Твердость металлов

Заэвтектоидные  стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют структуру, которая состоит из перлита и цементита (рис. 2в).Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более равномерного распределения зерен цементита в стали. 

Рис .2. Микроструктура углеродистых сталей: 
а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной 
(слева – схематическое изображение).

Определение массовой доли углерода в стали и марки  стали  
по ее структуре

Возможность определения  массовой доли углерода в стали по структуре, обусловливается тем обстоятельством, что структурные составляющие медленно охлажденной, т.е. находящейся в равновесном состоянии стали, содержат определенные и постоянные массовые доли углерода. При изменении доли углерода в такой стали в пределах данной структурной группы (доэвтектоидная, заэвтектоидная) изменяется только количественное соотношение структурных составляющих. Из этого вытекает, что определение массовой доли углерода может производиться только по равновесной структуре.

Поскольку плотности  структурных составляющих сталей близки, то соотношение их массовых долей можно заменить соотношением занимаемых ими площадей.

В доэвтектоидных сталях массовая доля углерода определяется по формуле:

, (1)

где F_n – площадь поля зрения микроскопа, занимаемая перлитом, %; 
0,8 – % С в перлите.

Рассчитав массовую долю углерода заданной доэвтектоидной стали по формуле (1), можно по табл. 2 определить марку этой стали.

Влияние примесей на свойства сталей

В углеродистой стали кроме основных компонентов (железа и углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Присутствие разных примесей объясняется соответствующими причинами. Мп и Si в десятых долях процента переходят в сталь в процессе ее раскисления; S и Р в сотых долях процента остаются в стали из-за трудности их полного удаления; Сr и Ni переходят в сталь из шихты, содержащей легированный металлический лом, и допускаются в количестве не более 0,3 % каждого. Таким образом, сталь фактически является многокомпонентным сплавом. Допустимые количества примесей в сталях регламентируются соответствующими стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость – хрупкость при нормальной и пониженных температурах, а S – горячеломкость (красноломкость) – хрупкость при температурах горячей обработки давлением. Поскольку в сталях допускаются небольшие количества примесей, то их влияние на свойства незначительно. Основным элементом, определяющим механические и технологические свойства стали, является углерод.

Каждой марке  углеродистой стали соответствуют  регламентированные стандартами определенные пределы содержания углерода. 

Маркировка  углеродистых сталей

По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются следующим образом:

1. Стали конструкционные  углеродистые обыкновенного качества  содержат вредных примесей: серы  до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ 380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6 (табл. 1). Если после марки стоят буквы "кп" - это означает, что сталь кипящая, полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если "сп" – сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс" – сталь полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок изготавливают детали машиностроения. В судостроении применяются как корпусные, для малоответственных конструкций, деталей машин, механизмов и устройств судов и плавсредств всех типов.

2. Стали конструкционные  углеродистые качественные (ГОСТ 1050-88).

К сталям этой группы предъявляют более высокие требования относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (менее 0,035 %). Они маркируются двузначными цифрами, обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях процента (табл. 2). Например, сталь 30 – углеродистая конструкционная качественная сталь со средней массовой долей углерода 0,3 %. Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются во всех отраслях машиностроения и в судостроении в частности.

Низкоуглеродистые стали (08, 10, 15, 20, 25) обладают высокой  пластичностью, но низкой прочностью. Стали 08, 10 используют для изготовления деталей холодной штамповкой и высадкой (трубки, колпачки и т.п.). Стали 15, 20, 25 применяют для цементируемых и цианируемых деталей (втулки, валики, пальцы п т.и.), работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций.

Среднеуглеродистые  стали (30, 35, 40, 45, 50), обладающие после  термической обработки хорошим  комплексом механических свойств, применяются  для изготовления деталей повышенной прочности (распределительных валов, шпинделей, штоков, плунжеров, осей, зубчатых колес и т.п.).

Высокоуглеродистые  стали (55, 60) обладают более высокий  прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяются для деталей  работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают прокатные валки, шпиндели, диски сцепления, регулировочные шайбы и т.п.

3. Стали углеродистые  инструментальные качественные  и высококачественные (ГОСТ 1435-90).

Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях процента (табл. 3). Например, сталь У10 – инструментальная углеродистая качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е. содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее 0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки, напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.

