Классификация и маркировка углеродистых (нелегированных) сталей.

Два главных признака при классификации: назначение и качество стали. Качество стали зависит от степени чистоты по вредным примесям и точности химического состава по C, Mn и Si.

Назначение стали определяется, в основном, содержанием углерода, от которого зависит прочность, пластичность и твердость в стали.

По назначениюстали делятся на две большие группы:

1)Конструкционные, содержащие до 0,8% С

2)Инструментальные(высокоуглеродистые),содержащие 0,7…1,3% С.

По качеству стали делятся на три группы:

1)Обыкновенного качества

2)Качественные

3)Высококачественные

1)Сталь обыкновенного качества содержит ≤ 0,08%S и ≤ 0,09% Р, более широкие пределы по углероду, Si и Mn, чем качественные стали.

Стали обыкновенного качества поставляют трех групп, см. табл. 6.2.

Таблица 6.2

Группы и основные марки стали обыкновенного качества

Сталь поставляют в виде проката: сортового, фасонного, толстолистового, тонколистового, широкополосного, а также в виде ленты, проволоки, метизов, труб.

Цифры в марках – порядковые номера в ГОСТе (не означают содержания углерода). С возрастанием цифры повышается прочность (увеличивается содержание углерода) и падает пластичность. Наибольшее содержание углерода в этих сталях (БСт6) не достигает 0,5%, так что это стали конструкционные, применяемые в строительстве, для деталей машин, станков, ширпотреба и др. при сравнительно неответственном назначении конструкций и деталей.

Стали группы А используются в том случае, если в процессе изготовления деталей или конструкций сталь не нагревается. В этом случае свойства ( ) будут соответствовать марке стали.

Стали группы Б используются в том случае, если детали подвергают горячей обработкой давлением (ковка, штамповка и т.д.). Для назначения режима горячей обработки нужно знать химический состав стали, а исходные механические свойства изменятся, поэтому стали поставляются только по химическому составу.

Стали группы В подвергаются сварке (часть детали нагревается, а другая часть – нет). В этом случае надо знать и химический состав, и механические свойства стали.

2)Качественные стали содержат приблизительно в 2 раза меньше вредных примесей, чем стали обыкновенного качества (S ≤ 0,04; Р ≤ 0,04) имеют более узкие пределы содержания углерода в каждой марке и более высокий процент Si и Mn.

В зависимости от назначения стали подразделяются на конструктивные и инструментальные.

Конструкционные качественные стали содержат 0,85% С и маркируются по процентному содержанию углерода (сотые доли процента, через 0,05% С): сталь 05, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85.

Эти стали подразделяются на подгруппы: 1) низкоуглеродистые (цементуемые), содержащие до 0,25% С (марки 10, 15, 20, 25), обладающие высокой пластичностью; 2) среднеуглеродистые (улучшаемые), содержащие от 0,3 до 0,55% С (марки 30, 35, 40, 45, 50, 55), обладающие повышенной прочностью4 3) высокоуглеродистые (пружинно-рессорные), содержащие от 0,60 до 0,85% С (марки 60, 65, 70, 75, 80, 85).

Эти стали применяются для изготовления ответственных деталей машин и конструкций. Каждая марка имеет точные химический состав и механические свойства в состоянии поставки. Эти стали подвергаются всем видам обработки, включая термическую, химико-термическую и термомеханическую обработку.

Стальные отливки изготавливают из конструкционной стали марок 15Л, 25Л, 30Л, 35Л, 45Л, 50Л и 55Л, где допускается несколько повышенное ( по сравнению с качественными) содержание S ≤ 0,06% и Р ≤ 0,08%.

Инструментальные качественные стали содержат повышенное количество С (0,7…1,3% С). Из инструментальных сталей изготавливают режущий, измерительный и штамповый инструмент. Высокое содержание углерода обеспечивает в инструментальной стали высокую твердость, износостойкость, но пониженную пластичность и вязкость. Марки У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13 – цифра в марке – десятые доли процента углерода.

3)Высококачественные стали – содержат приблизительно в 2 раза меньше S и Р, чем качественные. Они маркируются как качественные, в марке ставится буква А: сталь У8А, У10А, У12А.

Кроме сталей общего назначения, существуют специализированные стали: автоматные (А12, А20, А30 и др., где цифры – сотые доли процента углерода), для криогенной техники, для холодной штамповки, пониженной прокаливаемости и др.

Чугун.

Чугун – многокомпонентный, железоуглеродистый сплав с содержанием углерода свыше 2%. Чугун дешевле стали и обладает хорошими литейными свойствами (более низкая температура плавления, высокая жидкотекучесть и ~ в 2 раза меньшая линейная усадка), поэтому применяется для изготовления отливок.

