ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 6

Наименование работы: Химико-термическая обработка

углеродистых сталей

Цель работы

:

ознакомиться с технологическим процессом химико-

термической обработки углеродистых сталей.

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО:

Студент должен

знать:

-

закономерности

процессов

кристаллизации

и

структурообразования

металлов и сплавов, основы их термообработки,



- строение и свойства металлов, основы их термообработки, способы

защиты металлов от коррозии.

.

Задания для практической работы:

1.Описать сущность химико-термической обработки.

2.

Охарактеризовать

все

виды

химико-термической

обработки

(цементацию, азотирование, нитроцементацию), описать свойства,

приобретаемые

в результате

каждого вида химико-термической

обработки.

3.Оформить отчет.

Содержание отчета по практической работе

1.

Наименование работы

2.

Цель работы

3.

Задания для практической работы и их выполнение

4.

Письменные ответы на контрольные вопросы

Контрольные вопросы:

1.

С какой целью изделия подвергают поверхностному упрочнению?

2.

Назовите методы поверхностного упрочнения изделий.

3.

Какой физический процесс лежит в основе химико-термической

обработки сталей и сплавов?

4.

Назовите виды и сущность диффузной металлизации.

Краткие теоретические сведения

В промышленном производстве нередко требуются детали с вязкой

сердцевиной и твердым поверхностным слоем. Для этого применяют

поверхностное упрочение материалов. Способы поверхностного упрочения:

поверхностная

закалка,

химико-термическая

обработка,

пластическое

деформирование, диффузная металлизация.

Все

методы поверхностной

закалки

заключаются

в

быстром

нагревании детали выше критических точек только поверхностного слоя с

последующим охлаждением.

Химико-термической

обработкой

называют

технологические

процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя

деталей различными элементами.

Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости,

износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а

также для защиты от электро-химической и газовой коррозии.

При химико-термической

обработке деталь помещают в среду,

богатую химическим элементом, которым насыщают металл. Чаще всего это

газ. При этом происходят 3 процесса:

- диссоциация – распад молекул газа с образованием активных атомов;

-

абсорбция – поглощение или растворение активных атомов

поверхностью металла;

- диффузия – проникновение насыщающего элемента вглубь металла.

В результате образуется диффузионный слой, на поверхности которого

концентрация диффундирующего химического элемента наибольшая.

Продолжительность

процесса

химико-термической

обработки

определяется требуемой глубиной диффузионного слоя.

К видам химико-термической обработки относятся цементация, азо-

тирование, цианирование и др.

Цементация — это процесс насыщения поверхностного слоя стальных

деталей углеродом. Цементации обычно подвергают такие детали машин,

которые должны иметь износостойкую рабочую поверхность и вязкую

сердцевину: зубчатые колеса, валы и пальцы, распределительные валики,

кулачки, червяки и др.

Цементация производится путем нагрева стальных деталей при 880…

950°С в углеродосодержащей среде, называемой карбюризатором. Различают

два основных вида цементации — газовую и твердую.

Твердая цементация требует значительного времени, до нескольких

десятков часов, что является недостатком.

.

Твердая

цементация

проводится

в

стальных

ящиках,

куда

укладываются детали вперемешку с карбюризатором. Карбюризатором

служит порошок древесного угля с добавкой солей Na

2

СО

3

или ВаСО

3

.

Газовая цементация проводится в газе, содержащем метан СН

4

и оксид

углерода СО.

Процесс газовой цементации идет быстрее, т.к. не приходится нагревать

ящик с карбюризатором. Для получения слоя толщиной 0,7 – 1,5 мм при

температуре 930°С продолжительность газовой цементации составляет 6-12

часов.

Кроме

того,

процесс

газовой

цементации

легко

регулируется

и

автоматизируется.

На заводах работают автоматизированные агрегаты для цементации,

которые регулируют процесс по углеродному потенциалу.

Цементации подвергают стали с низким содержанием углерода (0,1…0,3

%). В результате на поверхности концентрация углерода возрастает до 1,0…

1,2 %.

Эффективная толщина цементованного слоя обычно составляет 0,5–1,8

мм и в исключительных случаях достигает 6 мм при больших контактных

нагрузках на цементованную поверхность.

