Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали

Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость.

Временное сопротивление s_В достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.

Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.

Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики Fe-FeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 °С. При нагревании свыше 800 °С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.

При температуре горячей обработки (800…1200 °С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.

Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.

Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.

Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.

Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.

Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.

Легированные стали и сплавы

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали, способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20 % придает стали кислотоупорность.

Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.

Молибден действует как и вольфрам, а также повышает коррозионную стойкость.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей - в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих - десятых долях), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится. Легирующие элементы обозначаются следующими буквами: А - азот, К - кобальт, Т - титан, Ю - алюминий, С - кремний, В - вольфрам, Ф - ванадий, Х - хром, Д - медь, Н - никель, Г - марганец, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные металлы, Б - ниобий. Например, сталь марки 12ХН3А содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная.

Легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу, равновесной структуре и структуре после охлаждения на воздухе.

По назначению их делят на: конструкционные (машиностроительные, строительные), предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, а также элементов конструкций, в том числе и строительных; инструментальные, используемые для изготовления режущих инструментов, штампов, измерительного инструмента и др.; стали и сплавы с особыми (специальными) свойствами (нержавеющие, жаропрочные, теплоустойчивые и др.).

В зависимости от входящих в состав сталей легирующих элементов их называют хромистыми, хромоникелевыми, ванадиевыми и т.п.

По структуре стали в равновесном состоянии делят на доэвтектоидные (содержащие избыточный феррит), эвтектоидные (имеющие перлитную структуру), заэвтектоидные (в структуру входят избыточные вторичные карбиды) и ледебуритные (составной частью структуры являются первичные карбиды).

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали подразделяют на перлитные (малолегированные), мартенситные (среднелегированные) и аустенитные (высоколегированные).

Конструкционные легированные стали, их маркировка

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые улучшаемые и высокопрочные.

Для тяжело нагруженных деталей небольших размеров (зубчатые колеса, оси, поршневые пальцы и др.) применяют низкоуглеродистые цементуемые легированные стали марок 20Х, 12Х2Н4А и др. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность изделий приобретает высокую твердость (НRС 58…62), а сердцевина не упрочняется.

Улучшаемые среднеуглеродистые легированные стали - это стали, подвергаемые улучшению путем термической обработки - закалке с 820…880 °С в масле с последующим высоким отпуском (550…650 °С). Для тяжело нагруженных деталей крупных сечений применяют легированные стали (марки 40ХН, 30ХГСА и др.).

Для деталей с высоким пределом прочности (s_В = 1500…2500 МПа) используют высокопрочные комплексно-легированные и мартенситностареющие стали. Комплексно-легированные - это среднеуглеродистые стали, содержащие 0,25…0,6 % С, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергаемые термомеханической обработке. Мартенситностареющие стали - безуглеродистые (не более 0,03 % С) стали на основе железа с никелем содержащие кобальт, молибден, титан, хром и другие элементы (марки Н12К15М10, Н18К9М5Т). Мартенситностареющие стали закаливают с температуры 800…860 °С на воздухе с последующим старением при 450…500 °С. Применяются для особо ответственных тяжело нагруженных деталей.

К конструкционным легированным сталям могут быть отнесены также рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие и др.

Рессорно-пружинные стали

Рессорно-пружинные стали обладают высоким пределом текучести и высоким пределом выносливости при достаточной вязкости и пластичности. Для сталей, содержащих не менее 0,5 % С, это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300…400 °С).

К легированным рессорно-пружинным сталям относятся марганцевые (60Г, 65Г) и кремнистые (55С2, 60С2), идущие для изготовления плоских и круглых пружин, рессор, пружинных колец и других деталей, от которых требуются высокие упругие свойства и повышенное сопротивление износу.

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали (55С2, 60С2А, 70С3А), хромованадиевые (50ХФА, 50ХГФА), применяющиеся для ответственных клапанных пружин, рессор легковых автомобилей и торсионных валов ткацких станков; сальниковых пружин, для пружин, работающих при повышенных температурах (до 300 °С) и переменных нагрузках.

Термическая обработка легированных пружинных сталей (закалка 850…880 °С, отпуск 380…550 °С) обеспечивает получение высоких пределов прочности (s_В = 1200…1900 МПа) и текучести (s_0,2 = 1100…1700 МПа).

Пружины и упругие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т, аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенитомартенситных (09Х15Н8Ю) и других сталей и сплавов.

Максимальный предел выносливости получают при термической обработке на твердость HRC 42…48. Существенное (до двух раз) повышение предела выносливости рессор достигается их поверхностным наклепом посредством дробеструйной или гидроабразивной обработки, в процессе которой в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия (снижающие при эксплуатации деталей общий уровень напряжений растяжения в указанном слое).

Для изготовления пружин также используют холоднотянутую проволоку (или ленту) из высокоуглеродистых сталей 65, 65Г, 70, У8, У10 и др.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: