Тема 2.7 Углеродистые стали

 

Влияние углерода и основных примесей на структуру и механические свойства стали. Классификация углеродистых сталей по качеству (обыкновенного качества, качественные и высококачественные) и по назначению (конструкционные, инструментальные). Маркировка углеродистых сталей. Основные свойства и области применения

Литература: [2, c. 130-139]; [3, c. 77-81]; [4, c. 139-148]

 

Методические рекомендации

 

Перед изучением этой темы повторите тему 2.1. Вспомните, по каким факторам судят о качестве стали и о том, что оно в значительной мере зависит от способа выплавки. Затем разберите маркировку стали по ГОСТу. Выпишите в конспект несколько марок конструкционной и инструментальной сталей обыкновенного качества, качественной и высококачественной и укажите их состав, свойства и область применения. Нужно знать влияние углерода и основных примесей на свойства углеродистой стали. Запомните, что вредное влияние фосфора проявляется при работе стальных деталей, сера же главным образом затрудняет горячую обработку давлением. На работу деталей она практически не влияет, так как детали из углеродистых сталей при высоких температурах не работают. Основное внимание обратите на требования к конструкционным и инструментальным сталям. Запомните, что в конструкционных сталях содержание углерода не превышает 0,65, так как при большом содержании углерода детали становятся хрупкими. В инструментальных сталях, наоборот, содержание углерода должно быть выше 0,7% так как инструмент в первую очередь должен быть твердым (кроме штампов, деформирующих металл в горячем состоянии).

После изучения этой темы нужно уметь:

1) расшифровать марку углеродистой стали;

2) исходя из состава стали указать ее свойства и область применения;

3) объяснять, почему в конструкционных сталях содержание углерода не превышает 0,65%, а в инструментальных должно быть выше 0,7%.

 

Вопросы для самоконтроля

 

1 По каким признакам классифицируется сталь?

2 Какие примеси присутствуют в углеродистой стали и какое влияние они оказывают на свойства стали?

3 Что такое красноломкость и хладноломкость стали?

4 Как влияет содержание углерода в стали на ее механические свойства?

5 Назовите марки углеродистой и конструкционной стали обыкновенного качества, расшифруйте их.

6 Назовите марки углеродистой инструментальной стали, расшифруйте их, укажите микроструктуру.

7 Назовите марки автоматных углеродистых сталей, расшифруйте их. Объясните влияние повышенного содержания серы и фосфора на свойства этих сталей.

 

Тема 2.8 Легированные стали

 

Основные легирующие элементы, вводимые в сталь. Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства и термическую обработку. Классификация легированных сталей по назначению: конструкционные и инструментальные. Стали с особыми свойствами. Маркировка легированных сталей. Быстрорежущие стали, особенности их термической обработки и область применения

Стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные, их состав, марки, термическая обработка и область применения. Краткие сведения о сталях и сплавах с особыми физическими свойствами; магнитные, немагнитные, электротехнические и износостойкие, их состав, свойства и назначение

Литература: [2, c. 130-139, 150-156]; [3, c. 108-121]; [4, c. 148-168, 190-194]

 

Методические рекомендации

 

Большое значение имеет применение низколегированных сталей. Добавка к стали небольшого количества (до1–2%) недорогих легирующих элементов (кремния, марганца и некоторых других) незначительно удорожает сталь, но позволяет уменьшить размеры, увеличить долговечность и надежность деталей машин и инструмента, так как у легированных сталей повышенная прочность, что в конечном итоге снижает расход металла и дает экономический эффект.

Так как свойства сталей зависят от их внутреннего строения, то изучение этой темы нужно начать с влияния легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Разберите, почему свойства легированных сталей отличаются от углеродистых при одном и том же содержании углерода. Начните с влияния легирующих элементов на положение критических точек и линий диаграммы железо–цементит. При небольшом содержании легирующих элементов (2–5%) критические линии диаграммы сдвинуты незначительно, поэтому структура низколегированных сталей, а значит, и их свойства в отожженном состоянии мало отличаются от свойств углеродистой стали. Все преимущества низколегированных сталей проявляются только после закалки, поэтому такие стали следует применять только для таких деталей, которые по условиям работы должны подвергаться упрочняющей термической обработке. При большом содержании легирующих элементов (10–15%) критические точки А₁ и А₃ значительно повышаются или понижаются, структура таких сталей при комнатной температуре может получиться однофазной–ферритной или аустенитной, в ферритных сталях при повышенном содержании углерода наряду с ферритом могут быть карбиды. Ферритные и аустенитные стали, как правило, обладают какими-либо ярко выраженными физико-химическими свойствами (нержавеющие, немагнитные и др.). Поскольку они однофазны, их нельзя упрочнять закалкой, они обычно упрочняются пластической деформацией (наклепом).