Структура после цементации получается крупнозернистой в связи с

длительной выдержкой деталей при температуре науглероживания.

Азотированием

называется процесс насыщения поверхности стали

азотом.

Азотирование

применяют

для

повышения

твердости,

износостойкости, коррозионной стойкости и предела выносливости деталей

машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).

До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску

(улучшению), чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или

полируют.

Обычное азотирование проводят при температуре 500–600 °С в муфелях

или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.

Вероятно,

что

на

стальной

поверхности

происходит

реакция

диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются

поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.

Проводится азотирование в изолированном объеме при температуре

500…600 °С в среде аммиака NН

3

в течение длительного времени (до 60 ч.)

Аммиак при высокой температуре разлагается с образованием активного

атомарного азота, который и взаимодействует с металлом.

Твердость

стали

повышается

за

счет

образования

нитридов

легирующих

элементов.

Поэтому

азотированию

подвергают

только

легированные

стали.

Наиболее

сильно

повышают

твердость

такие

легирующие элементы, как хром, молибден, алюминий, ванадий. Глубина

азотированного слоя составляет 0,3 … 0,6 мм, твердость поверхностного слоя

по Виккерсу доходит до НV 1200 (при цементации НV 900).

К преимуществам азотирования перед цементацией следует отнести

отсутствие

необходимости

в

дополнительной

термообработке,

более

высокую твердость и износостойкость, высокую коррозионную стойкость

поверхности.

Недостатками

являются

низкая

скорость

процесса

и

необходимость применения дорогих легированных сталей. Для получения

упрочняющего

слоя

толщиной

0,3-0,6

мм

азотирование

должно

продолжаться 24-90 часов.

Цианирование (нитроцементация) — это процесс одновременного

насыщения

поверхности

стали

углеродом

и

азотом.

Проводится

цианирование в расплавах цианистых солей NaСН или KCH или в газовой

среде,

содержащей

смесь

метана

СН

4

и

аммиака

NH

3

.

Различают

низкотемпературное и высокотемпературное цианирование.

Низкотемпературное цианирование проводится при температуре 500…

600 °С. При этом преобладает насыщение азотом. Глубина цианированного

слоя составляет 0,2…0,5 мм, твердость поверхности — НV 1000.

При высокотемпературном цианировании температура составляет

800…950 °С. Преобладает насыщение углеродом. Глубина поверхностного

слоя составляет 0,6…9,0 мм. Продолжительность процесса 4-10 часов.

После высокотемпературного цианирования следует закалка с низким

отпуском. Твердость после термообработки составляет HRC 60.

Поверхностное пластическое деформирование – обработка деталей

давлением,

при

котором

пластически

деформируется

только

их

поверхностный слой.

Диффузная металлизация – диффузное насыщение поверхностных

слоев стали различными металлами. К диффузному насыщению относятся

следующие процессы:



алитирование – насыщение алюминием при температуре 700-

1100°С для получения высокой стойкости против окалины путем

образования на поверхности пленки окиси алюминия;



силицирование – насыщение кремнием при температуре 800-

1100°С

для

повышения

износостойкости

и

коррозионной

стойкости;



цинкование – насыщение цинком при температурах 300-500°С и

700-1000°С в расплаве цинка, порошке или парах цинка для

повышения коррозионной стойкости стали;



хромирование – насыщение хромом при температуре 900-1200°С

для

повышения

коррозионной

стойкости,

твердости

и

износостойкости;



титанирование – насыщение титаном;



хромоалюминирование - насыщение хромом и алюминием для

придания высокой жаростойкости;



хромосилицирование - насыщение хромом и кремнием для

придания высокой жаростойкости.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

Наименование работы: Микроструктурный анализ чугунов.

Изучение маркировки чугунов

Цель

работы:

изучить

микроструктуру

различных

чугунов,

их

маркировку, свойства и область применения.

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО:

Студент должен

уметь:



определять виды конструкционных материалов;



распознавать

и

классифицировать

конструкционные

и

сырьевые

материалы;



выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям

эксплуатации;

знать:



классификацию

материалов,

металлов

и

сплавов,

области

их

применения.

Лабораторное оборудование и материалы: металлографический мик-

роскоп; комплект микрошлифов чугунов; набор фотографий микроструктур

железоуглеродистых сплавов; диаграмма состояния системы «железо - це-

ментит».

