Углеродистые стали обыкновенного качества

Для сталей обыкновенного качества марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380 – 94. металлургические заводы выпускают эти стали в виде проката (прутков, листов, уголков, швейлеров, труб и т.д.). В них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. их выплавляют по нормам массовой технологии.

Стали маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», полуспокойных – «пс», в кипящих – «кп». Например, Ст 3_сп; Ст 3_пс; Ст 3_кп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст 1 – Ст 6; кипящими – Ст 1 – Ст 4. Сталь Ст 0 по степени раскисления не разделяют, в ней указывают только содержание C, S, P (табл. Х). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, P, As.

Для всех сталей, кроме СТО, справедлива формула: С(%) ≈ 0,07 х номер марки. Например: Ст 3 содержит С ≈ 0,07 ∙ 3 ≈ 0,21% (фактически 0,14 – 0,22%). В сталях Ст 3Г_пс, Ст 5Г_пс буква «Г» указывает повышенное содержание марганца.

Механические свойства горячекатаных сталей обыкновенного качества регламентируются ГОСТ 535 – 88.

 

Таблица 2. Механические свойства углеродистых сталей

Марка стали	sв, МПа	s0,2, МПа	d, %	KCU20°С, МДж/м^2
не менее
Ст0	³ 310	-		-
Ст1	320 – 420	-		-
Ст2	340 – 440	-		0,9 – 1,1
Ст3	380 – 490			0,7 – 1,0
Ст4	410 – 530			-
Ст5	490 – 630			-
Ст6	³ 590			-

 

Примечание. В кипящих сталях СТ1кп – Ст4кп значения s_в на 10 – 20 МПа, s_0,2 на 10 МПа меньше, а d на 1% больше, чем в приведенных сталях тех же марок.

Качественные стали

Для этих сталей характерным является более низкое, чем у сталей обыкновенного качества, содержание вредных примесей и неметаллических включений. Металлургическими заводами они поставляются в виде равнопрофильного сортового проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. Качественные углеродистые стали по назначению подразделяются на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей конструкций, маркируются словом «Сталь» и двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20, …, 85. Цифра означает среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050 – 88). Например, Сталь 10, содержит в среднем 0,1% С, а Сталь 40 – 0,4% С и т.д.

Прокат из спокойных сталей маркируют без индекса «сп», а полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп».

Химический состав и механические свойства после нормализации качественных конструкционных сталей приведены в таблице 3 (ГОСТ 1050 – 88).

Полуспокойными и кипящими производят малоуглеродистые стали марок 08, 10, 15, 20. В отличие от спокойных, кипящие стали практически не содержат кремния (0,07%), в полуспокойных его количество ограничено (0,17%). В соответствии с ГОСТ 1050 – 88 качественные стали производят и поставляют (по заказу):

без термической обработки (горячекатаными и кованными);

термически обработанными;

нагартованными.

Механические свойства гарантируются после нормализации (см. табл.3), а также по заказу потребителя.

Таблица 3.

Марка стали	Массовая доля углерода, %	Механические свойства после нормализации	НВ, Мпа после отжига	KCU, МДж/м^2 после термо- улучше- ния
σВ	σ0,2	δ	ψ	НВ
Мпа	%	Мпа
	0,05 - 0,12						-	-
	0,07 - 0,14						-	-
	0,12 - 0,19						-	-
	0,17 - 0,24						-	-
	0,22 - 0,30						-	0,9
	0,27 - 0,35						-	0,8
	0,32 - 0,40						-	0,7
	0,37 - 0,45							0,6
	0,42 - 0,50							0,5
	0,47 - 0,55							0,4
	0,52 - 0,60							-
	0,57 - 0,65							-
	0,62 - 0,70							-
	0,67 - 0,75							-
	0,72 - 0,80							-
	0,77 - 0,85							-
	0,82 - 0,90							-
60Г	0,57 - 0,65							-
65Г	0,62 - 0,70				-			-
70Г	0,67 - 0,75				-			-

Примечания:

1.В сталях марок 05…85 допускается Mn ≤ 0,8% (кроме сталей 60Г, 65Г и 70Г, в которых Mn ≤ 1,2%), Si ≤ 0,3%, Р ≤ 0,035%, Ni ≤ 0,25%, S ≤ 0,04, Cr ≤ 0,25%, Cu ≤ 0,25% и As ≤ 0,008%.

