Микроструктура стали и чугунов.

Сталями называются сплавы железа с углеродом при содержании

последнего до 2,14 % С и другими элементами.. Кроме этих основных компонентов, в стали

содержатся постоянные примеси - марганец, кремний, сера и фосфор. Их

содержание невелико и регламентируется по ГОСТ 1050-88 и ГОСТ

1435-90. В связи с этим можно считать, что микроструктура стали

определяется в основном содержанием углерода. По хим.составу различают углеродистые и легированные стали, а по назначению конструкционные(строительные) и инструментальные и специальные.

Углеродистые стали классифицируются по следующим

признакам:

- по химическому составу (содержание углерода);

- по микроструктуре.

Классификация углеродистых сталей

По микроструктуре.

Феррит - твердый раствор углерода в альфа-железе. Для

ферритной структурной составляющей характерны следующие

формы: зернистая, сетчатая и типа видманштеттового строения.

Цементит (карбид железа) - химическое соединение, от-

вечающее формуле Fe3C. Свободный цементит может присутствовать

в стали в виде зернышек, игл и сетки.

Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита, обра-

зующаяся при 0,8 % С. Перлит в зависимости от формы частичек це-

ментита бывает пластинчатый и зернистый.

Микроструктура углеродистой стали выявляется на шлифах

после травления 3...4 % раствором азотной кислоты в спирте. При

этом феррит и цементит имеют белый цвет, а перлит -перламутровый.

Обычно избыточный феррит занимает большие участки и легко

отличается от цементита, который в стали бывает в небольших

количествах. Если сталь характеризуется повышенным содержанием

углерода, близким к 0,8%, то феррит располагается в виде белой

тонкой сетки, похожей на сетку цементита. В этом случае отличить

цементит от феррита можно путем травления шлифа пикратом

натрия, который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет, ос-

тавляя феррит белым.

В зависимости от сочетания микроструктурных составляющих

(в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит") углеро-

дистые стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и

заэвтектоидные.

Микроструктура доэвтектоидной стали состоит из перлита и

избыточного феррита. При этом по мере увеличения

содержания углерода количество перлита возрастает, а феррита -

убывает.Эвтектоидные стали имеют микроструктуру,

состоящую только из перлита.Микроструктура заэвтектоидных

сталей состоит из перлита и избыточного (вторичного) цементита.

 

Чугунами называются сплавы железа с углеродом и другими элементами при содержании углерода (2,4% «С»6,67%). Mn-до 1,5%,Si-до 45%.Углерод в чугу-нах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) и в

свободном состоянии (в виде графита). Состояние углерода в чугуне и форма графитных включений играют решающую роль в дости-жении наиболее высоких показателей механических свойств. Поэто-му главными классификационными признаками чугунов являются со-стояние углерода (связаннее или свободное) и форма графитных включений (пластинчатая или округлая). Всоответствии с этим раз-личают:4вида.

− белый чугун - весь углерод в белом чугуне находится в связан-

ном состоянии в виде карбида железа - цементита;

− серый чугун - углерод в основном находится в свободном со-

стоянии в виде графита пластинчатой формы и частично может

находиться в перлитной составляющей металлической основы в

виде цементита (до 0,8);

− высокопрочный чугун содержит до 0,8% С в металлической ос-

нове в связанном состоянии, а остальной углерод находится в

свободном состоянии в виде шаровидного графита;

− ковкий чугун получается путем отжига (графитизирующий от-

жиг или томление) отливок белого чугуна, в результате чего це-

ментит распадается с образованием своеобразных по форме

хлопьевидных графитных включений, при этом связанный угле-

род присутствует только в перлите металлической основы.

58. Механические свойства мягких сталей и их связь с содержанием углерода. Наклеп и старение в мягких сталях.

Мягкая сталь. Материал легкодоступный и достаточно легко поддающийся различным видам механической обработки. Высокие прочностные характеристики металла позволяют использовать его даже для изготовления самых ответственных деталей огнестрельного оружия, рассчитанных на работу при повышенных давлениях. Недостаток мягкой стали - она сильно подвержена коррозии. Качественными углеродистыми сталями являются стали марок: Сталь08; Сталь10; Сталь15 …; Сталь78; Сталь80; Сталь85. Также к этому классу относятся с повышенным содержанием марганца (Mn — 0.7-1.0 %): Сталь 15Г; 20Г … 65Г, имеющие повышенннную прокаливаемость.