Задания для практической работы:

1.

Изучить, зарисовать и объяснить микроструктуру белых чугунов. Описать

процесс образования структуры белого чугуна с определенным составом.

Описать свойства и указать область применения белых чугунов.

2.

Указать химический состав и описать процесс образования структуры серых

чугунов. Изучить и зарисовать их структуры. Привести марки чугунов,

назвать их механические свойства и область применения.

3.

Объяснить способ получения и указать химический состав высокопрочных

чугунов. Изучить и зарисовать их микроструктуру. Привести марки

высокопрочных чугунов, назвать их свойства и область применения.

4.

Описать способ получения ковких чугунов, начертить график отжига.

Объяснить

формирование структуры ковкого

чугуна с

определенной

металлической основой. Изучить, зарисовать и объяснить микроструктуру.

Указать химический состав, свойства и область применения ковких чугунов.

Объяснить принципы их маркировки.

5. Используя «Справочное пособие по материаловедению» подберите

марки чугунов для изготовления следующих изделий:

- станина;

- коленчатый вал;

- зубчатое колесо;

- ступицы колес для автомобилей.

6. Оформить отчет по лабораторной работе в соответствии с вышеука-

занными пунктами задания.

Содержание отчета по практической работе

5.

Наименование работы

6.

Цель работы

7.

Задания для практической работы и их выполнение

8.

Письменные ответы на контрольные вопросы

Контрольные вопросы:

1.

Укажите основное отличие чугунов от сталей.

2.

Перечислите виды чугунов, дайте их определение.

3.

Опишите отличия белого и серого чугунов по структуре и свойствам.

Краткие теоретические сведения

Разновидности чугунов

Сплавы железа и углерода, содержащие более 2,14% углерода, называ-

ются чугунами. Они отличаются от сталей большим содержанием углерода и

примесей - марганца, кремния, серы и фосфора, а также более низкими

механическими свойствами. Благодаря их высоким литейным свойствам,

достаточной прочности, износостойкости и относительно малой стоимости,

чугуны нашли широкое применение в машиностроении. Основным факто-

ром, определяющим свойства, а следовательно, и область применения чугу-

на, является его структура.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод в чугуне, он

делится на:

• белый,

• высокопрочный,

• серый,

• ковкий.

Белым называют чугун, в котором весь углерод находится в связанном

состоянии в виде цементита.

Структура белого чугуна соответствует диаграмме равновесного со-

стояния «железо - цементит» и образуется в результате ускоренного охлаж-

дения сплава при литье.

Наличие в сплаве марганца облегчает образование цементита. Кремний

препятствует образованию цементита и способствует графитизации чугуна.

Поэтому в белом чугуне содержание кремния минимальное (0,7%), что бла-

гоприятствует образованию устойчивой цементитной структуры.

Белые чугуны по структуре делятся на:

1) доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода. Они состоят

из перлита, ледебурита и вторичного цементита (рис. 1, а);

2)

эвтектические, содержащие 4,3% углерода. Их структура -

ледебурит;

3) заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода. Их структура

состоит из ледебурита и первичного цементита (рис. 1, б).

Характерным признаком структуры белого чугуна является наличие эв-

тектики - ледебурита.

Из-за присутствия в белых чугунах большого количества цементита они

имеют высокую твердость (НВ 450-550) и хрупкость. Для изготовления

деталей машин непригодны.

Применение имеют отбеленные чугуны - отливки из серого чугуна со

слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготав-

ливают прокатные валки, тормозные колодки и другие детали, работающие в

условиях износа.

Рис. 1. Микроструктура белых чугунов: а -

доэвтектического; б - заэвтектического

В серых, высокопрочных и ковких чугунах весь углерод или его часть

находится в свободном состоянии в виде графита.

Графит обеспечивает пониженную твердость, хорошую обрабатывае-

мость резанием и высокие антифрикционные свойства. Серые, высокопроч-

ные и ковкие чугуны отличаются условиями образования графитных вклю-

чений, их формой и механическими свойствами. В серых чугунах графит

выделяется в виде пластинок; в высокопрочных - в виде шаров; в ковких -

виде хлопьев (рис. 2).

