28. Как классифицируют по ГОСТ конструкционные углеродистые стали? Где на железнодорожном транспорте они применяются?
Конструкционными называются стали, применяемые в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Они могут быть углеродистыми и легированными. Содержание углерода в этих сталях не превышает 0,6%. Однако в некоторых случаях может достигать 1%.
Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Поэтому конструкционные стали, кроме высоких механических свойств, определяемых при стандартных испытаниях (σв – временное сопротивление, σ0,2 – предел текучести, δ – относительное удлинение, ψ – относительное сужение, НВ – твердость) должны обладать высокой конструктивной прочностью, т.е. прочностью, которая проявляется в условиях их реального применения.
Конструкционные стали должны иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т.д.), резанием, обладать высокой прокаливаемостью. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.
Конструкционные стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калибровочной и шлифованной стали, в виде листов, полос, фасонных профилей и др.
Углеродистые конструкционные стали (стали общего назначения). Стали углеродистые обыкновенного качества выплавляют в кислородных конверторах, мартеновских и электропечах. Стали широко применяются в строительстве. Ряд марок сталей назначается и для деталей машиностроения. Сталь изготавливается горячекатаной – сортовой, фасонной, толстолистовой, тонколистовой, широкополосной (универсальной) – и холоднокатаной – тонколистовой. Из стали изготавливаются трубы, поковки и штамповки, лента, проволока и др.
Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В маркировке сталей буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. С увеличением номера марки, за исключением марки Ст0, в сталях увеличивается количество углерода. Информацию о количественном химическом составе (в том числе и о содержании углерода марка стали не содержит).
Стали обыкновенного качества содержат, по сравнению с другими сталями, повышенное содержание серы – до 0,05%, фосфора – до 0,04%, а в стали марки Ст0: серы не более 0,06%, фосфора – не более 0,07%.
Сталь с номерами марок 1, 2, 3, 4 изготавливают кипящей (кп), полуспокойной (пс) и спокойной (сп), с номерами 5 и 6 полуспокойной и спокойной. Сталь марки Ст0 по степени раскисления не разделяют. Степень раскисления обозначается буквами кп, пс, сп, приводимыми в конце наименования стали. Например: Ст1кп, Ст2пс, Ст5сп и др.
Сталь марок Ст 3пс, Ст 3сп и Ст 5пс изготавливают с повышенным содержанием марганца. В обозначении этих марок сталей ставят букву Г. Ст 3Гпс, Ст 3Гсп, Ст 5Гпс.
Спокойные стали (раскисленные Mn, Si, Al) содержат пониженное количество кислорода и различных оксидов. Содержание кремния составляет 0,15-0,30%, однако даже в этих относительно малых количествах кремний повышает предел текучести и снижает пластичность.
Кипящие стали (раскисленные только Мn) содержат кремний лишь в качестве примеси (≤ 0,05%). Кипящие стали по сравнению со спокойными и полуспокойными сталями имеют одинаковый предел прочности, но обладают более высокой пластичностью и хорошо подвергаются холодной обработке давлением (прокатке, вытяжке и др.). Кипящие стали более дешевые, так как отходы при их производстве минимальны. Поскольку пластичность сталей зависит и от содержания углерода, то количество его в кипящих сталях не более 0,25%.
Полуспокойные стали (раскисленные Mn и Al) содержат кремния до 0,15%. По составу и свойствам они занимают промежуточное положение. Полуспокойные стали используют, в частности, для холодного выдавливания болтов и других деталей.
Химический состав сталей обыкновенного качества соответствует ГОСТ 380-94. Этот стандарт соответствует международным стандартам ИСО 630-80 «Сталь конструкционная. Пластины, широкие фаски, бруски и профили» и ИСО 1052-82 «Сталь конструкционная общего назначения», в части требований к химическому составу сталей.
Качественные углеродистые стали (стали общемашиностроительного назначения). Стали выплавляют в мартеновских и электрических печах с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу: содержание серы не должно превышать 0,04%, фосфора 0,035-0,04% (в зависимости от марки), стали также должны иметь меньшее, чем в сталях обыкновенного качества количество неметаллических включений.
Углеродистые качественные стали в соответствии с ГОСТ 1055-88 маркируют двухзначными числами, которые показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например: 05, 08, …, 15, …, 45, …, 60 (соответственно 0,05, 0,08, …, 0,15, …, 0,45, …, 0,60% С).
Низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,2% могут быть кипящими, полуспокойными и спокойными. Кипящая сталь имеет в конце маркировки буквы кп, полуспокойная – пс. Для спокойных сталей буквы в конце их наименований не добавляются, например: 08кп, 10пс, 18кп, 20, 25, 30, 35 и т.д. Химический состав углеродистых качественных конструкционных сталей соответствует ГОСТ 1050-88.
Качественные стали подразделяют на подгруппы. Низкоуглеродистые 05кп, 08кп, 08, 10кп, 10сп, 10, 11кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей (прокладок, шайб, капотов тракторов, змеевиков), элементов сварных конструкций и т.д. Стали хорошо деформируются в холодном состоянии. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали принимать вытяжку, поэтому для холодной штамповки, особенно для вытяжки, более широко используют холоднокатаные полуспокойные и кипящие стали 08пс, 08кп.
Стали 15, 15кп, 15пс, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25 применяют без термической обработки или в нормализованном виде. Стали поступают в виде проката, поковок, труб, листов, ленты и проволоки, они менее пластичны несколько хуже деформируются в холодном состоянии. Сталь хорошо сваривается и обрабатывается резанием. Эти стали используют для цементуемых деталей, работающих на износ и не испытывающих высоких нагрузок (например, кулачковых валиков, рычагов, осей, втулок, шпинделей, вилок и валиков переключения передач, пальцев рессор и многих других деталей автотракторного, сельскохозяйственного и общего машиностроения).
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (распределительных валков, шпинделей, фрикционных дисков, штоков, траверс, плунжеров и т.д.). Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием. Прокаливаемость сталей невелика, поэтому их следует применять для изготовления небольших деталей или больших размеров не требующих сквозной прокаливаемости.
Стали марок 50, 55, 60 применяют после различных видов термической обработки – нормализации улучшения, закалки с низким отпуском, закалки ТВЧ и др., которые значительно повышают эксплуатационные и прочностные свойства деталей (зубчатые колеса, шпиндели, тяжело нагруженные валы, муфты сцепления, прокатные валки, колеса и бандажи для подвижного состава железных дорог, диски сцепления.
