Материаловедение: конспект лекций - Виктор Алексеев

Группа А включает стали следующих марок: Ст 0, Ст 1 кп, Ст 1 пс и т. д. до СТ всп. Буквы «Ст» означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σВ и предел текучести σТ и уменьшается относительное удлинение. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например, Ст 3 кп, Ст 3 пс, Ст 3 сп).

В группу Б входят стали следующих марок: БСт 0, БСт 1 кп и т. д. до БСт 6 кп. Для стали группы Б предусмотрены две категории. В первую категорию входят стали всех марок, содержащие следующие химические элементы: углерод, марганец, кремний, фосфор, серу, мышьяк, азот. Ко второй категории относятся стали марок от БСт 1 до БСт 6, имеющие в своем составе хром, никель и медь.

В группу В входят стали марок ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4 и ВСт 5. Добавляемые к марке индексы пс, сп и кп означают степень раскисления стали, например: ВСт 3 сп, ВСт 3 гпс и т. д. Буква «г» после номера указывает на повышенное содержание марганца.

Для автоматизированных металлорежущих станков металлургической промышленностью производятся специальные автоматные стали, способные образовывать ломкую, легко сходящую и легко удаляемую стружку. Это стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Высокая обрабатываемость таких сталей достигается за счет увеличения содержания серы и фосфора (до 0,35 %), а также введения свинца (до 0,35 %).

Автоматные стали применяются в крупносерийном и массовом производствах. Из них изготовляют детали неответственного назначения для автомобилей и тракторов (крепеж, оси, втулки и др.).

3. Чугуны: белые, серые, высокопрочные, ковкие

Чугун – первичный продукт переработки железных руд путем плавки в доменных печах. В структуре чугунов могут быть разные составляющие в зависимости от того, какая часть углерода оказывается в структурно—свободном состоянии. Это же определяет название чугунов: белый, серый, высокопрочный, ковкий.

Чугун – самый распространенный железоуглеродистый литейный материал, содержащий свыше 2 % углерода, до 4,5 % – кремния, до 1,5 % – марганца, до 1,8 % – фосфора и до 0,08 % – серы. Чугун обладает высокими литейными свойствами, поэтому широко используется в литейном производстве в качестве конструкционного материала. Из чугуна, имеющего невысокий коэффициент трения, изготовляют подшипники скольжения.

Белый чугун представляет собой сплав железа с углеродом в виде карбида железа Fe 3 C, т. е. углерод находится в связанном состоянии в виде химического соединения – цементита. Содержание углерода в белом чугуне колеблется в пределах от 2,14 до 6,67 %, причем первичная структура белых чугунов может содержать ледебурит, аустенит и первичный цементит. Кроме того, в микроструктуру белых доэвтектических чугу—нов входят перлит, вторичный цементит и ледебурит – при комнатных температурах. При содержании от 2,14 до 4,3 % углерода белые чугуны называются доэвтектическими, при 4,3 % – эвтектическими и при 4,3–6,67 % – заэвтектическими.

Серый чугун широко применяется в машиностроении. Такое название он получил по серому цвету излома, обусловленному наличием в структуре чугуна свободного углерода в виде графита. Металлургическая промышленность выпускает одиннадцать марок серых чугунов: СЧ 10 – из него изготавливают детали, для которых прочностная характеристика не является обязательной, – запорную арматуру (вентили, клапаны, задвижки), сковороды, крышки и так далее; СЧ 15, СЧ 18 – из них изготавливают рычаги, шкивы, фланцы, звездочки, корпусные малонагруженные детали.

Высокопрочный чугун получают путем введения магния – до 0,9 % и церия – до 0,05 % в жидкий серый чугун перед разливкой его в формы.

Высокопрочный чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния и пониженное содержание марганца. В этом чугуне сочетаются ценные свойства стали и чугуна. В обозначение их марок входят два числа – первое указывает предел прочности на разрыв, второе – относительное удлинение.

Всего выпускают десять марок высокопрочного чугуна.

Например: ВЧ 38–17, ВЧ 42–12, ВЧ 45–5, ВЧ 50–7, ВЧ 100–2, ВЧ 120–2. Из высокопрочных чугунов изготавливают многие детали, в том числе фасонные, корпуса и станины станков, гильзы, цилиндры, зубчатые колеса и т. д.