По структуре металлической основы все чугуны делятся на:

1) перлитные, со структурой перлита и графита. Количество связанного

углерода составляет 0,8%;

2) ферритно-перлитные,

со структурой феррита, перлита и графита.

Количество связанного углерода от 0,02-0,8%;

3) ферритные, со структурой феррита и графита. Весь углерод находится

в виде графита.

Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы и от коли-

чества, формы и характера распределения графитных включений.

а

Свойства металлической основы определяются ее структурой. С увели-

чением количества перлита твердость и прочность чугуна увеличиваются, а

пластичность уменьшается.

Рис. 2. Микроструктура серого, ковкого и высокопрочного чугунов

Наличие графита снижает прочность и пластичность металлической

основы. Чем больше графита и крупнее его пластинки, тем ниже механиче-

ские свойства чугуна.

Свойства и маркировка серого чугуна

Серым называется чугун, в котором графит имеет пластинчатую форму

(рис. 2). Серый чугун получается в отливке при медленном охлаждении. Со-

держание основных элементов в серых чугунах находится в пределах: 2,2-

3,7% С; 1-3% Si; 0,2-1,1% Mn; 0,02-0,3% P и 0,02-0,15% S. В небольших

количествах могут содержатся Cr, Ni, Cu, которые попадают с рудой. Почти

все элементы влияют на условия графитизации, структуру и свойства

чугунов.

Степень графитизации в чугунах возрастает с увеличением содержания

углерода и кремния. Такое же влияние, но более слабое, оказывают примеси

меди и никеля. Элементами, затрудняющими графитизацию, являются мар-

ганец, сера, и хром.

Свойства серых чугунов зависят от свойств металлической основы и

формы графита. Прочность, твердость и износостойкость растут с увеличе-

нием количества перлита в металлической основе, которая по строению ана-

логична сталям.

Пластинчатый графит в сером чугуне играет роль надрезов или трещин,

пронизывающих металлическую основу. По этой причине серые чугуны

имеют низкие прочность и пластичность (s = 0^°%). Чем крупнее и прямо-

угольнее форма графитных включений, тем ниже прочность чугуна.

Основным

показателем

механических

свойств

серых

чугунов,

в

соответствии с ГОСТ 1412-85, является прочность при статическом

растяжении.

Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры, пока-

зывающей уменьшенное в 10 раз значение (в МПа) временного сопротивле-

ния при растяжении а

в

(табл. 1).

Например, СЧ 10 ГОСТ 1412 - 85.

Выбор марки чугуна для конкретных условий работы определяется со-

вокупностью технологических и механических свойств.

Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15 предназначены для слабо и

средненагруженных деталей (крышки, маховики, корпуса редукторов, под-

шипников, тормозные барабаны, диски сцепления и т. д.).

Ферритно-перлитные чугуны СЧ 20, СЧ 25 применяют для деталей, ра-

ботающих при повышенных нагрузках (блоки цилиндров, картеры двигателя,

поршни цилиндров, станины станков и другие отливки).

Более высокими свойствами обладают перлитные модифицированные

чугуны группы СЧ 30, СЧ 35 благодаря мелким разобщенным графитным

включениям. Они используются для деталей, работающих при высоких на-

грузках или в тяжелых условиях износа (зубчатые колеса, гильзы блоков

цилиндров, распределительные валы, шпиндели и т. д.).

Таблица 1

Механические свойства чугунов

Марка

чугуна

МПа

&0,2,

МПа

s, %

НВ

Структура основы

Серые чугуны (ГОСТ 1412-85)

СЧ 10

100

-

-

150

Ф

СЧ 25

250

-

-

180-245

Ф+П

СЧ 35

350

-

-

220-275

П

Высокопрочные чугуны (ГОСТ 7293-85)

ВЧ 35

350

220

22

140-170

Ф

ВЧ 60

600

370

3

192-227

Ф+П

ВЧ 80

800

490

2

248-351

П

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215-79)

КЧ 30-6 300

-

6

100-163

Ф+до10%П

КЧ 37-8 370

-

12

110-163

Ф+до10%П

КЧ 60-3 600

-

3

200-268

П+до20%Ф

Измельчение графитных включений достигается путем модифицирования

жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3-0,6% от массы

шихты). Частицы модификатора в чугунном растворе служат центрами

кристаллизации и обеспечивают мелкозернистую структуру чугуна.

