Лабораторная Материаловедение. Технология конструкционных материалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Заочный институт
Кафедра машиностроительных технологий и оборудования
Отчёт защищён с оценкой:__________
Преподаватель________
подпись
и. о. фамилия
« »
202 г.
Лабораторная работа
«Влияние углерода на структуру и свойства стали
в равновесном состоянии»
по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных
материалов»
Студент группы
группа
и. о. фамилия
Преподаватель доцент
должность, ученая степень
и. о. фамилия
БАРНАУЛ
Микроструктура стали
Химический состав стали и режимы ее кристаллизации и дальнейшей
обработки (термообработки, обработки давлением) определяют ее структуру, а
структура стали определяет ее свойства, а знание свойств необходимо при
проектировании
изделий
из
стали.
Поэтому
контролю
или
изучению
микроструктуры металлов уделяется много внимания.
Микроструктура сталей в равновесном состоянии при температуре ниже
7270С складывается из двух фаз – феррита (Ф) и цементита (Ц). С увеличением
содержания углерода количество феррита уменьшается, а количество цементита
растёт, что оказывает качественное влияние на микроструктуру. По
микроструктуре в зависимости от содержания углерода стали подразделяются
на: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат более 0,02%, но менее 0,8% углерода.
Структура доэвтектоидных сталей состоит из двух структурных составляющих феррита и перлита. Феррит простая структурная составляющая и состоит из
одной фазы – феррита. Перлит (П) сложная структурная составляющая,
являющаяся механической смесью двух фаз- П( Ф+Ц). С увеличением
содержания
углерода
количество
феррита
в
доэвтектоидных
сталях
уменьшается, а перлита увеличивается (Рисунок 1. а, б, в, г)
2
Рисунок 1 – Микроструктура сталей в равновесном состоянии в зависимости от
содержания углерода, 450х:
а – 0,22%; б – 0,3%; в – 0,4%; г – 0,55%; д – 0,8%; е – 1,3%
По количеству перлита в структуре доэвтектоидных сталей в равновесном
состоянии (практически после отжига) можно приблизительно определить
количество углерода, исходя из того, что в перлите – 0,8 % С, а в феррите его
практически нет. Для этого используем пропорцию, предварительно определив
примерное содержание перлита в структуре стали – А% П:
Структура эвтектоидной стали (0,8% С) при температуре ниже 7270С
состоит из одного перлита (Рисунок 1 д), всё поле заполнено зернами перлита.
Структура заэвтектоидных сталей (С более 0,8%) состоит из перлита и
вторичного цементита, причем цементит на микрошлифах можно увидеть в
виде сетки (Рисунок 1 е), зёрен или игл. В структуре заэвтектоидных сталей
вместо обычного (пластинчатого) перлита может быть зернистый перлит,
который получают после специальной термообработки. Вышеописанная
микроструктура соответствует и ряду легированных сталей.
Механические свойства.
С увеличением содержания углерода в стали возрастает количество
цементита, имеющего более высокую твердость (в составе перлита и в виде
цементита вторичного). Следовательно, и изменяются механические свойства
сталей в зависимости от содержания углерода в них. При увеличении содержания углерода возрастает твердость; пределы временного сопротивления и
текучести; уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и
ударная вязкость (Рисунок 2).
Особо следует отметить тот факт, что предел временного сопротивления –
ϬВ при повышении содержания углерода в сталях свыше 0,8% начинает
снижаться. Это однозначно связывается с появлением вокруг зерен перлита
прослойки цементита вторичного (твердого, но хрупкого), что способствует
более раннему появлению трещин и их последующему быстрому
распространению. Отсюда и стремление не допускать в инструментальных
сталях сплошной цементитной сетки.
