Вплив вуглецю і постійних домішок на структуру і властивості стали.
Вплив вмісту вуглецю на основні механічні властивості стали показано на рис. 33. Зі збільшенням вмісту вуглецю змінюється структура сталі. Сталь, що містить вуглецю менше 0.8%, складається з фериту і перліту, при утриманні С, що дорівнює 0.8%, сталь складається тільки з перліту, при збільшенні вмісту вуглецю більше 0,8% в стали крім перліту з'являється вторинний цементит. Зміна хімічного складу призводить до зміни структури стали і її властивостей. Збільшення вмісту вуглецю призводить до підвищення міцності і зниження пластичності.
Наведені механічні властивості відносяться до гарячекатаний виробам без термічної обробки, тобто при структурі перліт + ферит або перліт + цементит. Зі збільшенням вмісту вуглецю щільність змінюється незначно від 7.85 до 7.7 м / см.куб. коерцетівную сила, електроопір зростають на від 3 до 18 Е. і від 0.12 до 0.23 ОМммкв / м, відповідно, при зміні З від 0.2 до 1.6%.
Тендітної фазою в стали є цементит. Збільшення вмісту вуглецю призводить в стали до утворення структур на основі перліту (ферит + цементит), в зв'язку з чим при С = 0.8% міцність сталі при розтягуванні починає падати, а твердість продовжує збільшуватися. Для збереження міцних властивостей прагнуть одержати не пластинчастий, а зернистий цементит після термічної обробки.
Мал. 33. Вплив вмісту вуглецю на механічні властивості стали.
М а р г а н е ц - вводять в сталь при раскислении для усунення шкідливого впливу закису заліза. Mn підвищує міцність гарячекатаної сталі, прокаліваемость, пружні властивості. При вмісті більше 1.5% повідомляє схильність до відпускної крихкості. При вмісті більше 13% і вище надає стали аустенитную структуру, протиударний стійкість, високу зносостійкість. При нагріванні сприяє зростанню зерна. До КРЕМНЬОВА і й - вводиться для розкислення. Повністю розчинний у фериті. Збільшує міцність, зносостійкість і надає антифрикційні і пружні якості. Більше 2% - знижує пластичність. Підвищує прокаліваемость, але збільшує температури гарту, нормалізації і відпалу.
Ф о с ф о р - Розчиняючись в фериті, викликає хладноломкость стали. При спільній дії С і Р (Р не більше 1.2%) викликається фосфідную евтектика, плавиться при Т менше 1100 С. Фосфор - шкідлива домішка стали. Однак підвищує різанням і в присутності міді підвищує опір корозії.
З е р а - нерозчинні в залозі, утворює з Fe з'єднання FeS сульфід заліза. Останній входить до складу евтектики, що плавляться при 988 С. Наявність зерен тендітної і легкоплавящейся евтектики по межах зерен стали робить її при температурах 800 С і вище (в районі температур червоного розжарювання) - до р а з н о л о м к о ї. У т.м. час, сірка підвищує різанням. Шкідливий вплив сірки нейтралізують введенням марганцю, що утворює з нею сульфід MnS. MnS при гарячій обробці тиском деформується і створює довгасті лінзи - рядки. Їх присутність стали, як і інших включень, в стали не допустимо для відповідальних виробів. MnS прагнуть перевести в шлак при плавці сталі.
В о д о р о д, а з о т, до і з л про р о д - розчиняються в стали. Кисень і азот утворюють тверді труднодеформірующіеся шкідливі включення. Водень викликає флокени. А гази взагалі - ефекти деформаційного старіння, знижують втомні характеристики (в'язкість і порігхладноломкості). Неметалеві включення після обробки тиском створюють - п о л о з ч а т о с т ь (або з т р про год е ч н о с т ь), що викликає сильну анізотропію властивостей. Для усунення шкідливого впливу розчиняються газів застосовують вакуумну розливання сталі і спеціальні прийоми розкислення.
Класифікація сталей за складом, якістю та структурним класам.
Відповідно до сучасних стандартів вуглецеві і леговані стали поділяють на: конструкційні леговані стали, стали звичайної якості, вуглецеві якісні конструкційні стали, підвищеної оброблюваності (автоматні) стали, рессорно - пружинні стали, підшипникові стали, вуглецеві інструментальні сталі, інструментальні леговані стали, ливарні стали , корозійностійкі сталі, порошкові стали.
