Углеродистые конструкционные стали

Широкое применение углеродистых сталей объясняется их относительной дешевизной и удовлетворительными механическими свойствами. Эти стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества. Это наиболее дешевые стали, изготавливаемые в виде проката (прутки, листы, швеллеры, трубы и др.) и поковок. Углеродистые стали обыкновенного качества предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Состав и свойства сталей определяются по ГОСТ 380-94. В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп − А, Б и В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст, цифрой 0-6, показывающей номер марки, и индексами, указывающими степень раскисления стали (сп, пс, кп).

Стали группы «А» поставляются с гарантированными механическими свойствами. С увеличением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали. Стали этой группы используют для изделий, производство которых не сопровождается горячей обработкой, а, следовательно, в них сохраняется исходная прочность. Буква «А» в обозначении стали не указывается. Пример обозначения: Ст5сп.

Сталь группы «Б» поставляется с гарантированным химическим составом и предназначена для изделий, изготавливаемых с применением горячей деформации или термической обработки. Высокотемпературная обработка приводит к изменению первоначальных механических свойств, а для выбора режимов нагрева необходимо знание содержания углерода. Содержание углерода в стали повышается при увеличении номера стали. Первая буква марки указывает на способ получения стали (М – мартеновская, К – конверторная). Пример обозначения: МСт5пс.

Стали группы «В» поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом для производства сварных конструкций. Механические свойства сталей этой группы соответствуют нормам для сталей группы «А», а химический состав − нормам для тех же марок стали группы «Б». Знание химического состава необходимо для подбора сварочных материалов и режимов сварки, а гарантированные механические свойства стали сохраняются на не нагреваемых участках. Группу стали указывает буква «В» в начале марки стали. Пример обозначения: ВСт4сп.

В соответствии с ГОСТ 380-94 стали углеродистые обыкновенного качества на группы не подразделяются и маркируются только в соответствии с содержанием углерода.

Углеродистые качественные стали. Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Стали маркируются словом «сталь» и двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20... 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-74). Спокойные углеродистые качественные стали маркируются без индекса, полуспокойные и кипящие с добавлением соответственно «пс» и «кп». Например, сталь 20кп.

Низкоуглеродистые стали типа:

а) 05, 08, 10 − малопрочные, высокопластичные, применяются для холодной штамповки различных изделий;

б) 15, 20, 25 − пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоуглеродистые стали могут насыщаться на поверхности углеродом (цементация).

Среднеуглеродистые стали типа:

а) 30, 35, 4 5, 50 имеют повышенную прочность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработки подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучшению).

б) 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно-пружинных изделий.

 

Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные углеродистые стали содержат более 0,7 % С и отличаются высокой твердостью и прочностью. Эти стали делятся на:

− качественные (ГОСТ 1437-74): У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13;

− высококачественные: У7А, У8А, У13А.

Цифры в марке показывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.

Стали У7, У8, У9 имеют достаточно высокую вязкость и применяются для инструментов, подвергающихся ударам: столярного, слесарного, кузнечного инструмента, матриц, пуансонов и др.

Стали У10, У11, У12 применяют для инструмента с высокой твердостью на рабочих гранях (НRС 62-64). Это напильники, пилы, метчики, резцы, калибры и т. д.

Сталь У13 используют для инструментов, требующих наиболее высокую твердость: шаберов, гравировального инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за большей вязкости их применяют для инструментов с тонкой режущей кромкой.

 

Микроисследование углеродистой стали

 

Стали в отожженном состоянии состоят из феррита, цементита, перлита. Структура стали в отожженном состоянии определяется содержанием в ней углерода и характеризуется нижней левой частью диаграммы состояний железо-цементит.

Микроструктура технического железа (С < 0,025 %) − это феррит с незначительным количеством третичного цементита, который обычно располагается по границам зерен основной фазы (рис.7.2, а).

Структура доэвтектоидной стали (0,025 < С < 0,8 %) после отжига представлена ферритом и перлитом. Фазы в поле микроскопа имеют разную окраску: феррит – светлую, а перлит − темную (рис. 7.2, б).

С увеличением в стали содержания углерода количество перлитной фазы будет возрастать, при этом прочность и твердость стали повышаются, а пластичность уменьшается, т. к. в состав перлита входит очень твердая цементитная фаза.

Соотношение площадей структурных составляющих доэвтектоидных сталей с достаточной точностью определяет содержание в них углерода (табл. 5.1).

Таблица 5.1

Химический и фазовый состав сталей

Марка 20 40 60 80

Содержание углерода, % 0,2 0,4 0,6 0,8

Площадь перлита, % 25 50 75 100

Площадь феррита, % 75 50 25 0

Структура эвтектоидной стали (С = 0,8 %) после отжига состоит полностью из перлита, который в зависимости от термической обработки может быть пластинчатым (рис. 5.2, в) или зернистым. Твердость и предел прочности на растяжение эвтектоидной стали выше, чем доэвтектоидной, а пластичность ниже.