Процессы, протекающие при термической обработке легированных сталей, те же, что и в углеродистой, но при назначении режима термической обработки необходимо учитывать ряд факторов. Легированные стали можно закаливать в масле, расплавленных солях и т.п.; у них меньше критическая скорость закалки (так как почти все легирующие элементы сдвигают кривые изотермического аустенита вправо). Это является их большим достоинством, так как при такой же прочности получается повышенная вязкость. Следует отчетливо понять, что чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали, а при одной и той же скорости охлаждения, например, в масле будет больше глубина закаленного слоя. Поэтому у легированных сталей в большом сечении можно получить прочную структуру.

Почти все легирующие элементы понижают мартенситную точку, поэтому после закалки у них получается больше остаточного аустенита, чем у углеродистых. Легированные инструментальные стали и постоянные магниты целесообразно после закалки обрабатывать холодом.

Изучая влияние легирующих элементов на отпуск, нужно особое внимание обратить на отпускную хрупкость 1-го и 2-го рода. Для предупреждения отпускной хрупкости 2-го рода стали с вольфрамом или молибденом применяют только для крупных деталей или для деталей, которые во время работы могут периодически нагреваться.

Необходимо знать классификацию легированных сталей по различным признакам и их маркировку, уметь правильно определить по марке стали ее химический состав и примерное назначение. Выпишите в конспект несколько марок легированных сталей, расшифруйте их состав, укажите назначение.

Изучая конструкционные и инструментальные стали, уясните цель легирования, преимущества легированных сталей перед углеродистыми. Основная цель легирования конструкционных сталей – увеличение их прокаливаемости. Сталь должна обеспечить прокаливаемость в рабочем сечении детали, т.е. в том сечении, на которое действуют нагрузки. Обычно чем больше действующие нагрузки и чем больше сечение детали, тем более легирована сталь. Как правило, стали, содержащие до 0,25% углерода, подвергают цементации или нитроцементации с последующей закалкой и низким отпуском. Их так и называют–цементируемые. Их используют для деталей, которые работают с ударными нагрузками и подвергаются истиранию. Детали из сталей, содержащие 0,35–0,5% углерода, подвергающиеся действию больших нагрузок, подвергают улучшению, т.е. закалке и высокому отпуску. Называются они улучшаемые. Если такие детали подвергаются также истиранию, то дается поверхностное упрочнение (чаще всего закалка токами высокой частоты). Стали, содержащие 0,55–0,65% углерода, идут обычно на изготовление пружин и рессор. Их подвергают закалке и среднему отпуску или изотермической закалке.

Основное достоинство легированных инструментальных сталей–возможность их закалки в масле или расплавленных солях, так как при этом возникают меньшие напряжения и коробления, меньшая хрупкость. Выбор инструментальных сталей делается с учетом термической обработки и в соответствии с областью их применения.

Инструмент из низколегированных сталей не может работать при большой скорости резания, так как при нагреве свыше 200–250^ОС резко падает твердость. Сохраняют твердость при нагреве до 500–600^ОС только быстрорежущие стали.

При изучении быстрорежущих сталей прежде всего выпишите в конспект марки быстрорежущих сталей и их состав. Нужно знать, что быстрорежущие стали маркируют по основному легирующему элементу–вольфраму. Например, в марке Р18 цифра показывает его процентное содержание. Начертите в конспекте график термической обработки быстрорежущей стали и разберите отдельные операции процесса. Обратите внимание на особенности ее термической обработки. Если правильно провести термическую обработку, то во время работы твердость инструмента начинает падать при температурах значительно ниже 600^ОС. запомните, что после высокого отпуска твердость быстрорежущей стали повышается, так как в результате отпуска остаточный аустенит переходит в мартенсит.