В зависимости от состояния углерода в чуне различают:

- белыйчугун (углерод в связанном состоянии, в виде карбида железа-цементита Fe₃C), остальные виды чугунов (серый, ковкий высокопрочный) углерод содержат, в основном, в свободном состоянии, т.е. в виде графита, а отличаются друг от друга формой графитных включений (рис. 6.15):

- серый чугун– углерод в виде пластинчатого графита;

- высокопрочный чугун – углерод в виде шаровидного графита;

- ковкий чугун – углерод в виде хлопьевидного графита (углерод отжига).

Кроме того, в настоящее время получил применение чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом.

Рис. 6.15 Форма графитных включений в чугунах

а) пластинчатая (лепестковая) – у серого чугуна

б) вермикулярная (червеобразная)

в) шаровидная (глобулярная) – у высокопрочного чугуна

г)хлопьевидная (углерод отжига) – у ковкого чугуна

Белый чугун.

Структура белых чугунов изучается по диаграмме (рис. 6.16, а). Они подразделяются на:

- доэвтектические (от 2,14 до 4,3% С);

- эвтектические (4,3% С);

- заэвтектические (от 4,3 до 5% С).

На рис. 6.16, б представлены кривые кристаллизации эвтектического, доэвтектического и заэвтектического чугунов.

Рассмотрим кристаллизацию эвтектического чугуна (сечение 1): в т.С жидкость кристаллизуется с образованием эвтектики – ледебурита, состоящего из цементитной матрицы и включений аустенита. В т.С аустенит имеет состав 4,3% С, а в т.Е - 2,14% С. При охлаждении от т.С до т.1 содержание углерода в аустените изменяется по кривой ES, углерод из аустенита выделяется в виде Ц_П. В т.1 аустенит (входящий в ледебурит) растворяет только 0,8% С и ниже т.S превратится в перлит. Таким образом, ниже т.1 ледебурит будет превращенный: выше т.1 ледебурит состоит из А+Ц; а ниже – из П+Ц.

Рис. 6.16 Диаграмма Fe-Fe₃C (а) и кривые кристаллизации чугунов (б)

Рассмотрим кристаллизацию доэвтектического чугуна (сечение 2, см. кривую кристаллизации на рис. 6.16, б): в т.2 из жидкости начинают выделятся кристаллы аустенита, состав жидкой фазы при охлаждении от т.2 до т.3 изменяется по кривой 2С; в т.3 оставшаяся жидкость (ее количество выражается отрезком ЕЗ) примет состав т.С, т.е. в ней будет растворено 4,3% С. Жидкость, имеющая 4,3% С и температуру 1147⁰С превращается в эвтектику – ледебурит. Таким образом, после окончания кристаллизации в т.3 сплав состоит из А и Л (А+Ц₁), причем кристаллиты аустенита содержат 2,14% С. При охлаждении от т.3 до т.4 содержание углерода в аустените падает по кривой ES, при этом выделяются кристаллы Ц_П. В т.4 аустенит превратится в перлит. Таким образом, при комнатной температуре доэвтектический белый чугун состоит из перлита, цементита вторичного и превращенного ледебурита, состоящего из перлита, цементита первичного и вторичного.

Рассмотрим кристаллизацию заэвтектического белого чугуна (рис. 6.16 а и б, сечение 3). В т.5 до т.6 состав жидкой фазы обедняется углеродом по кривой 5С. В т.6 жидкость (ее количество соответствует отрезку 6F), приняв эвтектический состав и эвтектическую температуру, превратится в ледебурит. При дальнейшем охлаждении ниже т.6 превращения происходят только внутри ледебурита: сначала из аустенита ледебурита выделится Ц_П, а затем оставшийся аустенит превратится в перлит в т.7. Таким образом, структура заэвтектического белого чугуна состоит из Ц₁ и превращенного ледебурита.

В белом чугуне главной структурой является ледебурит. Как было показано выше, матрицей в ледебурите является цементит, в котором расположены дендриты перлита. Такая структура очень хрупкая, поэтому нелегированные белые чугуны не применяются. При сильном легировании белого чугуна Сr (≥ 12%) вместо цементита будут образовываться карбиды хрома, а матрицей будет аустенит или ферритно-карбидная смесь. Такой чугун можно использовать для изготовления деталей, которые работают на износ. Кроме того, при Сr ≥ 12% чугун становится коррозионно-стойким и жаропрочным применяется для химического машиностроения, для деталей печей, горно-добывающих машин и т.д.