Свойства и маркировка высокопрочного чугуна

Рис. 3. Схемы отжига

белого чугуна на

ферритный (1) и

перлитный (2) ковкие

чугуны

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную

форму (рис. 2).

Его получают путем двойного модифицирования жидкого серого чугуна

ферросилицием и магнием (церием). Магний способствует получению

графита в виде шаров, а также измельчению ферритоцементитной смеси ме-

таллической основы (перлита). Шаровидная форма графита меньше ослаб-

ляет металлическую основу, поэтому такой чугун прочнее и пластичнее се-

рых чугунов.

Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав, %:

3,0-3,6 С; 1,1-2,9 Si; 0,3-0,7 Mn; до 0,02 S и до 0,1 P.

Высокопрочный чугун маркируется буквами ВЧ (высокопрочный чугун).

После букв следуют цифры, обозначающие уменьшенное в 10 раз значение

его временного сопротивления а

в

(см. табл. 1). Например, ВЧ 45 ГОСТ 7293-

85.

По структуре металлической основы высокопрочный чугун подразде-

ляется на перлитный, ферритно-перлитный и ферритный (см. рис. 2).

Наименьшей прочностью обладает высокопрочный чугун с ферритной

металлической основой, наибольшей - с перлитной.

Из высокопрочных чугунов отливают детали ответственного назначения,

работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания:

коленчатые валы, поршни, детали прокатных станов и т. д.

Свойства и маркировка ковких чугунов

Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму

(см. рис. 2). Они имеют следующий химический состав, %: 2,4-2,9 С; 1,0-1,6

Si; 0,2-1,0 Mn; до 0,02 S и до 0,8 P.

Ковкие чугуны получают путем графитизирующего отжига белых до-

эвтектических чугунов.

По структуре металлической основы, которая определяется режимом

отжига, ковкие чугуны бывают ферритными и перлитными (рис. 3).

Отжиг на ферритные чугуны проводят по режиму 1 (см. рис.3). Отливки

из белого чугуна

медленно (в течение

20-25 ч) нагревают до

температуры ниже

эвтектической, а

именно 950-1000°С. В

процессе

продолжительной

выдержки

(10-

15 ч) при такой температуре происходит первая

стадия

графитизации.

Она

состоит

в

распаде

цементита, ледебурита и цементита вторичного на

аустенит и графит хлопьевидной формы. Затем температуру

медленно снижают. Вторая стадия графитизации протекает или при

медленном охлаждении в эвтектоидном интервале температур, или при

длительной выдержке (в течение 25-30 ч) в условиях ниже температуры

эвтектоидного

превращения

(720-740°С).

В

процессе

этой

выдержки

цементит перлита распадается на феррит и графит.

В результате такого отжига продолжительностью 70-80 ч формируется

структура, состоящая из феррита и хлопьевидного графита. Если на второй

стадии графитизации время выдержки сократить, можно получить ферритно-

перлитный ковкий чугун.

Перлитный ковкий чугун получают отжигом, который проводят в

окислительной среде по режиму 2 (см. рис. 3). В этом случае увеличивают

продолжительность первой стадии графитизации, после которой проводят

непрерывное охлаждение отливок. Графитизация цементита перлита прак-

тически не происходит, поэтому чугун приобретает структуру, состоящую из

перлита и хлопьевидного графита.

Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами, первое из которых

указывает уменьшенную в 10 раз величину предела прочности при растяже-

нии, второе - относительное удлинение при растяжении 8 (см. табл. 1).

Например, КЧ 35-10 ГОСТ 1215-79.

Ковкие чугуны широко применяются в сельскохозяйственном, автомо-

бильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно-, и дизеле-

строении. Из них изготавливают детали высокой прочности, работающие в

тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопере-

менные нагрузки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 8

Наименование работы: Микроструктурный анализ сталей.

Изучение маркировки сталей

Цель работы: изучить микроструктуру углеродистых сталей в равно-

весном состоянии; установить связь между структурой стали, диаграммой

состояния системы «железо — цементит» и свойствами сплавов; научиться

определять содержание углерода в стали.

