Маркировка стали

   Лекция 10  

   Стали. Классификация и  маркировка сталей.  

   

1. Влияние углерода и примесей на свойства сталей
2. Влияние углерода.
3. Влияние примесей.
4. Назначение легирующих элементов.
5. Распределение легирующих элементов в стали.
6. Классификация и маркировка сталей
7. Классификация сталей
8. Маркировка сталей
9. Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380).
10. Качественные углеродистые стали
11. Качественные и высококачественные легированные стали
12. Легированные конструкционные стали
13. Легированные инструментальные стали
14. Быстрорежущие инструментальные стали
15. Шарикоподшипниковые стали

 

 

   Стали являются наиболее распространенными  материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием.

   Достоинством  является возможность, получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки. Стали, подразделяют на углеродистые и легированные.  

   Влияние углерода и примесей на свойства сталей  

   Углеродистые  стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.  

   Влияние углерода.  

   Влияние углерода на свойства сталей показано на рис. 10.1

   

   Рис.10.1. Влияние углерода на свойства сталей  

   С ростом содержания углерода в структуре  стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения  между составляющими приводит к  уменьшению пластичности, а также  к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.

   Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог  хладоломкости и снижает ударную вязкость.

   Повышаются  электросопротивление и коэрцитивная сила, снижаются магнитная проницаемость  и плотность магнитной индукции.

   Углерод оказывает влияние и на технологические  свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.  

   Влияние примесей.  

   В сталях всегда присутствуют примеси, которые делятся на четыре группы. 1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.

   Марганец  и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями.

   Содержание  марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость стали, вызванную влиянием серы. Он способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Частицы сульфида марганца располагаются в виде отдельных включений, которые деформируются и оказываются вытянутыми вдоль направления прокатки.

   Содержание  кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке

   Содержание  фосфора в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость.

   Располагаясь  вблизи зерен, увеличивает температуру  перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость, уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.

   Фосфор  обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные  участки имеют резко пониженную вязкость.

   Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.

   S – уменьшается пластичность, свариваемость и коррозионная стойкость. Р–искажает кристаллическую решетку.

   Содержание  серы в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При взаимодействии с железом образует химическое соединение – сульфид серы FeS, которое, в свою очередь, образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988^oС. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости.

   Красноломкость  – повышение хрупкости при высоких температурах

   Сера  снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность ( и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

   2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.

   Азот  и кислород находятся в стали  в виде хрупких неметаллических  включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).

   Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость.

   Очень вредным является растворенный в  стали водород, который значительно  охрупчивает сталь. Он приводит к  образованию в катанных заготовках и поковках флокенов.

   Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен – хлопьев серебристого цвета.

   Металл  с флокенами нельзя использовать в промышленности, при сварке образуются холодные трещины в наплавленном и основном металле.

   Если  водород находится в поверхностном  слое, то он удаляется в результате нагрева при 150…180 , лучше в вакууме мм рт. ст.

   Для удаления скрытых примесей используют вакуумирование.

   3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.  

   Назначение  легирующих элементов.  

   Основным  легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей - (0…-100)^oС.

   Дополнительные  легирующие элементы.

   Бор - 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС.

   Марганец  – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости  до (+40…-60)^oС.

   Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.

   Введение  молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.

   Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.

   Введение  в хромистые стали никеля, значительно  повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.

   Значительное  количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.

   При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.

   Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.  

   Распределение легирующих элементов  в стали.  

   Легирующие  элементы растворяются в основных фазах  железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные  карбиды.

   Растворение легирующих элементов в происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти амомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

   Изменение размеров решетки вызывает изменение  свойств феррита – прочность  повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют  меньше, чем никель, кремний и  марганец. Молибден и вольфрам, а  твкже кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

   В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную  d – электронную полосу.

   В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

   При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe₃C, Mn₃C, Cr₂₃C₆, Cr₇C₃, Fe₃W₃C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

   При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo₂C, WC, VC, TiC, TaC, W₂C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

   Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.

   4. Случайные примеси.  

   Классификация и маркировка сталей  

   Классификация сталей  

   Стали классифицируются по множеству признаков.

1. По химическому: составу: углеродистые и легированные.
2. По содержанию углерода:
• низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;
• среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;
• высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %
3. По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.
4. По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:
• , – углеродистые стали обыкновенного качества:
• – качественные стали;
• – высококачественные стали.
5. По способу выплавки:
• в мартеновских печах;
• в кислородных конверторах;
• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.
6. По назначению:
• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов;
• инструментальные – применяются для изготовления различных инструментов;
• специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.