За змістом вуглецю стали поділяються на маловуглецеві до 0.2 - 0.2%, середньовуглецеві і високовуглецеві стали 0.6 - 1.7% С.
За структурою - доевтектоїдних (ферит + перліт), евтектоїдні (перліт) і заевтектоідние (перліт + цементит) стали.
За способом виплавки стали діляться на киплячу, полуспокойную і спокійну сталь. Злитки киплячій стали мають в структурі велику кількість газових бульбашок
Конструкційні стали (машинобудування) поділяються за технологічними ознаками на цементуемие (С зазвичай не більше 0.2%), покращувані (піддаються ТО - поліпшення) і автоматні стали.
Вуглецеві сталі класифікують за призначенням. Це стали: загального призначення Ст0, Ст1кп, СтГпс (ГОСТ 380-88), нелігірованние для виливків 15 л, 50л, 35л (ГОСТ 977-79), рессорно - пружинні 65, 70, 80, 85 (ГОСТ 1459-79), підвищеної і високої оброблюваності різанням А11, А20, А30, А40Г (ГОСТ 1414-75), середньовуглецеві зниженою прокаливаемости НІПР, 50ПСТ, якісні конструкційні стали 05, 08, 10, 15, 55ПП, 60 (ГОСТ 1050 -74).
Вплив легуючих елементів на структуру та фазові перетворення в сталі.
Всі елементи, які розчиняються в залозі, впливають на його поліморфізм, тобто зрушують точки А3 і А4. Більшість елементів або підвищують точку А4 і знижують точку А3, розширюючи тим самим область існування γ - модифікації, або знижують А4 і підвищують А3, звужуючи область γ - модифікації. Утворюються аустенітні, ферритні і перехідні стали. Схематично це показано на рис. 34.
Легуючі елементи розчиняються в фериті (заміщення та впровадження). Властивості фериту змінюються. Твердість і міцність, як правило підвищуються. Ударна в'язкість також зростає, проте стійко тільки для нікелю (до 5%) і хрому, марганцю тільки при концентрації не більше 1.0 - 1.5%. Легуючі елементи можуть розчинятися в цементиті або самостійно з'єднуватися з вуглецем. Всі легуючі елементи в сталях поділяються на дві групи: карбидообразующие (Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) і карбідонеобразующіе (Ni, Si, Cu, Co, Al). Карбіди вносять в сталь підвищення твердості, зносостійкості, опір деформації.
Карбіди в сталях різноманітні за складом і будовою і об'єднані загальною назвою "карбідна фаза". Легуючі елементи зміщують точки S і Е діаграми залізо - цементит в ліво, утворюючи ледебуритного клас сталей.
Основи термічної обробки сталей
Фазові перетворення в сплавах залізо - вуглець в твердому стані. Фазові перетворення при нагріванні стали.
При нагріванні стали протікають наступні перетворення:
1. Перетворення перліту в аустеніт, що протікають вище точки А1, вище температури стабільної рівноваги аустеніт - перліт; при цих температурах з трьох основних структур мінімальної вільної енергією володіє аустенит.
2. Перетворення аустеніту в перліт, що протікають нижче А1:
Перетворення перліту в аустеніт в повній відповідності з діаграмою стану Fe - C може відбутися лише при дуже повільному нагріванні. При реальному нагріванні перетворення запізнюється, перетворення відбувається лише при температурах перегріву (кілька вищих, ніж на діаграмі Fe - C). Перенагретий вище критичної точки перліт з різною швидкістю в залежності від ступеня перенагрівання перетворюється в аустеніт.
Мал. 35. Перетворення перліту в аустеніт при постійній температурі для сталі, що містить 0.86% С.
Зростання зерна аустеніту. Дрібнозернисті і грубозернисті стали.
Перші зерна утворюються на кордоні між ферритом і цементитом - структурними складовими перліту. В 1 см. Кв. площа межа між ферритом і цементитом становить кілька м. кв. через що перетворення починається з утворення безлічі зерен і утворюється велика кількість малих зерен аустеніту. Розмір цих зерен характеризує так звану величину н а ч а л ь н о г о зерна аустеніту.
