Общие сведения. Углеродистыми сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода

Углеродистыми сталями называются железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода от 0,02 до 2,14% и постоянными примесями - кремнием, марганцем, серой, фосфором.

За превращениями, протекающих в сталях в процессе их нагрева и охлаждения, можно проследить, пользуясь диаграммой Fe - Fe₃C.

Кристаллизация сталей, содержание углерода в которых менее 0,51%, начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов феррита - твердого раствора a (раствор углерода в Fe_a); кристаллизация же сплавов с большим содержанием углерода - с выделением аустенита - твердого раствора g (раствор углерода в Fe_g).

В сплавах, содержащих не более 0,1% углерода, весь жидкий раствор переходит в кристаллы феррита, который при дальнейшем охлаждении в интервале температур, ограниченными линиями NH и NJ, перекристаллизовывается в аустенит.

Сплавы, содержащие от 0,1 до 0,51% углерода, претерпевают при температуре 1499⁰С (линия HB) перитектическое превращение, которое заключается в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке B (0,51 %C), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита концентрации точки H (0,1%С), образует новую фазу - кристаллы аустенита концентрации точки J (0,16 %C)

Ж_B + Ф_H ® A_J

Если сплав содержит 0,16 % С, то жидкость и феррит, взаимодействуя друг с другом, целиком превращается в аустенит.

В сплавах с содержанием углерода от 0,1 до 0,16 % после завершения перитектического превращения кроме образовавшегося аустенита имеется остаток феррита. При дальнейшем охлаждении этот феррит перекристаллизовывается в аустенит.

Сплавы с содержанием углерода от 0,16 до 0,51 % после завершения перитектического превращения имеют двухфазную структуру: аустенит и остаток жидкости. Оставшийся жидкий раствор при дальнейшем охлаждении затвердевает с образованием кристаллов аустенита. Кристаллизация заканчивается на линии JE.

Ниже линий NJ и JE все сплавы имеют однофазную аустенитную структуру.

Сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (точка P), называется технически чистым железом, после перекристаллизации аустенита в низкотемпературный a - твердый раствор (феррит) получают однофазную ферритную структуру (рис.1.3 а) или структура феррита с небольшим количеством третичного цементита.

Последний выделяется из феррита в процессе охлаждения в связи с уменьшением растворимости углерода в Fe_a по линии PQ.

Все сплавы с содержанием углерода более 0,02% претерпевают при температуре 727⁰С эвтектоидное превращение. В сплавах с содержанием углерода менее 0,8% этому процессу предшествует выделение феррита, что приводит к увеличению концентрации углерода в оставшемся аустените при понижении температуры (линия ES) протекает процесс выделения вторичного цементита, и содержание углерода в аустените уменьшается до эвтектоидной концентрации (точка S). При температуре эвтектоидного превращения аустенит содержит 0,8 % С и распадается с образованием эвтектоида - пластинчатой смеси феррита с цементитом, называемой перлитом

A_s ® перлит (Ф_р + Ц_к)

Описанные равновесные процессы превращения в сталях при охлаждении их из однородной аустенитной области совпадают с превращениями в сталях при отжиге, т.е. при нагреве сталей до аустенитного состояния и последующем медленном охлаждении их вместе с печью. Поэтому по структуре отжига стали делятся на доэвтектоидные (С< 0,8%), имеющие после окончательного охлаждения структуру феррит + перлит (рис. 1.3 б), эвтектоидную (С = 0,8%) со структурой перлита (рис. 1.4 а) и заэвтектоидные (С> 0,8%), структура которых - перлит + цементит вторичный (рис. 1.4 б).

Инструментальные стали подвергаются специальному отжигу на структуру зернистого перлита с целью смягчения и улучшения их обрабатываемости, а также для подготовки к последующей термической обработке. Со структурой зернистого перлита (рис.1.5) инструментальные стали поставляются с металлургических заводов.

В практике такому отжигу подвергают только отливки или поковки из доэвтектоидных конструкционных сталей.

Отжиг проводится с целью измельчения зерна, что повышает ударную вязкость, для снижения твердости и улучшения обрабатываемости и для снятия внутренних напряжений.

В отожженных доэвтектоидных сталях количественное соотношение между перлитом и ферритом зависит от содержания в стали углерода. С увеличением содержания углерода пропорционально увеличивается содержание перлита (рис.1.6). Поэтому, считая, что феррита практически не растворяет углерода, а наличие в структуре 100 % перлита соответствует 0,8 %С, можно узнать содержание углерода в любой доэвтектоидной стали, определив с помощью микроскопа количественное соотношение между структурными составляющими и решая затем простую пропорцию

0,8% С - 100 % перлита

Х % С - А % перлита

где А - примерное количество перлита в стали, определенное с помощью микроскопа

Отсюда Х = (0,8 А / 100) %

Структура стали, зависящая от содержания в ней углерода, определяет свойства ее, а следовательно, и область применения.

