Лекційне заняття за темою: "Вуглецеві сталі. Класифікація, структура і властивості вуглецевих сталей"

Лекція №3

Тема:вуглецеві сталі.

Мета:вивчення відомостей про вуглецеві сталі, їх маркування, властивості, структуру. 

План лекції: класифікація   вуглецевих сталей за вмістом вуглецю і

структурою, за ступенем   розкислення, за призначенням, за якістю. Вуглецеві конструкційні сталі для залізничного транспорту.

Класифікація, структура і властивості вуглецевих сталей.

Вуглецеві сталі є багатокомпонентними сплавами на основі заліза, які окрім вуглецю містять домішки: постійні – Мn, Sі, S, Р (з них S і Р є шкідливими), випадкові домішки і спеціальні. Усі ці елементи впливають на властивості сталі.

Найважливішим елементом, який обумовлює структуру і властивості сталі є вуглець. Структура вуглецевої сталі після повільного охолодження складається з двох фаз - феритутацементиту. Вони мають різні властивості, й тому від співвідношення кількості цих фаз залежать властивості сталі в цілому.

Ферит має невисоку міцність, малу твердість і добру пластичність, цементит - дуже тверда і крихка фаза. Частка фериту зі збільшенням концентрації вуглецю в сталі поступово зменшується, а цементиту-зростає. Тому зі збільшенням кількості вуглецю підвищуються твердість і міцність самої сталі (границя міцності σ_в; умовна границя текучості σ_0,2), а характеристики пластичності, відносне видовження δ і відносне звуження φ, знижуються; зменшується і ударна в'язкість КСU (рисунок4) [4].  

Рисунок 4- Вплив вуглецю на механічні властивості (а) і кількість фериту (Ф) і 

цементиту (Ц) в сталі (б)

Така тенденція простежується при концентрації вуглецю до ~0,9 %, тобто в доевтектоїдних сталях, а подальше збільшення вуглецю   (перехід до сталей заевтектоїдного складу) призводить до зниження характеристик міцності, тому що в заевтектоїдних сталях по границях зерен виділяється вторинний цементит у вигляді суцільної сітки, яка, як крихка фаза, полегшує руйнування, тобто знижує міцність сталі.

Ферит і цементит можуть бути присутні в сталях як самостійні структурні складові, а також у вигляді їх механічної суміші перліту.

Вуглецеві сталі класифікують за:

•        вмістом вуглецю і структурою у рівноважному (відпаленому) стані;

•        ступенем розкислення;

•        призначенням;

•        якістю.

Як вже зазначалось в лекції № 2, за вмістом вуглецю, а, отже, й за структурою вуглецеві сталі поділяють на:

•        доевтектоїдні сталі (0,02 % <С<0,8 %), структура їх складається із світлих зерен фериту і темних перліту (Ф + П)(див. рисунок2, а),при чому кількість перліту в сталі зростає зі збільшенням в ній вуглецю (рисунок5, б, в);за вмісту вуглецю 0,6...0,7 % ферит утворює облямівку навколо перлітних зерен        (рисунок5,г);

. евтектоїдна(С = 0,8 %), має структуру з перлітних зерен (П)(див.рисунок5, д);

Рисунок 5–Мікроструктура технічного заліза (а): вуглецевих конструкційних сталей марок 15 (б); 60 (в); 75 (г); інструментальної сталі У10 зі структурою зернистого цементиту (д)

заевтектоїдні(0,8 % <С <2,14 %), ці сталі містять вуглецю більше

евтектоїдного складу, їх структура складається з темних зерен перліту, по границях яких є виділення цементиту вторинного (П + Ц_ІІ)(див. рисунок2,

г); Ц_ІІпо границях зерен у вигляді суцільної сітки робить сталь крихкою, тому для заевтектоїдних сталей застосовують спеціальну термічну обробку - неповний відпал на зернистий перліт (сфероїдизація), внаслідок чого цементит, який входить до складу перліту, і цементит вторинний, розташований по границях зерен, набувають округлої форми (рисунок 5, д), зникає цементитна сітка, і властивості та оброблюваність сталі покращуються;

•       технічним залізом називають залізовуглецеві сплави, які містять менше 0,02 % вуглецю; його структура складається з фериту (Ф) і незначної кількості цементиту третинного (Ц_ІІ) який розташовується по границях феритних зерен (рисунок5, а).

За ступенем розкислення сталь буває:

•       киплячою (в марці скорочено позначають «кп»);

•       спокійною («сп»);

•       напівспокійною («пс»).

Розкислення- це процес виведення зі сталі, коли вона перебуває в рідкому стані під час її виплавки, оксидів металів, які призводять сталь до крихкого руйнування сталі при наступній гарячій пластичній деформації. Розкислення здійснюється введенням у сталь речовин, які містять хімічні елементи, здатні легко поєднуватися із киснем, тобто забирати кисень на себе і тим самим знижувати кількість небажаних оксидів у сталі.

