ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4
Мета лабораторної роботи:
Вивчити мікроструктуру сталей різних типів. Навчитися по мікроструктурі, яка вивчається під мікроскопом, за допомогою мікроаналізу визначати кількість вуглецю в сталі та її марку. Засвоїти класифікацію вуглецевих сталей по шести ознакам та їх маркірування. Знати властивості та призначення вуглецевих сталей.
Завдання лабораторної роботи:
Після виконання даної лабораторної роботи студент повинен чітко знати класифікацію вуглецевих сталей, вміти розшифровувати марки сталей різного типу, знати їх властивості та можливості застосування.
Стислі теоретичні відомості:
Сталь – це сплав заліза з вуглецем, який містить від 0,02% до 2,14% вуглецю та домішок силіцію до 0,4%, марганцю до 1,1%, фосфору до 0,06% та сірки до 0,07%.
Сталь можна кувати, прокатувати, відливати, обробляти різанням та гартувати. Порівняно з чавуном сталь менш рідкотекуча, легкоплавка і завдяки своїм механічним та технологічним властивостям застосовується як основний конструкційний метал. Деталі, виготовлені із сталей, використовуються в машинобудуванні, металургії, хімічної та інших галузях промисловості.
Сталі класифікуються по шести ознакам:
- за хімічним складом;
- за ступенем розкислення;
- за структурою;
- за міцністю;
- за призначенням;
- за якістю.
За хімічним складом сталі поділяють на вуглецеві та леговані. По кількості вуглецю вони поділяються на низьковуглецеві – до 0,3%С, середньовуглецеві – 0,3...0,7%С та високовуглецеві – 0,7... 1,4%С.
Леговані сталі в залежності від кількості легувальних елементів поділяються на низьколеговані – до 2% сумарної кількості легувальних елементів, середньолеговані – від 2 до 10% легувальних елементів та високолеговані – понад 10%. Залежно від хімічного складу леговані сталі поділяють на трійні, що містять один легувальний елемент (хромисті, нікелеві); четверні, що містять два елементи (хромонікелеві), та складні, що містять три і більше легувальних елементів (хромонікелевотитанові).
За ступенем розкислення та характером тверднення сталі поділяють на спокійні, напівспокійні та киплячі.
Спокійні сталі розкислюють Mn, Si, Al. Вони містять мало кисню та їх тверднення проходить спокійно без газовиділення. У виливках таких сталей утворюється усадкова раковина.
Киплячі сталі розкислюють тільки Mn. Перед розливанням в них міститься велика кількість кисню, який при затвердненні частково взаємодіє з вуглецем, видаляється у вигляді СО та складає враження киплячої сталі. Такі сталі дешеві, їх виробляють низьковуглецевими і з малою кількістю Si.
Напівспокійні сталі займають проміжне положення між спокійними та киплячими.
При маркіруванні сталей ступінь розкислення позначається літерами “сп”, “пс” та “кп”, які ставляться в кінці марки. Наприклад: Ст3кп, Ст6пс, Ст5сп.
По структурі вуглецеві сталі класифікуються в рівноважному (відпаленому) стані. Вони бувають:
- доевтектоїдні – вміст вуглецю від 0,02% до 0,8%, структура ферит + перліт;
- евтектоїдні – вміст вуглецю 0,8%, структура – перліт;
- заевтектоїдні – вміст вуглецю від 0,8% до 2,14%, структура перліт + цементит вторинний.
Леговані сталі також підрозділяються на класи, в залежності від кількості легувальних елементів та їх впливу на структуру сталей.
За міцністю сталі ділять по величині тимчасового опору на:
- сталі нормальної (середньої) міцності;
- сталі підвищеної міцності;
- високоміцні.
За призначенням сталі поділяють на:
- конструкційні;
- інструментальні;
- спеціальні.
Конструкційні сталі діляться на дві групи: будівельні та машинобудівельні.
У будівельних сталей вміст вуглецю звичайно не перебільшує 0,25% С. Вони добре зварюваються та деформуються у гарячому і холодному стані, але мають низьку міцність.
Машинобудівельні сталі містять 0,3…0,7% С. Ці сталі мають достатню твердість та міцність, добре піддаються зміцненню, посля чого застосовуються для виготовлення деталей машин. Проте вони гірше зварюються і погано піддаються деформації у холодному стані.
Інструментальні сталі містять 0,7…1,4% С. Вони мають підвищену твердість та міцність і застосовуються для виготовлення ріжучих і вимірювальних інструментів.
До сталей спеціального призначення належать корозієстійкі, жаростійкі, жароміцні та електротехнічні сталі і сплави.
За якістю сталі класифікують на:
- сталі звичайної якості;
- якісні;
- високоякісні;
- особо високоякісні.
Якість сталі визначається способом виробництва, однорідністю хімічного складу, будови і властивостей сталі, а також її технологічністю, і залежить від вмісту газів та шкідливих домішок. Тому норми вмісту шкідливих домішок служать основним показником якості сталей.
Сталі звичайної якості містять до 0,055%S і 0,045% Р.
Сталі якісні – не більше 0,04% S і 0,035% Р.
Високоякісні – не більше 0,025% S і Р.
Особливо високоякісні – не більше 0,015% S і 0,025%Р.
Сталі звичайної якості – найбільш дешеві сталі. У них допускається підвищений вміст шкідливих домішок і забруднення неметалічними включеннями. З цих сталей виготовляють сортовий та листовий прокат (балки, прутки, листи, кутники, труби), а також поковки та невідповідальні конструкції.
В залежності від властивостей, які гарантуються, їх поставляють трьома групами: А, Б, В.
Сталі звичайної якості маркірують літерами “Ст” і цифрами від 0 до 6, які показують номер марки. Чим більша цифра, тим більший відсоток вуглецю в сталі, тим вона твердіша та міцніша з відповідальним зниженням пластичності. Сталі груп Б і В мають перед маркою литери Б і В, які указують на їх належність до цих груп. Група А в позначені марки не указується.
Спокійними і напівспокійними виготовляють сталі – Ст1 – Ст6, киплячими – Ст1 – Ст4 всіх трьох груп. Сталь Ст0 по ступені розкислення не поділяють.
Сталі групи А поставляються з гарантованими механічними властивостями. Хімічний склад в марках не указується. Ці сталі використовують для виробів, виготовлення яких не супроводжується гарячою обробкою.
Сталі групи Б поставляють з гарантованим хімічним складом. Механічні властивості не гарантуються. Ці сталі призначаються для виробів, які виготовляються із застосуванням гарячої обробки (кування, зварювання, т/о), для чого важливий хімічний склад.
Сталі групи В поставляються з гарантованими механічними властивостями та хімічним складом. Їх широко застосовують для виробництва зварювальних конструкцій. ВСт1 – ВСт5. Механічні властивості цих сталей відповідають нормам для аналогічних сталей групи А, а хімічний склад – сталей групи Б. ВСт4 – механічні властивості сталі Ст4кп, а хімічний склад сталі БСт4кп.
Вуглецеві якісні сталі
Ці сталі характеризуються більш низьким вмістом шкідливих домішок та неметалічних включень. Вони поставляються у вигляді прокату, поковок та ін. напівфабрикатів з гарантованим хімічним складом і механічними властивостями.
Маркіруються двозначними цифрами 05, 08, 10, 15, 20...85, які означають середню кількість вуглецю в сотих частках відсотка. Спокійні сталі маркірують без індексу, напівспокійні та киплячі – з індексом “пс” і “ кп ” (08, 10, 15, 20).
Низьковуглецеві сталі 05, 08, 10 застосовують для деталей, які виготовляються холодним штампуванням – шайби, прокладки, кожухи та ін.
Сталі 15, 20, 25 – після цементації і термообробки мають тверду поверхню та в’язке осердя. Застосовують для деталей невеликого розміру (штовхачі, кулачки, малонавантажені шестерні). Ці сталі добре штампуються і зварюваються (кріпильні деталі, штуцери, втулки, труби перегрівателів, змієвики).