Изучая нержавеющие стали, нужно обращать внимание на содержание углерода и связывать их свойства со структурой. Однофазные сплавы значительно лучше сопротивляются коррозии, чем многофазные, поэтому чем меньше в стали углерода, тем выше ее коррозийная стойкость. Внимательно разберите термическую обработку сталей. Цель закалки ряда низкоуглеродистых нержавеющих сталей–увеличение коррозийной стойкости, а не прочности. Твердость у них при закалке не увеличивается, так как нет превращений в твердом состоянии, но при нагреве карбиды переходят в твердый раствор, а при резком охлаждении не успевают выделиться и поэтому получается однофазная структура. Прочность сталей типа 08Х18Н10Т достигается нагартовкой, т.е. в результате пластической деформации.

Разбирая жаростойкие и жаропрочные стали, следует иметь в виду, что это всегда сложнолегированные стали, которые содержат много элементов и в большом количестве. Окалиностойкость в основном зависит от химического состава, жаропрочность–от многих факторов. Термическая обработка зависит от условий работы деталей.

Изучите магнитные стали и сплавы, сплавы с определенным коэффициентом линейного расширения и стали с особыми физико-химическими свойствами. Нужно обращать внимание на их химический состав, термическую обработку, если она производится, и область применения каждого сплава. Выпишите несколько марок сплавов с особыми физическими свойствами, укажите их химический состав, свойства и область применения.

Выбор марки стали для различных деталей тесно связан со свойствами материала и с условиями работы деталей. Исходя из этого нужно отвечать на вопросы контрольной работы, связанные с выбором марки стали для различных деталей.

Например. Выберите и обоснуйте марку стали для измерительного инструмента (калибра).

Ответ. Калибр непосредственно соприкасается с поверхностью деталей, поэтому он должен быть твердым и износоустойчивым. Инструмент должен сохранять точный профиль и размеры после термической обработки, поэтому сталь должна мало деформироваться при закалке. Кроме того, инструмент должен длительное время сохранять свои размеры, значит в стали с течением времени не должно происходить естественного старения. Этим требованиям удовлетворяет сталь ХГ, содержащая примерно по 1% углерода, хрома и марганца. Она мало деформируется при закалке и длительное время сохраняет свои размеры. После закалки и низкого отпуска получается твердость НRС 60–62.

После изучения этой темы нужно уметь:

1) расшифровывать марки всех легированных сталей;

2) исходя из марки стали указывать ее свойства и область применения;

3) объяснять выбор марок низколегированных сталей для деталей машин и инструмента;

4) объяснять цель термической обработки низкоуглеродистых сталей;

5) выбирать термическую обработку для деталей из легированных сталей исходя из их состава и условий работы деталей, например: пружины из стали 50ХФА, шестерни из стали 38ХМЮА, сверла из стали ХВ5 и т.п.

 

Вопросы для самоконтроля

1 Какая сталь называется легированной?

2 Перечислите элементы, вводимые при производстве легированной стали.

3 Каково влияние легирующих элементов на закаливаемость и прокаливаемость сталей?

4 Как влияют легирующие элементы на превращения при отпуске стали?

5 Как классифицируются легированные стали по назначению?

6 Как классифицируются легированные стали по содержанию легирующих элементов?

7 Как классифицируются легированные стали по структуре в отожженном и нормализованном состояниях?

8 Как маркируется легированная сталь по ГОСТ, какие обозначения для легирующих элементов приняты по ГОСТ?

9 Назовите несколько марок легированной конструкционной стали, расшифруйте их.

10 Назовите несколько марок легированной инструментальной стали, расшифруйте их

11 Какие требования предъявляются к легированным конструкционным сталям?

12 Назовите марки легированной конструкционной стали, которые подвергаются улучшению.

13 Назовите марки легированной конструкционной стали, которые подвергаются цементации.

14 Какие факторы учитываются при выборе марки легированной стали для изготовления пружин и рессор?

15 Какая причина образования флокенов, шиферного излома в легированных конструкционных сталях, каково влияние этих дефектов на эксплуатационные свойства сталей?