Подальший нагрів (або витяг) після закінчення перетворення викликає зростання аустенітних зерен. Зростання зерна - мимовільний процес. Розрізняють два типи сталей: спадково мелкозернистую і спадково грубозернисту; перша характеризується малою швидкістю до зростання зерна, друга підвищеною схильністю.
Мал. 36. Схема зміни розміру зерна перліту в залежності від нагрівання в аустенитной області
Перехід через критичну точку А1 супроводжується різким зменшенням зерна. При подальшому нагріванні зерно з дрібнозернистої сталі не росте до 950 - 1000 С, після чого усуваються чинники, що перешкоджають росту, і зерно починає швидко рости. У крупно зернистої стали зростання починається після переходу через критичну точку.
Розміри перлитових зерен тим більше, чим більше зерна аустеніту. Наступні охолодження не подрібнює розмір зерен.
Розрізняють три типи зерна стали: н а ч а л ь н о в и зерно, розмір зерна аустеніту в момент закінчення перлито - аустенітного перетворення; н а з л е д с т в е н н о в и зерно (природне) зерно - схильність аустенітних зерен до зростання; д е і з тонн на і т е л ь н о в и зерно - розмір зерна аустеніту в даних конкретних умовах.
Сталь розкислення тільки ферромарганцем (кипляча сталь) або ферромарганцем і феросиліцію спадково грубозерниста сталь, а сталь, додатково розкислення алюмінієм, - дрібнозернистий. Природу мелкозернистости пояснює теорія бар'єрів. Алюміній, введений в рідку сталь незадовго до її розливання по виливницях, утворює з розчиненими в рідкій сталі азотом і киснем частки нітридів і оксидів (AlN, Al2O3). Ці сполуки розчиняються в рідкому металі, а після кристалізації виділяються у вигляді найдрібніших частинок на поверхні зерен, перешкоджаю їх зростання за рахунок руху кордонів.
Мал. 38. Кінетична крива перетворення перліту в аустеніт.
Мал. 39. Кінетичні криві перетворення аустеніту в перліт при різних температурах.
Процес утворення перліту - це процес зародження центрів перліту і зростання перлитових кристалів. Для цього потрібні належні фізичні умови: Процес відбувається в часі і може бути зображений у вигляді так званої кінетичної кривої перетворення, яка б показала кількість утвореного перліту за час перетворення. Мал. 38. Точка а на кривій показує момент, коли виявляється початок перетворення, а точка b - завершення перетворення. На положення кривих впливає ступеня переохолодження. Мал. 39. При високій температурі t1 (мала ступінь переохолодження) перетворення розвивається повільно і тривалість інкубаційного періоду і час перетворення скорочуються.
Максимум швидкості перетворення відповідає температурі t4, подальші зниження температури призведе вже до зменшення швидкості перетворення. Кінетичні криві перетворення аустеніту в перліт отримані для різних температур використовуються для побудови діаграм ізотермічного перетворення аустеніту.
Діаграми ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту.
Якщо точки a і b кінетичних кривих перетворення А - П розташувати по вертикалі в міру зниження температури, то отримаємо діаграму ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту. Мал. 40.
Легуючі елементи підвищують стійкість карбідів при нагріванні, уповільнюють дифузію u1091 вуглецю, самі вони дифундують також повільно. Все це призводить до затримки утворення аустеніту при нагріванні сталі. Це пояснює підвищення температури гарту і відпалу у легованих сталей. Всі елементи, крім Mn, зменшують схильність до зростання зерна аустеніту. При охолодженні легуючі елементи в більшості випадків зменшують швидкість розпаду аустеніту, С - образні діаграми зміщуються вправо і можуть змінювати свою форму.
Види термічної обробки матеріалів.
Звичайна термічна обробка складається з трьох основних етапів: нагрівання, ізотермічної витримки і охолодження. Залежно від температури нагрівання і швидкості охолодження розрізняють наступні основні види термічної обробки: відпал, загартування, відпустка і старіння. Мал. 42. Фазовий склад формується при охолодженні із заданою швидкістю. Нагрівання також проводиться із заданою температурою.
Технологія термічної обробки сталі.