Легированные стали. Классификация и маркировка легированных сталей
Классификация по структуре включает классификацию по равновесной структуре и структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).
По равновесной структуре различают стали:
— доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит;
— эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;
— заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды;
— ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. В литомвиде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.
По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенчитный, аустенитный, ферритный.
Стали перлитного класса – низколегированные, имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или тростита, в которой могут присутствовать избыточные феррит или карбиды.
Стали мартенситного класса при охлаждении на воздухе закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне и высокоуглеродистые стали легированные Cr, W, V, Mo и др. элементами стабилизирующими область α-Fe. Стали аустенитного класса содержат повышенное количество Mn или Ni (обычно в сочетании с хромом), поэтому имеют интервал мартенситного превращения ниже 00С и сохраняют аустенит при комнатной температуре.
Стали ферритного класса содержат повышенное количество легирующих элементов, стабилизирующих область α-Fe(Cr, V, W, Mo, Si и др.) при незначительном количестве углерода. Интервал мартенситного превращения сталей ниже 0оС.
Легирующие элементы в конструкционных сталях.
Основными легирующими элементами конструкционных сталей являются хром, никель, кремний, марганец. Остальные легирующие элементы вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и др. вводят в сталь в сочетании с основными элементами для дополнительного улучшения свойств. Легированные стали применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам не отличаются практически от углеродистых. Для достижения высокой прокаливаемости стали легируют как дешевыми элементами – марганцем, хромом, бором, так и более дорогими – никелем, молибденом. Наиболее сильно повышает прокаливаемость введение нескольких элементов: Cr+Ni, Cr+Mo, Cr+Ni+Mo и др.
Хром вводят в количестве до 2%. Он повышает твердость и прочность, увеличивает прокаливаемость.
Никель – наиболее ценный и в то же время дефицитный и дорогостоящий легирующий элемент повышает пластичность и вязкость стали, увеличивает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости. В конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими легирующими элементами в количестве 1-5%.
Марганец вводят до 2%. Он повышает прочность, улучшает прокаливаемость, однако делает сталь чувствительной к перегреву.
Кремний сильно повышает предел текучести, снижает вязкость и пластичность сталей, затрудняет разупрочнение стали при отпуске, повышает прокаливаемость, количество его в конструкционных сталях не превышает 2%.
Молибден и вольфрам (дорогостоящие элементы) уменьшают величину зерна, повышают твердость и прочность сталей, увеличивают прокаливаемость. Количество молибдена 0,2-0,4%, вольфрама 0,8-1,2%. Молибден значительно повышает механические свойства стали после цементации и нитроцементации.
Ванадий и титан – сильные карбидообразующие элементы; добавляют в количестве до 0,3%V и до 0,1%Ti в стали содержащие хром, марганец, никель для измельчения зерна.
Бор вводят в микродозах (0,002-0,005%) для увеличения прокаливаемости. Маркировка легированных сталей. Обозначения марок легированных сталей состоят из сочетания букв и цифр, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначают буквой: Н – никель; Х – хром; Г – марганец; В – вольфрам; М – молибден; Ю – алюминий; С – кремний; Ф – ванадий; К – кобальт; Д – медь; Р – бор; Т – титан; Б – ниобий; А – азот (в середине наименования); Ц – цирконий; П – фосфор.
Число, стоящее в начале марки указывает среднее содержание углерода. Если это число двузначное, то оно соответствует содержанию углерода в сотых долях процента (у всех сталей, кроме инструментальных), если однозначное – в десятых долях процента; если перед маркой нет числа, то это означает, что содержание углерода равно или больше одного процента. Цифры после буквы указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в процентах. Отсутствие цифры указывает, что оно составляет 1-1,5% и менее. Исключение сделано для молибдена и ванадия для которых отсутствие цифры соответствует содержанию их не более 0,3%.
Например, сталь 12ХН3 в среднем содержит 0,12%С, 1%Cr, 3%Ni. Сталь 25Х2М1Ф – 0,25%С, 2%Cr, 1%Мо, 0,3%V.
Сталь 9ХС – 0,9%С, 1%Cr, 1%Si. Сталь Х12Ф1 — >1%C, 12%Cr, 1%V.
В сталях целевого назначения, в которых изменение количества легирующего элемента вызывает значительное изменение свойств, цифра не ставится, если содержание легирующего элемента менее 1%. Например по ГОСТ20072 – 74. Сталь теплоустойчивая, марка 12Х1МФ обозначает сталь содержащую в среднем 0,12%С, 1%Cr, 0,2%V, 0,3%Мо.
Высококачественные стали обозначаются буквой А в конце наименования марки, например 30ХГСА. Особовысококачественные обозначают добавлением через тире буквы Ш, например 18ХГ – Ш, 20ХГНТР – Ш и др. Существуют и другие отклонения от общепринятых маркировок сталей. Обозначение таких марок будет приведено при рассмотрении этих сталей. Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером (например ЭИ415, ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.
Углеродистые конструкции стали
Сталь классифицируется по следующим признакам:
Способу производства (мартеновская, бессемеровская, конверторная, электросталь, тигельная и получаемая прямым восстановлением из обогащенной руды).
Химическому составу (углеродистая – не содержащая специально вводимых легирующих элементов; легированная – содержащая один или несколько элементов, специально введенных в нее для предания определенных свойств).
Назначению (конструкционная, инструментальная, с особыми свойствами).
Структуре (перлитная, аустенитная, ферритная, мартенситная, карбидная).
Качеству – по содержанию S и P: обыкновенного качества (S, P до 0,1%), качественная (S, P 0,035%), высококачественная (S, P 0,025%), особо качественная (S 0,015%, P 0,025%).
Углеродистые конструкционные стали подразделяются на конструкционную, инструментальную, электротехническую, котельную и других специальных назначений. В соответствии с содержанием углерода стали делятся на доэвтектоидные (феррит и перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит и цементит).
Конструкционные – стали обыкновенного качества и качественные, имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, дешевы. Применяется для изготовления металлоконструкций и изделий машиностроения. [2, с. 542]
Стали обыкновенного качества, стали качественные и стали специального назначения:
Стали обыкновенного качества отливают в крупные слитки, вследствие чего в них сильно развита ликвация, нередко они содержат большое количество неметаллических включений. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяются в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые.
В нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В. Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Ст4 — углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%. Для всех сталей, кроме Ст0, справедлива следующая формула:
С(%) 0,07 номер марки.
Так, в стали Ст3 содержание
С(%) 0,07 3 0,021% (фактически 0,14 – 0,22%).
Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода. При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость. Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы –красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04…0,09 %, а серы 0.04..Д07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8…1 % не оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12…0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали, и снижает пластичность.
С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (в) и текучести (0.2) и снижается пластичность (,).
Ст3сп имеет в=380490МПа, 0.2=210250МПа, =2522%.
Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам.
Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 – Ст6, кипящими – Ст1 – Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют. Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства.
Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сваркой. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций.
Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.
Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).
Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали, используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.
Прокат подразделяют на три группы (I — III) и пять категорий (1-5). Группа проката оценивает количество поверхности как способ использования проката. Прокат первой группы используют без обработки поверхности. Второй группы – для изготовления деталей обработкой резанием. Третьей группы – для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением.
Сортамент изделий из проката отличается большим разнообразием, его подразделяют на четыре группы: сорт стали (круглый, квадратный, полосовой, угловой прокат; швеллеры; двутавровые балки), листовая сталь, специальные профили, тубы. Форма, размеры, условия поставки проката регламентируются соответствующими стандартами.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность действий и конструкций определяется жесткостью. На выбор стали, большое влияние оказывают также технологические, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением.
Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки.
В машиностроении углеродистые качественные стали, используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическим свойствами. Содержание S<=0.04%, P<=0.0350.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.
В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-74. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20, …, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7-1,0 %) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г, имеющих повышенную прокаливаемость. Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие – с индексом соответственно «пс» и «кп». Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные – 08пс, 10пс, 15пс, 20псталь
Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств. Инструментальную сталь используют для изготовления режущих, измерительных и других инструментов (зубил, молотков, отверток, ножей, ножниц, сверл, хирургических инструментов и др.).
Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая).
В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I – с нормальным содержанием марганца и II – с повышенным содержание марганца. Марки стали и требования к механическим свойствам стали I группы в состоянии нормализации. В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).
Качественные углеродистые стали подразделяются на следующие категории:
Без испытания на растяжение и ударную вязкость;
С испытанием на растяжение и ударную вязкость на образцах из нормализованных заготовок размером 25 мм (диаметр или сторона);
С испытанием на растяжение на образцах из ненормализованных заготовок размером 100 мм. (диаметр или сторона);
С испытанием на растяжение и ударную вязкость на образцах из термически обработанных заготовок указанного в заказе размера, но не 100 мм;
С испытанием на растяжение на образцах из сталей в нагартованном или термически обработанном состоянии (отожженной или высокотпущенной).
Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп по назначению подразделяю на две группы:
— малопрочные и высокопластичные из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповке различных изделий. Без термической обработке в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и др. деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.
в=330340МПа, 0.2=230280МПа, =3331%.
— цементуемые – стали 15, 20 ,25. предназначены они для сталей небольшого размера (кулачные, толкатели, малонагруженные шестерни и т.д.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностные слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.
Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,…, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (в=500600МПа, 0.2=300360МПа, =2116%). После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости.
Для деталей, работающих на растяжение – сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и как следствие сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается до 12 мм. Для деталей (валы, оси и т.д.) испытывающих главным образом напряжение изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного на закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей – 30 мм.
В высококачественной стали содержится меньше серы, фосфора и других вредных примесей. Она лучше сопротивляется действию ударных нагрузок, имеет большую прочность. Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,…, 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.
Стали специального назначения. Автоматная сталь ( с повышенным содержанием серы и фосфора) – углеродистая сталь специального назначения – маркируют буквой А, после которой следует цифра, показывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента; буква Г – повышенное содержание марганца, Например, А12, А20, А30, А35, А40Г. Так как сера и фосфор придают стали хрупкость, поэтому она идет на изготовление малоответственных деталей, главным образом крепежных (втулки, болты и др.). Использование этих сталей приводит к снижению износа металлорежущего инструмента, образованию ломкой, легкосходящей и легкоудаляемой стружки и как результат – к возможности использования автоматического оборудования, работающего без постоянного обслуживания.