Середньовуглецеві сталі 30, 35, 40, 45, 50, 55 відзначаються більшою міцністю, але меншою пластичністю, ніж низьковуглецеві. Застосовуються для деталей невеликого розміру, які працюють на утомленість (шатуни, колінчасті вали малообертових двигунів, маховики, вісі). Для більш великих деталей використовуються сталі 40, 45, 50, які застосовуються після поверхневого зміцнення (для виготовлення шестерен, кулачків, розпредвалів, колінчастих валів).
Сталі з високою концентрацією вуглецю 60, 65, 70, 75, 80, 85, а також із збільшеним вмістом марганцю – 60Г, 65Г, 70Г застосовують переважно для виготовлення ресор та пружин, тому що вони мають високу міцність, зносостійкість і високі пружні властивості.
Автоматні сталі
Ці сталі добре обробляються при великих швидкостях різання і при цьому отримується висока якість поверхонь. При їх застосуванні знижується витрачання ріжучого інструменту. Такі властивості досягаються підвищеним вмістом S і Р: S – до 0,3%; Р – до 0,15%. Сталі маркіруються літерою А (автоматна), після якої йде цифра, яка показує вміст вуглецю в сотих частках відсотка. При підвищеній кількості Mn ставиться в кінці літера Г: А40Г. Застосовуються сталі марок А12, А20, А30, А40Г. Сталь марки А12 використовується для виготовлення на швидкохідних автоматах гвинтів, болтів, гайок та інш. дрібних деталей складної конфігурації. Сталі А20, А30, А40Г застосовують для виготовлення деталей, які працюють в умовах підвищених напруг.
Інструментальні вуглецеві сталі
Інструментальні сталі містять 0,7... 1,35 % вуглецю та малу кількість шкідливих домішок і неметалічних включень. Вони мають підвищену твердість і крихкість та використовуються для виготовлення різальних, вимірювальних, штампових та спеціальних інструментів.
Вуглецеву інструментальну сталь виплавляють в мартенівських та електричних печах. Ці сталі поділяють на якісні та високоякісні. Якісні інструментальні сталі маркірують літерою У з цифрами 7... 13. Літера вказує на те, що сталь вуглецева інструментальна, а цифра визначає вміст в ній вуглецю в десятих частках відсотка: У7,У8,У9,У10,У11,У12,У13.
Маркірування високоякісної вуглецевої інструментальної сталі містить літеру А, наприклад У8А. Літера Г в марках (У8Г, У8ГА та ін.) вказує на підвищений вміст марганцю в сталі. У високоякісній сталі порівняно з якісною менше марганцю та шкідливих домішок.
Леговані високоякісні конструкційні та інструментальні сталі також маркіруються літерою А, яка ставиться в марках останньою.
Особливо високоякісні леговані сталі маркірують літерою Ш, яка пишеться через дефіс в кінці марки: 20Х13-Ш.
Порядок виконання роботи:
1. Накреслити діаграму стану залізо-цементит.
2. Охарактеризувати фази та структурні складові вуглецевих сталей.
3. Вивчити під мікроскопом мікроструктури підготовлених та протравлених мікрошліфів сталей, які надаються викладачем.
4. Визначити вміст вуглецю в кожній сталі.
5. Провести класифікацію сталей по хімічному складу та призначенню.
6. Визначити марки сталей та їх механічні властивості і застосування.
7. Замалювати мікроструктури вивчених сталей, описати їх та зробити розрахунок вмісту вуглецю в них.
8. Визначити критичні точки вивчених сталей.
Методика виконання роботи:
При вивченні мікроструктур сталей треба добре знати, що конструкційні вуглецеві сталі являються доевтектоїдними і мають структуру ферит + перліт. Під мікроскопом при травленні ферит виглядає у вигляді зерен білого кольору з чіткими межами, а перліт – у вигляді сірих зерен з пластинчатою будовою.
Марки якісних вуглецевих сталей визначаються по кількості вуглецю, яка може бути розрахована по площі мікрошліфа. По співвідношенню площі, займаємої в дослідженій структурі перлітом та феритом, можна приблизно визначити вміст вуглецю в сталі.
При розрахунках вміст вуглецю в фериті не визначається тому, що при кімнатній температурі в фериті розчиняється тільки 0,006% С. Приймається, що весь вуглець в сталі знаходиться у складі перліту.
Для того, щоб розрахувати кількість вуглецю в сталі, треба визначити площу, яку займає перліт у полі мікрошліфа в відсотках. Наприклад, якщо на вивчаємому полі шліфа перліт займає приблизно 30% площі мікроструктури, то вміст вуглецю можна визначити із пропорції:
тоді 
По визначеній кількості вуглецю можна написати марку сталі. У наведеному прикладі це буде сталь 25.
При визначені кількості вуглецю в інструментальних сталях треба пам’ятати, що заевтектоїдні сталі мають структуру перліт + цементит, який містить 6,67% С. Для розрахунку кількості вуглецю треба скласти дві пропорції: одну по перліту (як у наведеному прикладі) – 
, а другу – по цементиту (подібну) – 
. Сума 
буде визначати дійсну кількість вуглецю в сталі. Для написання марок таких сталей треба знати, що марки інструментальних сталей пишуться з літерою У.
Після визначення марок сталей треба визначити їх критичні точки. Для цього на діаграмі стану залізо – цементит, яка приведена у звіті, треба провести лінії визначених марок сталей і на перехресті з лініями діаграми визначити точки А1 та А3. Критична точка А1 відповідає температурі евтектоїдного перетворення, яке проходить в усіх сталях, і дорівнює 727º С. Критична точка А3 відповідає утворенню аустеніту в доевтектоїдних сталях і знаходиться на лінії GS. Для заевтектоїдних сталей лінія утворення аустеніту SE відповідає критичній точці Асm.
Всі вивчені мікроструктури сталей замальовуються у відповідний квадрат звіту та описуються їх структурні складові. Поряд приводиться розрахунок кількості вуглецю в сталі, її марка та критичні точки. Малюнки виконуються м’яким олівцем в квадраті розміром 30 
30 мм.
ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ
1. Які сплави називаються сталями?
2. По яким ознакам поділяються сталі?
3. Як класифікуються сталі по хімічному складу?
4. Як класифікуються леговані сталі по кількості легувальних елементів?
5. Як класифікуються сталі по ступені розкислення?
6. У чому особливості киплячих сталей?
7. Як позначається в марках сталей ступінь розкислення?
8. Як класифікуються сталі по міцності?
9. Як поділяються сталі по структурі?
10. Які сталі відносяться до конструкційних, а які до інструментальних?
11. Де використовуються конструкційні сталі і на які вони поділяються?
12. Де використовуються інструментальні сталі?
13. Як поділяються сталі по якості?
14. Чим визначається якість сталей?
15. Як поділяються сталі звичайної якості і як пишуться марки таких сталей?
16. Як пишуться марки якісних конструкційних та інструментальних сталей?
17. Які особливості маркірування високоякісних та особливо високоякісних сталей?
18. Як визначити кількість вуглецю в сталях по мікроструктурі, яка вивчається під мікроскопом?
ЛІТЕРАТУРА
1. Ю.М.Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение., М., Машиностроение, 1980, 1991.
2. Р.Н. Худокормова и др.. Металловедение и термическая обработка. Минск, Вышейшая школа, 1986.
3. Б.Г. Гринберг, Т.М. Иващенко. Лабораторный практикум по металловедению и термической обработке. М., Высшая школа, 1968.
4. Б.Н. Арзамасов и др.. Материаловедение. М., Машиностроение, 1986.
5. Р.К. Мозберг. Материаловедение. М., Высшая школа, 1991.
6. А.П. Гуляев. Металловедение. М., Металургия, 1986.
Криворізький технічний університет Факультет
Кафедра технології машинобудування Студент
Лабораторія матеріалознавства Група
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 4