Маркировка

Сталь — слово «Сталь» указывает, что данная углеродистая сталь качественная.

Цифра — указывает на содержание в стали углерода (С) в сотых долях процента.

Применение

Низкоуглеродистые стали марок Сталь08, Сталь08КП, Сталь08ПС относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего в отожжённом состоянии для изготовления деталей методом холодной штамповки - глубокой вытяжки. стали марок Сталь10, Сталь15, Сталь20, Сталь25 обычно используют как цементируемые, а высокоуглеродистые Сталь60 … Сталь85 — для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью.

Сталь30 … Сталь50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца Сталь30Г, Сталь40Г, Сталь50Г применяют для изготовления самых разноообразных деталей машин.

Наклепом называют состояние металла, получившего пластическую деформацию. В результате наклепа прочность и твердость металла повышаются, но снижаются относительное удлинение и ударная вязкость. Упрочнение мягкой стали при наклепе вызывается также выделением из феррита по плоскостям скольжения высокодисперсных частиц, окислов, нитридов и карбидов, препятствующих дальнейшим сдвигам и тем повышающих сопротивление

пластической деформации. При пластическом деформировании мягкой стали выделению новых фаз предшествует местная концентрация атомов компонентов, растворенных в феррите, что приводит к искажению кристаллической решетки феррита и повышению его прочности, твердости и хрупкости. ри обычных температурах сталь сохраняет структурно неустойчивое состояние (состояние наклепа). При нагреве до высоких температур сталь переходит в более устойчивое состояние, так как искаженная деформацией решетка вследствие тепловых колебаний атомов приобретает свою нормальную форму. Нагрев для снятия наклепа является одним из видов отжига и называется отжигом для снятия наклепа, или рекристаллизацией стали. После отжига сталь приобретает механические свойства, соответствующие ее равновесному состоянию.

Повышение прочности и понижение пластичности металлических сплавов может продолжаться и после снятия нагрузки, вызвавшей пластическую деформацию; это явление называется механическим старением. При механическом старении мягких сталей особенно значительно понижаются пластичность и ударная вязкость. Такое изменение свойств стали вызывается местной концентрацией атомов растворенных в феррите элементов и выделением из твердого раствора новых фаз в высокодисперсном состоянии. Последнее обстоятельство объясняется тем, что вследствие пластической деформации, вызвавшей измельчение зерен и искажение пространственных решеток, уменьшается растворимость отдельных компонентов и твердый раствор становится неустойчивым.

Старение сталей при комнатной температуре носит название естественного старения. Процесс старения ускоряется с повышением температуры. Старение сталей в нагретом состоянии называется искусственным старением. При нагреве до температур 200—400° С наклепанная мягкая сталь утрачивает пластичность и делается хрупкой вследствие мгновенного протекания процесса старения. Это явление называется синеломкостью мягкой стали (при температурах около 300° С поверхность мяг-кой стали имеет синий цвет побежалости). Особенно сильно подвержены механическому старению кипящие стали. Конвертерные стали показывают большую склонность к старению, чем даже кипящая мартеновская сталь. Хорошо раскисленная мартеновская сталь практически не стареет.

Старение мягких сталей может вызываться не только наклепом, быстроохлажденные мягкие стали также подвержены старению.

Изменение механических свойств быстроохлажден-ных мягких сталей при естественном старении преимущественно вызывается перемещением атомов компонентов, растворенных в а-модификации железа, а при искусственном старении — выделением из феррита новых фаз (третичный цементит, нитриды и окислы) в высокодисперсном состоянии.

Особенно существенное влияние на упрочнение и понижение ударной вязкости и пластичности мягких сталей при старении оказывает азот вследствие большой разницы значений его растворимости в феррите при комнатной и высоких температурах (0,015% при 20°С и 0,42% при 591°С).