2.Нормы механических свойств относятся к стальным заготовкам и прокату с поперечным сечением ≤ 80 мм.

3.Механические свойства для сталей 75, 80, 85 гарантируются после закалки и среднего отпуска при температуре 480 ºС.

4.Ударная вязкость сталей 25-50 определяется после термоулучшения, закалки и высокого отпуска при 600ºС, после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку – отжига или высокого отпуска.

Высококачественные углеродистые стали

Эти стали характеризуются более низким содержанием, чем у сталей обыкновенного качества и качественных сталей, вредных примесей (Р ≤ 0,025% и S ≤ 0,025%) и неметаллических включений. Они отличаются более однородным распределением углерода и примесей по длине и сечению проката. Металлургическими заводами высококачественные стали поставляются в виде проката (прутков, листов, поковок и других полуфабрикатов) с гарантированным химическим составом и механическими свойствами по ГОСТ 1435 – 84.

Маркируются У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая (т.е. нелегированные), цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента, буква А – сталь высококачественная (если в конце маркировки буква А отсутствует, то сталь качественная). Углеродистые стали с содержанием углерода более 1,3% практического применения не находят, так как дальнейшее увеличение содержания углерода не оказывает влияния на твердость закаленной стали, однако при этом повышается хрупкость из-за повышенного содержания в структуре вторичного цементита (рис.7).

Стали У7А…У13А используются в основном в качестве инструментальных. Полуфабрикаты (прутки, листы, поковки и др.) поставляются после отжига на зернистый перлит. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 1870-2170) эти стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, наческу и другие высокопроизводительные методы изготовления инструментов. Из-за низкой прокаливаемости (12мм) углеродистые стали пригодны для мелких инструментов с поперечным сечением до 12 мм или 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть находится в поверхностном слое (метчики, развертки, напильники и т.п.) несквозная закалка уменьшает деформацию инструментов и повышает за счет вязкой сердцевины устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам.

Режущие инструменты (ручные метчики, сверла, напильники, надфили, пилы, шаберы и др.), а также измерительные инструменты (штангенциркули, пробки, втулки, скобы, метрические линейки) изготавливают из заэвтектоидных сталей У10А…У13А. Их после изготовления подвергают неполной закалке и низкому отпуску при температуре 160…200ºС на структуру мелко игольчатого мартенсита с включениями зернистого цементита. Также инструменты обладают повышенной износостойкостью и высокой твердостью (НRС 60…64) на рабочих поверхностях, однако твердость инструментов из этих сталей сильно снижается при нагреве свыше 200ºС (в связи с изменением структуры). Поэтому инструменты из таких сталей пригодны для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания.

Заэвтектоидные стали У10А…У13А часто используют для изготовления небольших штампов холодной высадкой штампов для обрезки облоев, работающих при невысоких нагрузках.

Стали У7А, У8А и У9А, из-за меньшего содержания углерода имеющие более высокую вязкость, применяют для ударных инструментов деревообрабатывающих (стамески), слесарных и кузнечных (молотки, зубила), а также молотовых штампов (матриц и пуансонов). После полной закалки их подвергают отпуску на структуру тростит отпуска при ~300 ºС (НRС 50) или ~400ºС (НRС 40).

Чугуны

Из сплавов на основе железа лучшими литейными свойствами обладают чугуны. Они относятся к «нелетающим сплавам». Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие углерод более 2,14% и затвердевающие с образованием эвтектики. В связи с хорошей жидкотекучестью, достаточной прочностью, износостойкостью, дешевизной чугуны используют для производства отливок для станков и приспособлений сложной конфигурации при отсутствии жестких требований к размерам и массе деталей.

В зависимости от того, в каком состоянии находится углерод, чугуны подразделяются на две группы:

- чугуны, в которых практически весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита (Fe₃C);

- чугуны, в которых весь углерод или часть его находится в свободном состоянии в виде графита (С).

К первой группе чугунов относятся белые чугуны. Излом такого чугуна белый. Белые чугуны весьма тверды (НВ 4500-5500) и хрупки, плохо обрабатываются резанием. Белые чугуны в машиностроении используются редко, они обычно идут на передел в сталь или для получения ковкого чугуна. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния «железо-цементит» (рис.2). По структуре белые чугуны подразделяются на:

- доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% углерода. Структура их состоит из цементита вторичного и ледебурита;

- эвтектические, содержащие 4,3% углерода. Структура такого углерода состоит из ледебурита;

- заэвтектические, содержащие от 4,3 до 6,67% углерода. Структура – цементит первичный и ледебурит.