Структура заэвтектоидной стали (С > 0,8 %) состоит из перлита и вторичного цементита. В зависимости от вида термической обработки вторичный цементит может наблюдаться на микрошлифе в виде светлых, небольших по величине зерен, либо в виде светлой сетки по границам зерен перлита (рис.7.2, г).

Количество вторичного цементита в структуре заэвтектоидной стали невелико и увеличивается с увеличением содержания углерода в ней. Наличие в структуре стали цементита приводит к значительному повышению ее твердости и снижению пластичности по сравнению с эвтектоидной сталью.

Величина зерна стали − один из важнейших факторов, влияющих на ее свойства. Стали, имеющие мелкие зерна, обычно обладают более высокими механическими свойствами, особенно пластичностью и вязкостью при обычной температуре. С укрупнением зерна понижается ударная вязкость, твердость и другие свойства стали. Величина зерен стали характеризуется соответствующим номером зерна стандартной шкалы ГОСТ 5639 [6].

 

5.3. Порядок выполнения работы:

1. Начертить стальной уголок диаграммы Fe–Fe₃C (метастабильное состояние), построить кривую охлаждения сталей и описать превращения, происходящие при охлаждении сталей с различным содержанием углерода от температур, лежащих выше линии ликвидус.

2. Установить подготовленные микрошлифы с разным содержанием углерода от технического чистого железа до высокоуглеродистой стали (например, армко-железо, сталь 20, сталь 50, сталь У8 и У12) на предметный столик металлографического микроскопа, настроенного на заданное увеличение (100^х). Настроить микроскоп с помощью макро- и микровинтов и, перемещая предметный столик, рассмотреть различные поверхности микрошлифа. Выбрать область с наиболее четко выраженной микроструктурой.

3. Определить, к какой группе относится каждый образец:

− зарисовать рассмотренную под микроскопом микроструктуру щлифа;

− указать структурные составляющие.

− дать описание микроструктуры;

− указать класс стали (доэвтектоидная, эвтектоидная или заэвтектоидная) с его описанием.

4. Изучить микроструктуру отожженных образцов, относящихся к различным группам сталей: доэвтектоидной, эвтектоидной с зернистым и пластинчатым перлитом и заэвтектоидной.

5. Написать марку качественной углеродистой стали, найдя по микроструктуре содержание углерода. Для этого примерно определить в исследуемых доэвтектоидных сталях площадь, занимаемую перлитом (у) и подсчитать примерное содержание углерода (х) методом пропорции:

100 % перлита − 0,8 % С

у % перлита − х % С.

6. Установить зависимость основных механических свойств (НВ, σ_в, δ) от содержания углерода и соотношения фаз: феррита и перлита.

7. Сделать выводы по результатам исследований (задания 2 и 3) о том, как меняется микроструктура стали от содержания углерода.

8. Составить отчет.

 

5.4. Содержание отчета:

1. Название и цель работы.

2. Диаграмма железо-цементит.

3. Рисунки микроструктур углеродистых сталей и их описание.

4. Расчет содержания углерода по микроструктуре для доэвтектоидных сталей.

5. Выводы.

 

5.5 Оборудование и материалы:

− металлографический микроскоп, настроенный на постоянное увеличение;

− диаграмма состояния Fe-Fe₃C;

− набор подготовленных микрошлифов технического железа и углеродистых сталей с различным содержанием углерода в равновесном состоянии.

 

5.6. Контрольные вопросы:

1. Какие сплавы называют сталями?

2. Каково содержание углерода в сталях и чугунах?

3. Назовите структурные составляющие доэвтектоидных сталей.

4. Назовите разновидности перлита и особенности свойств.

5. Назовите структурные составляющие заэвтектоидных сталей?

6. Отличаются ли по структуре в равновесном состоянии стали 40 и 60?

7. Сколько углерода содержится в техническом железе и какова его структура?

8. Как изменяются механические свойства доэвтектоидных углеродистых сталей в равновесном состоянии в зависимости от состава и структуры?

9. Как изменяются механические свойства заэвтектоидных углеродистых сталей в равновесном состоянии в зависимости от состава и структуры?

10. Как изменяются прочностные свойства сталей при увеличении содержания углерода в них?

11. Назовите основные легирующие элементы в углеродистых и легированных сталях.

12. На какие виды классифицируют стали по качеству в зависимости от содержания примеси в них?

13. Для изготовления чего используют конструкционные стали?

14. Что обозначают буквы и цифры в марках углеродистых сталей обыкновенного качества? Приведите примеры маркировки.

15. Запишите 2-3 марки углеродистых конструкционных качественных сталей и объясните значение каждого знака.

16. Каким образом маркируют легированные конструкционные стали. Приведите примеры.

17. Какими русскими буквами обозначают легирующие элементы в марках сталей? Приведите примеры.

18. Что означают буквы «А» и «Ш» в конце марок легированных сталей?

 

Литература

Лабораторная работа № 6