Образовательные результаты, заявленные во ФГОС СПО:

Студент должен

уметь:



определять виды конструкционных материалов;



распознавать и классифицировать конструкционные и сырьевые

материалы.

знать:



классификацию материалов, металлов и сплавов, области их

применения.

Лабораторное оборудование и материалы: металлографический мик-

роскоп; набор микрошлифов технического железа и углеродистых сталей;

комплект фотографий микроструктур железоуглеродистых сплавов; диа-

грамма состояния системы «железо — цементит».

Задания для практической работы:

1.Изучить микроструктуру доэвтектоидных, эвтектоидных, заэвтекто-

идных сталей, их свойства и область применения.

2.Исследовать под микроскопом шлифы углеродистых сталей, схема-

тично зарисовать наблюдаемую структуру.

3.Изучить влияние содержания углерода и цементита в сталях на их

свойства.

4.Изучить классификацию сталей по их назначению и содержанию

вредных примесей, а также принцип маркировки сталей.

5.

Определить содержание углерода и марку углеродистой стали (по за-

данию преподавателя), указать ее свойства и область применения. Результа-

ты занести в таблицу.

Наименовани

е сплава

структура

Содержание

углерода

Характеристика сплава и его

применение

6.

Оформить отчет по работе.

Содержание отчета по практической работе

1.

Наименование работы

2.

Цель работы

3.

Задания для практической работы и их выполнение

4.

Письменные ответы на контрольные вопросы

Контрольные вопросы:

1. Приведите классификацию сталей по содержанию углерода. Укажите

структуру сталей, содержащих различное количество углерода.

2. Как меняются механические свойства стали с увеличением содержания

в ней углерода?

3. Укажите максимальную концентрацию углерода в конструкционных и

инструментальных сталях.

4. Напишите обозначение (марку) стали обыкновенного качества любого

номера, поставляемой с гарантированными механическими свойствами,

кипящей, третьей категории.

5. Укажите содержание серы, фосфора в сталях обыкновенного качества,

качественных.

Краткие теоретические сведения

Влияние содержания углерода на структуру и свойства стали

Сплавы железа и углерода, содержащие углерода до 2,14%, называют

сталями.

В данной работе структуру сталей изучают в равновесном состоянии, при

котором в сплавах с течением времени не происходит никаких превращений.

Равновесное

состояние

в

сплаве

достигается

при

очень

медленном

охлаждении.

Равновесные структуры сталей и фазовые превращения в них описы-

ваются диаграммой состояния системы «железо цементит».

Стальные сплавы по содержанию углерода и структуре в равновесном

состоянии подразделяются на:

•

доэвтектоидные, содержащие углерода до 0,8%;

•

эвтектоидные - 0,8%;

•

заэвтектоидные от 0,8 до 2,14%.

Доэвтектоидные стали, содержащие углерода до 0,025%, называются

техническим железом. Их структура состоит из феррита и небольшого

количества третичного цементита, располагающегося преимущественно по

границам зерен феррита. На рис. 1 показана микроструктура доэвтектоидной

стали, содержащей 0,015% углерода: темные линии - границы зерен феррита;

светлое поле - зерна феррита; включения по границам зерен

- цементит.

С ростом содержания углерода в стали меняется ее

структура: количество цементита увеличивается, феррита —

уменьшается.

Феррит

представляет

собой

мягкую

пластичную структурную составляющую. Цементит —

тверд и хрупок. Соответственно изменению структуры

изменяются и свойства стали. Чем больше углерода в стали,

тем выше ее твердость и прочность, но ниже пластичность

(рис. 2).

Кроме того, углерод изменяет технологические свойства

стали.

При

увеличении

содержания

углерода

снижается

способность

сталей

деформироваться

и

затрудняется

свариваемость.

Доэвтектоидные

стали,

содержащие

0,025-Ю,8%

углерода, имеют структуру, состоящую из феррита (светлые зерна) и перлита

(темные зерна) (рис. 3).

Количество феррита и перлита зависит от содержания в стали углерода. С

его ростом количество феррита уменьшается, а перлита -

увеличивается. На рис. 3, видно, что с увеличением

содержания углерода в стали количество темных зерен

перлита возрастает за счет уменьшения количества зерен

феррита.

Ф Цш

Рис. 1.