58. Как изменяются строение и механические свойства металлов в процессе пластической деформации? Что такое возврат (отдых) и каково его практическое значение?

Рассмотрим холодную пластическую деформацию поликристалла. Пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла.
Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.
Плоскости скольжения зерен произвольно ориентированны в пространстве, поэтому под влиянием внешних сил напряжения в плоскостях скольжения отдельных зерен будут различны. Деформация начинается в отдельных зернах, в плоскостях скольжения которых возникают максимальные касательные напряжения. Соседние зерна будут разворачиваться и постепенно вовлекаться в процесс деформации. Деформация приводит к изменению формы зерен: зерна получают форму, вытянутую в направлении наиболее интенсивного течения металла (поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации). Изменение структуры при деформации показано на рис. 8.1.
left000
Рис. 8.1. Изменение структуры при деформации: а) до деформации; б) после обжатия на 35%; в) после обжатия на 90%.
 Металл приобретает волокнистое строение. Волокна с вытянутыми вдоль них неметаллическими включениями являются причиной неодинаковости свойств вдоль и поперек волокон. Одновременно с изменением формы зерен в процессе пластической деформации происходит изменение ориентировки в пространстве их кристаллической решетки.
654055651500Когда кристаллические решетки большинства зерен получают одинаковую ориентировку, возникает текстура деформации.
Рис.8.2. Влияние холодной пластической деформации на механические свойства металла
 Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла: наклеп
 Текстура деформации создает кристаллическую анизотропию, при которой наибольшая разница свойств проявляется для направлений, расположенных под углом 45o друг к другу. С увеличением степени деформации характеристики пластичности (относительное удлинение, относительное сужение) и вязкости (ударная вязкость) уменьшаются, а прочностные характеристики (предел упругости, предел текучести, предел прочности) и твердость увеличиваются (рис. 8.2). Также повышается электросопротивление, снижаются сопротивление коррозии, теплопроводность, магнитная проницаемость.
Совокупность явлений, связанных с изменением механических, физических и других свойств металлов в процессе пластической деформации называют деформационным упрочнением или наклепом.
Упрочнение при наклепе объясняется возрастанием на несколько порядков плотности дислокаций:

Их свободное перемещение затрудняется взаимным влиянием, также торможением дислокаций в связи с измельчением блоков и зерен, искажениями решетки металлов, возникновением напряжений.
 Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла: возврат и рекристаллизация
 Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.
При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.
При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние – возврат и рекристаллизация.
Возврат. Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки
-4826026924000Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре
..
Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.
Рис. 8.3. Схема полигонизации: а – хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б – дислокационные стенки после полигонизации.

Полигонизация – процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.
При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 8.3).
В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов — процесс энергетически выгодный.
Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.8.4). Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.8.5 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.
left381000
Рис. 8.4. Влияние нагрева деформированного металла на механические свойств
  При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.
Рекристаллизация – процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.
Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.
1 стадия – первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.
Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.
8477252032000

Рис. 8.5. Изменение структуры деформированного металла при нагреве

2 стадия – собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.
Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.
13335005524500

Рис. 8.6. Влияние предварительной степени деформации металла на величину зерна после рекристаллизации

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления
,
для металлов
для твердых растворов
для металлов высокой чистоты
На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t1 начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.
Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 8.6).
С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.
Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700oС, для латуней и бронз – 560…700oС, для алюминевых сплавов – 350…450oС, для титановых сплавов – 550…750oС.

88. По диаграмме состояний «железо–цементит» опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с

28 Как классифицируют по ГОСТ конструкционные углеродистые стали