Киплячі сталі розкислюють тільки марганцем. Перед розливанням ці сталі мають підвищену кількість кисню, який утворює з вуглецем бульбашки оксиду вуглецю СО. Ці бульбашки, коли спливають, імітують кипіння сталі, тому ця сталь і зветься «киплячою». Ці сталі майже не мають кремнію (<0,05 %), тому дуже пластичні в холодному стані. Киплячу сталь позначають літерами «кп» наприкінці марки сталі, наприклад, Ст3кп; 08кп.

Напівспокійні сталі розкислюють марганцем і кремнієм (кількість кремнію в сталі 0,05...0,17 %). Позначають їх літерами «пс», наприклад, 10пс; Ст3пс.

Спокійні сталі одержують повним розкисленням металевого розплаву марганцем, кремнієм та алюмінієм, тому вони кристалізуються спокійно, без виділення газів під час охолодження. Спокійні сталі містять 0,12...0,35 % 8і, позначають їх літерами "сп", наприклад, Ст3сп.

Внаслідок того, що більшість сталей виплавляють спокійними, їх не позначають спеціальними літерами, крім сталей звичайної якості (Ст3сп).

За хімічним складом спокійні, напівспокійні і киплячі сталі відрізняються кількістю в них кремнію.

За призначенням вуглецеві сталі поділяються на конструкційні та інструмантальні. Конструкційні сталі призначені для виготовлення деталей машин і конструкцій у машинобудуванні та будівництві, це сталі доевтектоїдногоі евтектоїдного класу. З інструментальних сталей виготовляють інструмент, вони евтектоїдніта заевтектоїдні.

За якістю, яку визначає вміст шкідливих домішок (S та Р), а також кількість неметалевих включень, конструкційні сталі поділяються на сталі звичайної якості та якісні.

Конструкційні сталі звичайної якості (ДСТУ 2651-94) маркуються літерами "Ст", за якими стоїть умовний номер марки (0, 1, 2, 3, 4, 5, 6), що не дає безпосередньої інформації про вміст у сталі вуглецю, але чим більше номер, тим більше вуглецю містить сталь.

Наприкінці марки ставлять ступінь розкислення сталі (сп, пс, кп).

Ці сталі містять не більше 0,04 % S і 0,05 % Р.

У залежності від властивостей, які гарантуються (тобто властивостей, до яких пред'являються вимоги), конструкційні сталі звичайної якості поділяються на три групи, і залежно від групи їхнє маркування дещо уточнюється.

Сталі групи А поставляються за механічними властивостями без уточнення їхнього хімічного складу. їх позначають Ст1, Ст2,..., Ст6. Від сталі марки Ст1 до Ст6 границя міцності σ_взростає приблизно від 300 до 600 МПа, а відносне звуження Ψзнижується з 30 до 15 %. Ці сталі призначені для використання у стані поставки у вигляді листів і різних профілів без наступної обробки тиском, зварювання або термічної обробки.

В сталях групи Б гарантується певний хімічний склад. В позначенні марки попереду ставиться літера Б (БСт1, БСт2,..., БСт6). Що більше номер сталі, то більше в ній вуглецю, так, в Ст1 вуглецю 0,06...0,12 %, а в Ст6 0,38... 0,49%.

Сталі групи В- це сталі підвищеної якості, їх поставляють з гарантованими механічними властивостями і хімічним складом. В позначення марки вводиться літера В (ВСт1, ВСт2,..., ВСт5). Хімічний склад сталі відповідає аналогічній марці з групи 2>, а механічні властивості - тій же марці з групи А.

Сталі груп Б і В використовують, коли при виготовленні виробів застосовують зварювання, гарячу деформацію або виріб підлягає зміцненню термічною обробкою.

З урахуванням ступеню розкислення сталі її маркування включає наприкінці літери «сп»,«пс»,«кп», наприклад, БСт2кп, В Ст4пс. В деяких марках може бути підвищена кількість марганцю (до 1,1... 1,2 %), тоді в марці ставиться ще літера «Г», наприклад, Ст4Гпс.

У вагонобудуванні зі сталі Ст3сп виготовляють рами і деталі кузовів вагонів, тепловозів, електровозів, моторвагонних секцій, а також корпуси букс, втулки в гальмових башмаках візків, підтримуючі планки поглинаючих апаратів і стяжні болти автозчепів; зі Ст3 і Ст5 - підвіски автозчепів; зі Ст2 - кришки букс тощо.

Конструкційні сталі якісні (ГОСТ 1055-88) маркують двозначним числом, яке показує середню кількість у сталі вуглецю в сотих частках відсотка: 05, 08, 10, 15, 20, 25,...85. Ступінь розкислення цих сталей ставиться в марці тільки в тому разі, якщо вона кипляча («кп») або напівспокійна («пс»), якщо в марці ступінь розкислення не позначений, це означає, що вона спокійна.

