные; коррозионностойкие; порошковые.

Стали разделяют на углеродистые низколегированные стали, высокопрочные среднелегированные стали, высокопрочные высоколегированные (мартенситно-стареющие) стали.

По содержанию углерода стали разделяются на малоуглеродистые до 0.2 - 0.2 %, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали 0.6 - 1.7%С.

По структуре - доэвтектоидные (феррит+перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+цементит) стали.

По способу выплавки: кипящая, полуспокойная и спокойная сталь.

Конструкционные стали разделяются по технологическим признакам на цементуемые (С обычно не более 0.2%), улучшаемые (подвергающиеся ТО - улучшению) и автоматные стали.

Углеродистые стали классифицируют по назначению. Это стали: общего назначения Ст3, нелигированные для отливок 50л, рессорно - пружинные 65, повышенной и высокой обрабатываемости резанием А20, среднеуглеродистые пониженной прокаливаемости 60ПП, качественные конструкционные стали 45.

Влияние легирующих элементов на структуру и фазовые превращения в стали.

Легирующие элементы растворяются в феррите (замещение и внедрение). Свойства феррита изменяются. Твердость и прочность, как правило повышаются. Все легирующие элементы в сталях разделяются на две группы: карбидообразующие (Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) и карбидонеобразующие (Ni, Si, Cu, Co, Al). Карбиды вносят в сталь повышение твердости, износостойкости, сопротивление деформированию.

Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом, содержащим до 2% С и постоянные примеси: кремний до 0.5 %, марганец до 1%, сера и фосфор до 0.05%. Элементы, специально вводимые в сталь при ее производстве в определенных концентрациях с целью повышения ее свойств называют легирующими, а сталь - легированной. Основным элементом, при помощи которого изменяются свойства стали является углерод. Наиболее часто используемых специальных легирующих элементов относятся Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, Si и Mn. Основными структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, перлит, ледебурит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит. Легирующие элементы присутствуют в сталях в виде твердого раствора в железе, в виде карбидной фазы. Сталь имеет плотность 7.6-7.9 г/см. куб., временное сопротивление растяжению от 800 до 3000 МПа, относительное удлинение от 5 до 12 %, ударную вязкость от 10 до 160 Дж/см².

С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая углерода меньше 0.8%, состоит из феррита и перлита, при содержании углерода, равном 0.8%, сталь состоит только из перлита, при увеличении содержания углерода более 0.8% в стали кроме перлита появляется вторичный цементит. Изменение химического состава приводит к изменению структуры стали и ее свойств. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности.

Постоянными примесями в стали считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород). Обычно содержание их ограничивается верхними пределами: % 0.8 Mn; 0.5 Si; 0.05 S; 0.05 P.

Марганец - повышает прочность стали, прокаливаемость, упругие свойства.

Кремний - увеличивает прочность, износостойкость и придает антифрикционные и упругие качества. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуры закалки, нормализации и отжига.

Фосфор - вредная примесь стали. Однако повышает обрабатываемость резанием и в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера - повышает обрабатываемость резанием. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца, образующего с ней сульфид MnS.

Водород, азот, кислород - растворяются в стали. Кислород и азот образуют твердые труднодеформирующиеся вредные включения. Газы придают эффекты деформационного старения, снижающие усталостные характеристики (вязкость и порог хладноломкости).

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2,14 %. В их состав, кроме углерода, обычно входят примеси кремния, марганца, фосфора, серы. Свойства чугуна в значительной степени определяются содержанием этих примесей.

Для обеспечения заданных механических и технологических характеристик чугун легируют металлическими и неметаллическими элементами.

Структура. Углерод в составе чугуна содержится в виде компонентов твердого раствора на основе железа. Таким компонентом могут быть карбид Fе₃С, графит или их смеси.

Металлическую основу чугунов называют перлитной, если 0,8% С находится в виде цементита, а остальной углерод – в виде графита; феррито – перлитной, если количество углерода в виде цементита не превышает 0,8%; и ферритной, когда весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Важное влияние на свойства чугунов оказывают марганец, сера и фосфор. Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Содержание марганца в чугуне обычно на превышает 0,5-1,0%. Сера является вредной примесью в чугуне. Ее влияние на образование отбеленного слоя гораздо сильнее, чем марганца. Кроме того, сера снижает текучесть расплава, способствует образованию в отливках газовых пузырей, увеличивает их усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор почти не влияет на графитизацию, однако является полезной примесью, увеличивающей жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой (950-980^оС) фосфидной эвтектики. Чаще всего применяют чугуны следующего химического состава, %: 3,0-3,7 С, 1-3 Si, 0,5-1,0 Mn, менее 0,3 P и 0,15 S.

В зависимости от состояния включений углерода различают:

Серый чугун – это сплав Fe–С–Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор и серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы. Химический состав серых чугунов: С – 2,4...3,8%, Si – 1...5, Mn – 0,5...0,8, P – 0,2...0,4, S – до 0,12%, остальное – железо.

Структурно серый чугун состоит из металлической основы и графитовых включений. По составу металлической основы различают чугуны: серый перлитный (П+Г); серый ферритно-перлитный (Ф+П+Г); серый ферритный (Ф+Г).

Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения обусловливают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении, снижают его пластичность. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения в парах чугун – сталь и увеличение износостойкости изделий из чугуна. Графит улучшает обрабатываемость чугуна резанием.

Серый чугун маркируют буквами СЧ и цифрами. Первая группа цифр показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении, вторая – среднее значение предела прочности при изгибе.

По свойствам серые чугуны разделяют: ферритные, ферритно-перлитные, перлитные.

Белый чугун имеет специфическую структуру и благодаря наличию цементита тверд, хрупок, плохо обрабатывается резанием. Высокая твердость белого чугуна обусловливает его высокую износостойкость, в том числе при воздействии абразивных сред.

Чугун, в котором частицы свободного графита имеют шаровидную форму, называют высокопрочным. Для обеспечения шаровидной формы графитовых включений в жидкий чугун вводят щелочные или щелочноземельные металлы.

Структура металлической основы высокопрочного чугуна такая же, как и серых чугунов. Путем регулирования химического состава и скорости охлаждения получают следующие структуры высокопрочных чугунов: феррит + шаровидный графит, феррит + перлит + шаровидный графит, перлит + шаровидный графит.

Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами. Первая группа цифр показывает среднее значение предела прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное удлинение образцов при разрыве.

Для улучшения механических свойств чугунов применяют термообработку: для повышения прочности – закалку и отпуск при 500...600°С; для увеличения пластичности – отжиг с целью сфероидизации графита.

Чугуны, в которых графитовая составляющая имеет форму хлопьев, называют ковкими. Ковкий чугун обладает большей пластичностью по сравнению с серым. Включения графита хлопьевидной формы называют углеродом отжига, так как они образуются в процессе распада цементита при отжиге. По структуре металлической основы ковкий чугун бывает ферритным и перлитным.

Ковкие чугуны маркируют буквами КЧ и цифрами. Первая группа цифр показывает предел прочности чугуна при растяжении, вторая – относительное удлинение при разрыве.

Легирующие элементы (Ni, Cr и др.) влияют на свойства металлической основы, размеры и структуру графитовых включений в чугунах. В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.