Выпуска 11 марок ковкого чугуна, причем маркируется он по тому же принципу, что и высокопрочный. Ковкие чугуны могут иметь ферритную, перлитную и ферритил—перлитную металлическую основу.

Чугуны ферритного класса КЧ 35–10 и КЧ 37–12 используют для производства деталей, эксплуатируемых при высоких динамических и статических нагрузках, – картеров, редукторов, ступиц и т. д., а чугуны марок КЧ 30–6 и КЧ 33–8 – для изготовления менее ответственных деталей – хомутов, гаек, вентилей, колодок и т. д.

ЛЕКЦИЯ № 8. Способы обработки металлов

1. Влияние легирующих компонентов на превращения, структуру, свойства сталей

Легирующие компоненты или элементы, вводимые в стали в зависимости от их взаимодействия с углеродом, находящемся в железоуглеродистых сплавах, подразделяют на карбидо—образующие и некарбидообразующие. К первым относятся все элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа, – марганец, хром, молибден и т. д. Правее железа располагаются элементы, не образующие карбидов, – кобальт, никель и т. д.

Первые, как и вторые, легирующие элементы растворяются в α– или ν —железе, однако содержание карбидообразую—щих элементов в этих фазах железа меньше, чем вводимое в сталь, так как определенное их количество связывается с углеродом. При этом растворение легирующих элементов в α– и ν —фазах ведет к изменению периода кристаллической решетки. Элементы с большим атомным радиусом увеличивают его (W, Mo и др.), а с меньшим (Si) – уменьшают.

При близости атомных размеров (Mn, Ni, Cr) периоды кристаллической решетки изменяются слабо. Как показывают исследования, прочность феррита изменяется пропорционально периоду его решетки. Карбиды в легированных сталях являются твердыми растворами на основе того или иного соединения: Fe 3 C, Fe 3 Mo 3 C, Fe 3 W 3 C и т. д.

В легированных сталях выделяются две группы карбидов: группа I – M 3 C, M 23 C 6, M 7 C 3 и M 6 C и группа II – MC, M 2 C (M – легирующий компонент – элемент). Карбиды I группы имеют сложную кристаллическую решетку и при соответствующем нагреве достаточно хорошо растворимы в аустени—те. Карбиды II группы имеют простую кристаллическую решетку, но растворяются в аустените лишь частично и при очень высокой температуре.

Некарбидообразующие элементы (легированные) содержатся в легированных сталях в виде твердого раствора в феррите. Карбидообразующие легированные элементы могут находиться в различных структурных состояниях: они могут быть растворены в феррите или цементите (FeCr) 3 C или существовать в виде самостоятельных структурных составляющих – специальных карбидов: WC, MoC и др. Местоположение карбидообразующих элементов в структуре стали зависит от количества введенных легирующих элементов и содержания углерода. Легирующие элементы, растворенные в феррите, искажают его кристаллическую решетку; уменьшают теплопроводность и электропроводность стали. Карбиды легирующих элементов отличаются весьма высокой твердостью (70–75 HRC) и износостойкостью, но обладают значительной хрупкостью. Они играют очень важную роль в производстве инструментальных сталей.

Как показали исследования, конкретному сечению стали должно соответствовать определенное количество легирующих элементов, иначе ухудшаются такие ее технологические свойства, как обработка резанием, свариваемость и др. Например, если содержание хрома или марганца превышает 1 %, увеличивается порог хладноломкости стали (порог хладноломкости, или критическая температура хрупкости, – это температура перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, и наоборот).

2. Теория термической обработки

Задача термической обработки – путем нагрева и охлаждения вызвать необратимое изменение свойств вследствие необратимого изменения структуры. Любой вид термической обработки обычно изображается в координатах температура – время.

Собственно термическая обработка не предусматривает какого—либо иного воздействия, кроме температурного.

При термической обработке стали происходят следующие основные превращения:

1) превращение перлита в аустенит, происходящее при нагреве выше точки Ас1 :

Fea + Fe3 C → Fev (C) или П – А;

Рис. 8. График термической обработки: τн – время нагрева, τв – время выдержки, τ0 – время охлаждения; t max – максимальная температура; tист – истинная скорость охлаждения при данной температуре, v = t max – средняя скорость охлаждения