Доэвтектоидные стали являются конструкционными, применяемыми для изготовления большой номенклатуры деталей машиностроения и приборостроения. Увеличение содержания углерода в них сопровождается увеличением твердости и прочности и уменьшением пластичности и вязкости.

Стали с содержанием углерода больше 0,75 используются в основном как инструментальные стали, причем стали высокоуглеродистые (С ³ 1%), характеризующиеся повышенной твердостью и износостойкостью, применяются для изготовления режущего и мерительного инструмента. Стали с меньшим содержанием углерода, обладающие наряду с высокой твердостью и прочностью достаточной вязкостью, используются для инструмента, подвергающегося ударом (слесарный и др.).

В табл.1.1 и 1.2 приведены ГОСТ на качественные углеродистые конструкционные и инструментальные стали с указанием их назначения и свойств в состоянии поставки.

Свойства стали зависят не только от содержания в ней углерода, но также от технологии получения изделий или полуфабрикатов, которая определяет особенности структуры.

Литая сталь всегда имеет крупнозернистую структуру (рис.1.7 б) и поэтому худшие механические свойства, чем сталь горячекатаная, особенно понижаются показатели пластичности и ударной вязкости. Очень часто в литой стали наблюдается видманштеттовая структура, образованию которой способствует большая величина аустенитного зерна и ускоренное охлаждение. Последнее вызывает значительное переохлаждение аустенита и повышение ее упругости, в результате чего феррит образуется по определенным кристаллографическим плоскостям аустенита согласно принципу размерного и структурного соответствия.

Видманштеттовая структура образуется также и в перегретой стали (рис.1.7 а). При ее образовании сильно снижается ударная вязкость стали.

Для исправлении структуры и улучшения механических свойств литая или перегретая сталь подвергается отжигу или нормализации.

Не всегда мелкозернистую и однородную структуру получает сталь и после горячей обработки давлением. Иногда в такой стали обнаруживается строченная структура, когда структурные составляющие - феррит и перлит вытягиваются чередующимися полосами вдоль направления деформации (рис.1.8). Строченная структура приводит к анизотропии свойств; особенно ухудшаются механические свойства поперек образовавшихся строчек.

Основной причиной возникновения строчечной структуры в конструкционных сталях является загрязненность неметаллическими включениями (сульфидами, окислами).

Нерастворимые при температурах обработки давлением сульфидные и оксидные включения вытягиваются в волокна или при получении листа раскатываются в тонкие полоски и при охлаждении из аустенитного состояния выполняют роль центров кристаллизации феррита, ориентируя его строчками.

Строчечность структуры, обусловленную повышенным содержанием неметаллических включений, нельзя исправить полностью. Однако ее можно значительно уменьшить, увеличивая скорость охлаждения из аустенитного состояния, препятствуя тем самым обособленному выделению феррита. Анизотропия свойств стали при этом в определенной мере сохранится из-за неизменной вытянутой формы включений.

Строчечное расположение структурных составляющих может возникнуть и в высококачественной стали, содержащее малое количество вредных примесей. Так, если горячая обработка давлением заканчивается при заниженной температуре, соответствующей двухфазной области аустенита и феррита, т.е. межкритическому температурному интервалу, то выделяющийся феррит вытягивается полосками в направлении приложенного усилия. Такая строчечность полностью исчезает после отжига или нормализации.

К сильному снижению поверхностной твердости стальных изделий приводит их обезуглераживание в печной атмосфере. Оно заключается в выгорании углерода в поверхностных слоях изделия и образовании в связи с этим тонкого поверхностного слоя чистого феррита.

Единственный путь исправления этого дефекта - устранение обезуглероженного слоя обработкой резанием за счет припусков, даваемых на изготовление изделий.

Для предупреждения обезуглероживания применяют нагрев изделий в специальных нейтральных или защитных атмосферах.

Однако практика термической обработки сталкивается с неравновесными процессами, при которых одними из важнейших становятся временной фактор и направление изменения температуры металла. Нагревая до определенной температуры и затем охлаждая стальные детали и изделия, можно изменить структуру стали (не меняя химического состава) и получить различные механические свойства, требующиеся для работы деталей.

Термической обработкой называются процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменение внутреннего строения, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств. Основными видами термообработки являются закалка, отжиг, нормализация и отпуск.

Дата добавления: 2015-07-07