Ко второй группе чугунов относятся серые, высокопрочные и ковкие чугуны, наиболее широко применяемые в машиностроении. Излом этих чугунов имеет серый цвет. Структура из различается формой графитовых включений и металлической основы.

В серых чугунах графит выделяется в виде пластинок, в высокопрочных – в виде шаров, в ковких – в виде хлопьев. Без травления под микроскопом они выглядят таким образом (рис.5):

По структуре металлической основы все эти чугуны классифицируются на:

- ферритные, со структурой феррит и графит;

- ферритно-перлитные, со структурой феррит, перлит и графит;

- перлитные, со структурой перлит и графит (рис.6).

 

Маркировка чугунов

Серые чугуны маркируют «СЧ». Цифра после букв «СЧ» указывает на значение предела прочности на растяжение (σ_В). Например, СЧ12 (серый чугун с σ_В ≥ 120 МПа).

Рис. 5. Формы графита в чугунах: а – серый; б – высокопрочный; в – ковкий

 

 

 

Рис. 6. Схемы структур чугунов: а – ферритные; б – ферритно-перлитные; в – перлитные

 

Высокопрочные чугуны получают из перлитного серого чугуна путем модифицирования – добавкой в жидкий чугун магния и ферросилицилия. Маркируются чугуны буквами «ВЧ» и двумя числами. Первое число показывает предел прочности на растяжение (σ_В), второе – относительное удлинение (δ). Например, чугун марки ВЧ 60-2 (высокопрочный чугун с σ_В ≥ 600 МПа и δ ≥2%).

Ковкие чугуны получают путем длительного отжига (томления) белых доэвтектических чугунов. Ковкие чугуны маркируются буквами «КЧ» и двумя числами. Первое число показывает предел прочности на растяжение (σ_В), второе – относительное удлинение (δ). Например, ковкий чугун марки КЧ 37 – 12 (ковкий чугун с σ_В ≥ 370 МПа и δ ≥12%).

 

Порядок выполнения работы

1. Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe₃C с указанием температур превращений и концентраций углерода для харак­терных точек.

2. Указать фазы и структурные составляющие в различных областях диаграммы.

3. Определить составы и весовое количество (%) фаз и структурных составляющих при температурах для варианта, ука­занного преподавателем. При выполнении расчетных задач в перитектической области диаграммы использовать данные по фрагменту этой диаграммы, представленные на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Фрагмент (высокотемпературная область) диаграммы «железо–углерод»

 

4. Исследовать под микроскопом и описать микроструктуры шлифа, заданного преподавателем, определить процентное содержание углерода в

сплаве.

5. Измерить твердость, полученных у преподавателя образцов. Построить зависимость твердости от содержания углерода.

6. Изучить и описать классификацию сталей и чугунов, их маркировки и применение.

 

Образцы зарисовки микроструктур сплавов Fe-Fe₃C в равновесном состоянии.

Структура	Описание структуры	Структура	Описание структуры
С=0,015%	Феррит	С=0,15%	Феррит   Перлит
С=0,4%	Феррит   Перлит	С=0,8%	Перлит
С=1,5%	Перлит   Вторичный цементит	С=3,5% чугун белый	Цементит Перлит   Ледебурит
С=3,0% чугун серый ферритно-перлитный	Феррит   Графит   Перлит	С=3,0% чугун серый ферритный	Феррит   Графит
С=3,0% чугун ковкий	Феррит Перлит     Чешуйки графита	С=3,0% чугун высокопрочный	Перлит   Феррит   Шарообразный графит

 

Примерный перечень вариантов индивидуальных заданий представлен в табл.2.2.

Таблица 2.2.

Индивидуальные задания по анализу диаграммы состояния Fe-C.

Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С	Номер варианта	Содержание углерода, %	Темпера­тура, °С
	0,05			1,6
	0,12			2,3
	0,16			2,5
	0,20			2,8
	0,35			3,0
	0,40			3,5
	0,50			3,8
	0,60			4,2
	0,80			4,5
	1,0			5,0
	1,2			5,5
	1,4			6,0

 

Отчёт

по лабораторной работе №_