Ці сталі містять не більше 0,04 % S і 0,035 % Р.

Високовуглецеві сталі марок 60, 65, 70, 75, 80 і 85 складають групу ресорно-пружинних сталей, з них виготовляють ресори, пружини, троси. Ці сталі піддають гартуванню з середнім відпуском, що надає їм необхідної пружності і міцності.

Ливарні сталі(ГОСТ 977-88) маркують числом, яке вказує кількість вуглецю в сотих частках відсотка, та літерою "Л"в кінці марки. З них виготовляють виливки. Це сталі 15Л, 20Л, 25Л,...50Л. Вони містять до 0,9 % Мnі до 0,52 % Sі, які покращують їх ливарні властивості.

З метою зниження ливарних напружень, покращення структури виливки піддають термічній обробці - повному відпалу або нормалізації, або поліпшенню.

У вагонобудуванні сталі 15Л, 20Л, 25Л, 20ГЛ застосовують для виготовлення литих деталей візків, автозчепів, гальм тощо.

Інструментальні вуглецеві сталі(ГОСТ 1435-74) маркують літерою «У» і числом, яке вказує середню кількість вуглецю в десятих частках відсотка: У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13. Це сталі якісні, вони містять не більше 0,028 S  і 0,030 Р. Якщо в кінці марки стоїть ще літера «А», то це означає, що сталь високоякісна, тобто містить менше сірки і фосфору (не більше 0,018 S і 0,025 Р). Якщо сталь містить підвищену кількість марганцю (0,33...0,58 %), то в марці після числа дописують літеру "Г"наприклад, У8Г.

Групу сталей спеціального призначення складають конструкційні сталі для залізничного транспорту. До них ставляться додаткові вимоги, які визначаються специфічними умовами роботи конструкцій. Важливе місце в цій групі займають сталі колесна, осьова, рейкова, для мостобудівництва.

Сталь для суцільнокатаних колес вагонів близька за складом до сталей марок 50 і 60. Колесна стальмарки 1для пасажирських вагонів містить 0,44...0,52 % С, а колесна сталь марки 2для вантажних вагонів містить вуглецю трохи більше (0,57...0,65 %), що забезпечує їй дещо більшу міцність (σ_в- 910... 1100 МПа) ніж у сталі марки 1 (σ_в- 880... 1080 МПа) і що зумовлено більш складними умовами роботи вантажних вагонів у порівнянні з пасажирськими. Колеса піддають гартуванню з температури Т = 825... 860°С в підігрітій воді і високому відпуску при Т = 600...650 °С на твердість

не нижче 250 НВ.

Для виготовлення осей локомотивів і вагонів застосовують спеціальну осьову сталь, яка близька за складом до вуглецевої конструкційної якісної сталі 40 (0,35...0,45% С). Осі піддають нормалізації (нагрівання вище критичної температури А_с3з наступним охолодженням на повітрі), чим забезпечується структура перліту тонкої будови. В результаті досягається такий рівень механічних властивостей: σ_в= 580...630МПа, δ = 19...21 %, КСU = 0,4...0,6 МДж/м², твердість 160... 170 НВ. Вся поверхня осей зміцнюється (наклепується) накаткою роликом.

Сталь рейкова має високу контактну міцність і зносостійкість, має щільну макроструктуру без усадочних дефектів. Таку сталь виплавляють в мартенівських печах повністю розкисленою, тобто спокійною.

Для рейок Р50 застосовують марку N475 (0,67...0,80 % С), для рейок Р65 застосовують марку М76 (0,69...0,82 % С). Для підвищення стійкості рейок проти зносу і утворення контактно-втомних дефектів застосовують термічне зміцнення гартуванням з 850 °С з відпуском при 450...480 °С з метою отримання твердості 340... 380 НВ.

Сталь для мостобудування застосовують двох марок: М16С - для зварних мостових конструкцій і Ст3 мостова - для клепаних мостів. Сталь М16С має більшу ступінь розкислення, що забезпечує їй кращу зварюваність. Ці сталі повинні мати при температурі -20°С ударну в'язкість не нижче 0,4 МДж/м².

Контрольні запитання

1.     Які сплави називаються вуглецевими сталями?

2.     Як впливає вуглець на механічні властивості сталей?

3.     За якими ознаками класифікують вуглецеві сталі?

4.     На які класи поділяють сталі за вмістом вуглецю?

5.     Як класифікують сталі за вмістом розкислення?

6.     На які класи поділяють сталі за призначенням?

7.     Як маркують сталі вуглецеві конструкційні звичайної якості?

8.     Як маркують сталі вуглецеві конструкційні якісні?

9.     Як маркують сталі вуглецеві інструментальні?

10.Охарактеризуйте конструкційні сталі спеціального призначення - для залізничного транспорту.