Технологія термічної обробки сталі заснована на використанні процесів фазових перетворень в сталі при нагріванні і охолодженні, взаємодії з середовищем обробки для зміни комплексу фізико - механічних властивостей машинобудівної деталі, з метою поліпшення їх по перетину і в поверхні виробу. Технологія термічної обробки сталі (скорочено ТО) спирається на параметри: час або швидкість нагріву, витримки, охолодження, температура процесу, циклічність і середовище проведення ТО. Сучасна ТО застосовує спеціальне обладнання, що здійснюють зазначені процеси: печі різної конструкції (електропечі, газополумяні, елеваторні, конвеєрні, шахтні і т.п.), гартівні баки, соляні ванни і багато іншого. До видів ТО належать: гарт - об'ємна, поверхнева, місцева, отжиг - нормалізаційний, гомогенізований, рекрісталлізаціонний і д.р. поліпшення, хіміко - термічна обробка, гарт ТВЧ, лазерним нагрівом, електроімпульсним полем, термообробка в процесі пластичного деформування, обробка холодом і т.п ..
Повний і нормалізаційний отжиг. Відпал на зернистий перліт.
Про т ж і г - термічна обробка, при якій сталь нагрівається вище АС3 (або тільки вище АС1 - неповний отжиг) з наступним повільним охолодженням. Нагрівання вище АС3 забезпечує повну перекристалізації стали. Охолодження відбувається разом з піччю. Повільне охолодження при відпалі приводить до розпаду аустеніту і створює перлітною структури. Нормалізація - різновид відпалу, виробленого на спокійному повітрі, що дає прискорене охолодження від верхнього району температур. Нормалізація економічніша операція. Основні завдання відпалу: перекристалізація сталі і усунення внутрішніх напружень або виправлення структури. Обидві ці завдання виконуються звичайним повним відпалом. Для усунення дендритних неоднорідності литої сталі застосовують гомогенізований або дифузний відпал. В результаті високого нагріву і тривалої витримки спостерігається сильне зростання зерна (грубозерниста структура), для виправлення якої застосовують наступний звичайний отжиг. Неповний отжиг призводить до перекристалізації тільки перлитной складової структури. Неповний отжиг заевтектоідной стали також називають сфероідізаціей. Для отримання зернистого перліту нагрів повинен не набагато перевершувати АС1, в іншому випадку виходить пластинчастий перліт. Зерниста структура забезпечує кращу оброблюваність ріжучим інструментом і малу схильність до перегріву при загартування стали. Для скорочення часу відпалу та підвищення якості отожженной стали застосовують ізотермічний отжиг. Тут нагріта вище АС1 сталь охолоджується швидко до температури на 100 град. З нижче АС1 і при цій температурі витримується для протікання фазового перетворення А - П, потім сталь довільно охолоджують.
Способи об'ємної гарту.
Залежно від складу стали, форми і розмірів деталі і необхідних в термічно обробленому стані властивостей вибирають оптимальний спосіб гарту, найбільш просто здійсненний і одночасно забезпечує необхідні якості.
Мал. 43. Криві охолодження для різних способів загартування, нанесення на діаграму ізотермічного розпаду аустеніту.
1. Загартування в одному охолоджувачі. (Рис. 43. 1) - тут нагріту деталь занурюють в рідину, де вона залишається до повного охолодження. Спосіб застосовується для геометрично простих деталей з вуглецевих і легованих сталей. Охолоджувач - вода і масло.
3. Струйная гарт - полягає в оббризкуванні деталі інтенсивної струменем води. Зазвичай застосовують, коли потрібно загартувати частина деталі. При цьому способі не утворюється парова сорочка, що дає більш глибоку прокаліваемость.
4. Загартування з самоотпуском. У звичайних загартуванню і відпустці властивості по перетину деталі однакові. Для створення необхідного розподілу твердості гартують лише частина деталі, а закумульоване тепло неохолодженою частини проводить відпустку. Такий спосіб застосовують, наприклад, для слюсарного інструменту Зубила, молотки, ковадла і т.п.). Розподіл твердості досягають, регулюючи загартування за кольорами мінливості.
6. Изотермическая гарт. (Рис. 43. 4) Тут сталь витримується при температурі або в середовищі, що забезпечують повне ізотермічний перетворення аустеніту. Зазвичай 200 - 250 С. Утвориться структура - Бейн.
Вплив термообробки на механічні властивості.