3
Рисунок 2 – Влияние углерода на механические свойства сталей в равновесном
состоянии
Классификация сталей
В общем случае сталь – это сплав железа с углеродом, с содержанием
углерода до 2,14%. Кроме Fe и С в сталях имеются постоянные примеси:
полезные – Mn и Si, вредные – S и P и газы – O, N, H в свободном или
связанном состоянии. Mn и Si попадают в сталь при раскислении, S и P
остаются в стали по причине невозможности их удаления в процессе
технологических переделов, газы растворены в жидкой стали и выделяются при
затвердевании. Содержание вредных примесей S и P определяет качество стали;
чем качественнее сталь, тем меньше в ней серы и фосфора. Сера способствует
красноломкости (хрупкость в районе температур выше 800ОС), так как в виде
сульфида железа FeS входит в состав хрупкой и легкоплавкой (988ОС)
эвтектики. Фосфор, растворяясь в основном по границам зерен феррита, резко
повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние – хладноломкость
стали. Поэтому в сталях допускается содержание S ≤ 0,06%, а Р ≥ 0,07%.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные,
по применению стали делятся на конструкционные и инструментальные.
4
Углеродистые стали
Углеродистые конструкционные стали. По качеству углеродистые стали
подразделяются:
на
обыкновенного
качества,
качественные
и
высококачественные.
Качество определяется содержанием в стали вредных элементов – серы и
фосфора: чем качественнее сталь, тем меньше в ней серы и фосфора.
Углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380–94) выпускается
сле-дующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп,
Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс,
Ст6пс, Ст6сп. Здесь: Ст – буквы, указывающие на принадлежность стали к
углеродистой стали обыкновенного качества; цифры от 0 до 6 – условный
номер стали, опосредованно связанный с содержанием углерода в стали (табл.
1); кп, пс, сп – степень раскисления (кипящая, полуспокойная, спокойная);
буква Г после номера – повышенное со-держание марганца в стали (0,8–1,2%).
Углеродистые качественные стали (ГОСТ 1050–88) обозначают
двузначным числом, указывающим примерное содержание углерода в стали,
умноженное на сто, причем в документации перед маркой обязательно слово –
сталь. Так сталь с содержанием углерода 0,07 – 0,14 % обозначается – сталь 10,
сталь с содержанием углерода 0,42 – 0,50 % – сталь 45, а сталь с углеродом 0,57
– 0,65 % – сталь 60 (табл. 2).
Металлургической промышленностью выпускается прокат из следующих
ста-лей: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55ПП), 60. Все
перечисленные марки по раскислению спокойные (сп по умолчанию не
ставится), но выпускаются стали и с меньшей степенью раскисления: 05кп,
08кп, 08пс, 10кп, 10пс, 15кп, 15пс, 20кп, 20пс. Следует отметить сталь 58
(55ПП) – это сталь пониженной прокаливаемости специально для
поверхностного упрочнения при сохранении вязкости сердцевины.
5
Углеродистые высококачественные стали маркируются также как и
качественные, только в конце марки добавляется буква «А», указывающая на
то, что со-держание вредных примесей (S, P) наименьшее (сталь 35А, сталь
45А). Химиче-ский состав и основные механические свойства сталей в
состоянии поставки (про-кат) практически такие же, что и у сталей
углеродистых качественных, однако вяз-кость, пластичность и хладностойкость
у высококачественных сталей выше.
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435–90) обозначаются
бук-вой «У» и последующим числом (от 7 до 13), которое обозначает
номинальное со-держание углерода в десятых долях процента в отличие от
конструкционных (в ко-торых содержание углерода обозначается в сотых долях
процента). У высококачест-венных сталей в конце марки добавляется буква
«А» (как и у конструкционных).
Буква «Г» обозначает повышенное содержание марганца в стали.
В промышленности применяется углеродистая инструментальная сталь
сле-дующих марок: У7, У7А, У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А, У10, У10А, У11,
У11А, У12, У12А, У13, У13А (Таблица 3).
6
В состоянии поставки регламентируется форма перлита (зернистый) и
остатки цементитной сетки по баллам. Пластинчатый перлит и сплошная
цементитная сетка не допускаются!