Доэвтектоид-

ная сталь

(0,015% С),

структура: фер-

рит+цементит

Рис. 2. Влияние

углерода на

механические

свойства стали

По микроструктуре доэвтектоидной стали можно определить примерное

содержание в ней углерода. Для этого необходимо найти площадь

поверхности шлифа стали, занятую перлитом.

Ф+П(Ф+Ц)

Рис.

3. Доэвтектоидная сталь с различным

содержанием углерода: а-0,6% С; б - 0,2% С, структура: феррит + перлит.

Например, она составляет 50%. Учитывая, что в перлите содержится 0,8%

углерода, из пропорции

100%П - 0,8%С

50%П - Х%С

можно вычислить содержание углерода в стали:

Х=(0,8 • 50) /100 = 0,4%

По ГОСТ 1050-88 сталь, содержащая 0,4%С, является качественной,

конструкционной марки 40.

Эвтектоидная сталь (0,8% С) имеет структуру, состоящую только из

перлита. Перлит - двухфазная структура, которая представляет собой смесь

феррита и цементита зернистого либо пластинчатого строения. На рис. 4,а

представлена микроструктура зернистого перлита, где на светлом поле фер-

рита равномерно распределены мелкие, округлой формы частицы цементита.

На рис. 4, б - эвтектоидная смесь частиц феррита и цементита в виде уд-

линенных пластинчатых кристаллов. Это пластинчатый перлит.

Сумма полученных результатов представляет собой содержание углерода в

заэвтектоидной стали.

Например, площадь шлифа, занимаемая перлитом, составляет 95%,

вторичным цементитом -5%. Из пропорции вычисляем:

-содержание углерода в перлите:

100%П - 0,8%С

95%П - Х%С

Х= (95х0,8) / 100=

-содержание углерода в цементите

100%Ц - 6,67%С

5%Ц - Х%С

Х=(6,67 х 5) / 100 =

Рис. 2. Влияние

углерода на

механические

свойства стали

А

Б

ГКф-H.l)Ц

Рис. 5.

Заэвтектоидна

я сталь (1,2%

С); структура:

перлит +

цементит

вторичный

П зернистый (.Ф-НТ.) п пластинчатый (ан-Ц)

Рис. 4. Эвтектоидная сталь (0,8% С): а - зернистый перлит; б -

пластинчатый перлит

Зернистый перлит имеет меньшую твердость (120-220НВ), чем пла-

стинчатый (200-250НВ), и лучше обрабатывается резанием.

Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 до 2,14% углерода и имеет

структуру, состоящую из перлита и вторичного цементита.

Вторичный цементит выделяется из аустенита при медленном охлаж-

дении сплава от температуры А

ст

(линия SE) до температуры А

1

(линия PSK)

в виде сетки по границам зерен (см. диаграмму Fe-C). При достижении тем-

пературы А

1

аустенит превращается в перлит. В результате медленного ох-

лаждения микроструктура заэвтектоидной стали состоит из перлита и сетки

вторичного цементита (рис. 5): белая сетка - вторичный цементит, внутри

сетки зерна пластинчатого строения - перлит.

Чем больше в заэвтектоидной стали углерода, тем более плотной (тол-

стой) получается сетка цементита.

Для определения содержания углерода в заэвтектоидной стали по ее

структуре необходимо установить площадь поверхности шлифа, занятую

перлитом и цементитом вторичным. Затем из соответствующей пропорции

следует найти содержание углерода, находящегося в перлите и цементите.

Содержание углерода в стали составляет:

0,76 + 0,33 = 1,09%С .

Классификация сталей по назначению и содержанию вредных примесей

а

б

Углеродистые стали по назначению делятся на:

•

конструкционные, содержащие до 0,85% углерода;

• инструментальные, содержащие от 0,7 до 1,3% углерода.

Конструкционные стали в зависимости от термической обработки

применяемой к готовым деталям, подразделяются на:

•

цементуемые (до 0,3% С),

•

улучшаемые (0,3-0,5% С),

•

средноотпущенные (0,5-0,85% С).

По структуре в отожженном состоянии эти стали относятся к доэвтек-

тоидным и имеют ферритно-перлитную структуру.