Таблица 1

Химический  состав углеродистых конструкционных  сталей  
обыкновенного качества по ГОСТ 380-94.

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	C	Mn	Si
Ст0 Ст1кп Ст1пс Ст1сп Ст2кп Ст3пс Ст4сп Ст5сп Ст6пс	< 0,23 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,06 – 0,12 0,09 – 0,15 0,14 – 0,22 0,18 – 0,27 0,28 – 0,37 0,38 – 0,49	– 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,25 – 0,50 0,30 – 0,65 0,40 – 0,70 0,50 – 0,80 0,50 – 0,80	– < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 < 0,05 0,05 – 0,15 0,15 – 0,30 0,15 – 0,30 0,05 – 0,15

 

СОДЕРЖАНИЕ  ОТЧЕТА

1.Название работы. 
2. Цель работы. 
3. Фазовая и структурная диаграммы Fe–Fe₃С (рис. 1). 
4. Расчет массовой доли углерода доэвтектоидной стали. 
5. Схемы микроструктур углеродистых сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, с указанием марки стали, ее химического состава и механических свойств, назначения стали. 
6. Вывод.

Содержание  углерода и механические свойства углеродистых качественных  
конструкционных сталей ГОСТ 1050-88

 

 

Таблица 3

Химический  состав углеродистых инструментальных 
качественных и высококачественных сталей по ГОСТ 1435-90.

Марки  стали	Массовая доля элементов, %
	C	Si	Mn	S		P
				Не более
У7; У7А У8; У8А У9; У9А У10; У10А У11; У11А У12; У12А У13; У13А	0,65 – 0,74 0,75 – 0,84 0,85 – 0,94 0,95 – 1,04 1,05 – 1,14 1,15 – 1,24 1,25 – 1,35	0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33	0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33 0,17 – 0,33	0,028; 0.018 0,028; 0.018 0,028; 0.018 0,028; 0.018 0,028; 0.018 0,028; 0.018 0,028; 0.018	0,030; 0,025 0,030; 0,025 0,030; 0,025 0,030; 0,025 0,030; 0,025 0,030; 0,025 0,030; 0,025

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ  ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что такое сталь?
2. Компоненты углеродистых сталей.
3. Дать определение фаз углеродистых сталей ( феррита, цементита, аустенита).
4. Охарактеризовать механические свойства феррита и цементита.
5. Влияние массовой доли углерода на количественное соотношение фаз и механические свойства стали.
6. Что такое перлит?
7. Структурные составляющие углеродистых сталей и особенности их механических свойств.
8. Как маркируются конструкционные и инструментальные углеродистые стали?
9. Как подразделяются углеродистые стали по качеству?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИКРОСТРУКТУРА  ЧУГУНОВ

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Исследовать металлографически  микроструктуру белых и графитизированных  чугунов. Изучить маркировку и практическое применение графитизированных чугунов.

 

ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ

 

Металлографические микроскопы. Коллекция микрошлифов чугунов.

 

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

К чугунам относятся  сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 %С (рис. 1). 
Практическое применение находят чугуны с содержанием углерода до 4 – 4,5 %. При большем количестве углерода, механические свойства существенно ухудшаются.

 

Промышленные  чугуны не являются двойными сплавами, а содержат кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически связанном состоянии, в виде карбида железа (F₃C - цементит), то такой чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той или иной формы, называются графитизированными.

 

Белые чугуны

 

Микроскопический  анализ белых чугунов проводят, используя  диаграмму состояния Fe – Fe₃С (рис. l). Из-за присутствия большого количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB = 4500 – 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием. Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как конструкционный материал.

 

Обычной структурной  составляющей белых чугунов является ледебурит. Ледебуритом называют смесь аустенита и цементита, образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.

эвтектика (ледебурит)

 

Чугун, содержащий 4,3 %С (точка С), называется белым эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а правее - заэвтектические белые чугуны. 
В доэвтектических белых чугунах из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика – ледебурит.

 

При охлаждении чугуна в интервале температур от 1147 °С до 727 °С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже 727 °С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на перлит (Ф + Ц)

 

 

Рис. 1. Структурная  диаграмма состояния системы железо-цементит 
(в упрощенном виде)

 

 

Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита, сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом трудно различить  включения вторичного цементита.

 

Таким образом, при комнатной температуре в  доэвтектических белых чугунах находятся три структурные составляющие – перлит, ледебурит и вторичный цементит (рис. 2).