Легированные конструкционные стали
Легирующие элементы вводятся в стали для изменения их свойств и
структуры. Наименование легированных сталей представляет собой буквенно–
цифровую
сис-тему,
основанную
на
наименовании
углеродистых
конструкционных и инструмен-тальных качественных сталей. В начале марки
для конструкционных сталей ставит-ся процентное содержание углерода,
умноженное на 100. Далее ставятся прописные русские буквы, указывающие на
основные легирующие элементы, включенные в сталь
Цифры после каждой буквы обозначают примерное процентное
содержание со-ответствующего элемента, округленное до целого числа (при
содержании легирую-щего элемента до 1,5 % цифра за соответствующей
буквой не указывается).
Например, сталь состава 0,09 – 0,15 % С, 0,4 – 0,7 % Сг, 0,5 – 0,8 % Ni
называет-ся 12ХН, а сталь состава 0,27 – 0,34 % С, 2,3 – 2,7 % Сг, 0,2 – 0,3 %
Мо, 0,06 – 0,12 % V – 30Х3МФ.
Для того чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и
фосфора (S < 0,03 %, Р < 0,03 %) и сталь относится к группе
высококачественных, в конце ее обозначения ставят букву А. (Таблица 4).
Автоматные стали. Более точное их название – стали высокой
обрабатываемости резанием и используются для получения деталей на
многошпиндельных автоматах. Для повышения обрабатываемости резанием и
прежде всего для образования короткой стружки в состав сталей вводят
включения серы, свинца и селена, которые и способствуют разлому стружки.
7
Марки сталей начинаются с буквы «А» (автоматная). Для отражения
содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и
для обычных конструкционных сталей, например А30.
Литейные стали. Под литейными сталями понимаются стали, из которых
изготавливают отливки деталей и обозначаются они по тем же правилам, что и
качественные конструкционные стали. Отличие заключается лишь в том, что в
конце наименований литейных сталей приводится буква «Л», например, 15Л,
35ХГЛ, 110Г13Л и др.
Рессорно – пружинные стали. Как правило, поставляются в горячекатаном
со-стоянии в виде прутков круглого, квадратного и профильного сечения;
полосы; лис-та; ленты и проволоки.
углеродистая: 65, 70, 75, 85, (Например: Сталь 65);
марганцовая: 60Г, 65Г, 70Г, 55ГС, (Например: Сталь 65Г);
кремнистая: 50С2, 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70С3А и т. д., (Например:
Сталь 60С2А)
Подшипниковые стали. Стали для шариковых и роликовых подшипников
отличаются по маркировке наличием в начале наименования буквы «Ш»,
содержание углерода не ставится (по умолчанию около 1%), содержание хрома
обозначается не в процентах, а в десятых долях процента: ШХ6, ШХ9, ШХ15,
ШХ15СГ и др. В последнее время ряд подшипниковых сталей маркируются по
действующей системе маркировки легированных сталей, например – 95Х18
(9Х18, ЭИ229).
Подшипниковые стали имеют более низкое содержание серы и фосфора,
чем высококачественные конструкционные (S ≤ 0,02%, P ≤ 0,027%).
Содержание углерода в подшипниковых сталях колеблется от 0,90 до 1,15 %.
Легированные инструментальные стали
Правила обозначения инструментальных легированных сталей в основном
те же, что и для конструкционных легированных. Различие заключается лишь в
цифрах, указывающих на массовую долю углерода в стали. Процентное
содержание углерода также указывается в начале наименования стали, но при
этом умножается на 10, а не на 100 как для конструкционных легированных
сталей. Если же в инструментальной легированной стали содержание углерода
составляет около 1,0 %, то соответствующую цифру в начале ее наименования
обычно не указывают.
Примеры: сталь 4Х2В5МФ содержит 0,3 – 0,4 % С, 2,2 – 3,0 % Сг, 4,5 – 5,5
% W, 0,6 – 0,9 % Мо, 0,6 – 0,9 % V, а сталь ХВГ – 0,9 – 1,05 %С, 0,9 – 1,2 % Сr,
1,2 – 1,6 % W, 0,8 – 1,1 % Мn.
8
Задача
В структуре стали содержится 5,25% цементита. Определить содержание
углерода, зарисовать микроструктуру стали.
Решение:
Используя диаграмму железо-цементит определим процентное содержание
углерода  0,55%.
9