Инструментальные стали по структуре в отожженном состоянии могут

быть доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

Свойства углеродистых сталей и область их применения зависят от со-

держания в них вредных примесей: серы и фосфора. Чем ниже их концен-

трация в стали, тем выше ее качество. По содержанию вредных примесей

стали подразделяются на:

•

обыкновенного качества;

•

качественные;

•

высококачественные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) содержит до 0,07% Р,

0,04% S, 0,06-0,49% С и являются конструкционными. В равновесном со-

стоянии имеют ферритно-перлитную структуру.

В зависимости от состояния поставки они подразделяются на три группы:

А, Б и В.

Стали маркируются сочетанием букв С

Т

и цифрой (от 0 до 6), показы-

вающей номер марки.

Чем больше номер стали, тем больше содержание в ней углерода и

перлита и тем выше ее прочность.

Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их

принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не

указывается.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими

свойствами (С

т

0, С

т

1, С

т

2, С

Т

3, Cj4, С

Т

5, Стб) и предназначаются для изго-

товления изделий, не подвергающихся горячей обработке.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом

(БС

Т

0, БС

Т

1,... ВСтб) и применяются для изготовления изделий с при-

менением горячей обработки (ковка, сварка, термическая обработка).

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими

свойствами и химическим составом (ВС

Т

0, ВС

Т

1,... ВСтб) и применяются для

изготовления сварных конструкций ответственного назначения.

Степень раскисления стали обозначается добавлением индексов:

• в спокойных сталях - СП;

• в полуспокойных - ПС;

• в кипящих - КП.

Например, БС

Т

3

СП

, С

Т

3

ПС

,. БС

Т

3

КП

Эти стали отличаются друг от друга

содержанием кремния:

• спокойные стали содержат не более 0,30% Si;

• полуспокойные - не более 0,17% Si;

• кипящие - не более 0,07% Si.

Категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается по-

следующей цифрой (С

Т

3

ПС

2). Чем выше категория стали, тем большее число

нормируемых показателей гарантирует ГОСТ.

Стали обыкновенного качества являются сталями общего назначения и

используются для изготовления проката различных профилей и листовой

стали, применяемых для производства заклепок, болтов, шайб, кровельного

железа и разнообразных металлоконструкций.

Стали качественные конструкционные (ГОСТ 1050-88) содержат не

более 0,035% фосфора, не более 0,04% серы, 0,05^0,85% углерода и постав-

ляются с гарантированным химическим составом и механическими свойст-

вами.

Маркируют их двузначными числами: 08, 10, 15, 20,...,85, обозначаю-

щими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например,

сталь 10 содержит 0,10% С. Спокойные стали маркируются без индекса, по-

луспокойные и кипящие - с индексами соответственно ПС и КП.

Стали марок 05

ПС

, 08

КП

, 08, 10 используются для изготовления деталей

сложной конструкции методом холодной штамповки.

Из сталей марок 15

КП

, 15, 20 изготавливают болты, гайки, винты, пальцы,

оси и другие детали неответственного назначения. Стали, предназначенные

для изготовления деталей, работающих в условиях износа (валы, шестерни,

пальцы), подвергают поверхностному упрочнению цементацией.

Для изготовления деталей с высокой прочностью и вязкостью сердце-

вины (оси, коленчатые валы, шатуны, тяги, втулки и др.) используют стали

марок 30, 35, 40, 45.

Из сталей марок 65, 70, 75, 80, 85 получают детали, работающие в ус-

ловиях трения и вибрационных нагрузок: прокатные валки, диски сцепления,

а также пружины и рессоры.

Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435-90) выпускаются

качественными (У7, У8, У9,... У13), содержащими серы не более 0,02%, фос-

фора - 0,03%.

Условные обозначения в марке стали: буква У обозначает инструмен-

тальная сталь, буква А в конце марки - сталь высококачественная; цифра

показывает содержание углерода в десятых долях процента.

Стали, обладающие наибольшей пластичностью (У7, У8) используются

для производства молотков, зубил, штампов и других инструментов, рабо-

тающих в условиях ударных нагрузок. Из сталей марок У10, У11 изготавли-

вают резцы, сверла, метчики, фрезы и другие измерительные и режущие ин-

струменты для резания мягких материалов, из сталей У12, У13 - инструмен-

ты высокой твердости, работающие без ударных нагрузок (напильники,

рашпили).