Какое влияние оказывает углерод на свойства сплавов
По мере повышения концентрации углерода в стали и чугуне изменяются структура и их механические свойства. Прочность горячекатаной стали в нормализованном состоянии с увеличением содержания углерода повышается, а пластичность снижается (рис. 4.4.2). Повышение прочности достигает предельного значения при содержании углерода около 0,9 %. При дальнейшем увеличении количества углерода наблюдается возрастание твердости, но снижение прочности. Это объясняется влиянием хрупкой цементитной сетки, которая окружает зерна перлита и уменьшает прочность связи между ними.
Кроме того, с увеличением содержания углерода снижаются технологические свойства стали, увеличивается усадка, ухудшается жидкотекучесть, ковкость и свариваемость, затрудняется механическая обработка. Поэтому для сварных конструкций используют стали с пониженным содержанием углерода (до 0,3 %), а штамповки изготовляют из стали с содержанием углерода до 0,5 %.
Рис. 4.4.2. Зависимость механических свойств стали от содержания углерода
Следует остановиться на влиянии формы цементита на механические свойства перлита. Частички цементита в перлите могут быть не только в виде пластинок, но и в виде округлых зерен.
Изменение формы цементита существенно изменяет механические свойства стали и прежде всего пластичность. У стали со структурой зернистого перлита предел прочности и твердости ниже на 15−20 %, чем у стали со структурой пластинчатого перлита, а относительное удлинение выше в 2−4 раза. Например, сталь с содержанием 0,8 % С со структурой пластинчатого перлита имеет предел прочности σВ = 800 МПа, относительное удлинение δ = 14 %, а со структурой зернистого перлита σВ = 590 МПа,
δ =29 %. Повышенная пластичность зернистого перлита объясняется тем, что глобулярные частицы цементита оказывают меньшее сопротивление развитию пластической деформации по сравнению с пластинчатыми. Энергия, необходимая для разрушения металла при динамической нагрузке, в этом случае увеличивается, ударная вязкость возрастает.
Увеличение концентрации углерода у белых чугунов повышает их твердость от HRC 35 при 2,2 % С до HRC 48 при 4,3 % С и соответственно хрупкость. Динамическая прочность белых чугунов близка к нулю. С увеличением углерода в серых чугунах увеличивается количество и размер графитных включений, что также снижает прочность.
Углерод оказывает влияние и на свойства серых чугунов. Увеличение содержания углерода ведет к увеличению количества графитовых включению и снижению механических свойств, но значительно улучшают литейные свойства.
Также значительно влияние размеров и формы графитных включений на механические свойства у серых чугунов (рис. 4.4.3). Измельчая графитные включения, повышают в 2−3 раза предел прочности чугуна. У чугунов, имеющих крупные, пересекающиеся графитные включения, предел прочности при растяжении уменьшается до 120 МПа. Наиболее высокую прочность имеют высокопрочные чугуны с шаровидным графитом. Наибольшее относительное удлинение при достаточно высокой прочности (370 МПа) имеют ковкие ферритные чугуны (δ до 12 %).
Рис. 4.4.3. Зависимость механических свойств чугуна от формы и размеров графитовых включений (СЧ 12 – с грубопластинчатым графитом, СЧ 32 – с мелким завихрённым графитом)
Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.
Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.
С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 19).
При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.
Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.
Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.
По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.
Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства. Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.
Обозначение марок — буквенно-цифровое.
Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.
Группа — А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.
Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.
Сплавы группы — В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.
Степень раскисленности, обозначают буквами кп — кипящие, пс — полуспокойные и сп — спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 — Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.
При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.
В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.
Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности — буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.
Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой — У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента — 0,7 — 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву — А. например У7А, У13А, У10А.
По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:
1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит;
2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис.20.а);
3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.20, б, в);
4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.20, г).
Рис.20 Микроструктуры сталей:
а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).
Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.
Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е. по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 — 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.
Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки
В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт — К, титан – Т, марганец — Г, медь — Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий — Б, цирконий — Ц, азот — А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.
Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.
У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17AГI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква — А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.
Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.
Промышленные стали и чугуны — это многокомпонентные сплавы, в состав которых помимо железа и углерода входят так называемые постоянные примеси. Постоянными примесями являются марганец, кремний, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства, фосфор и сера, а также газы — кислород, азот, водород, которые невозможно полностью удалить из металла. Содержание углерода и примесей оказывает влияние на свойства железоуглеродистых сплавов.
Углерод оказывает большое влияние на механические свойства сталей. Чем выше содержание углерода в стали, тем больше в ее структуре содержится цементита. Так как цементит обладает высокой твердостью и хрупкостью, увеличение его количества приводит к повышению прочности и твердости стали, к уменьшению ее пластичности и вязкости. С увеличением содержания углерода в стали снижаются плотность, электропроводность, теплопроводность, магнитная проницаемость, растет электросопротивление.
Кремний и марганец считают полезными примесями. При выплавке стали их добавляют для раскисления. Соединяясь с кислородом закиси железа FeO, они в виде окислов переходят в шлак. В результате раскисления свойства стали улучшаются.
Кремний, оставшийся в стали после раскисления, повышает предел текучести, что снижает ее способность к холодной обработке давлением. Поэтому в сталях для штамповки содержание кремния должно быть снижено.
Марганец заметно повышает прочность стали, не снижая ее пластичности, резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость), удаляя серу из расплава.
Фосфор и сера являются вредными примесями. Фосфор уменьшает пластичность и вязкость стали, увеличивает ее склонность к образованию трещин при низких температурах (хладноломкость). Сера снижает ударную вязкость, пластичность, предел выносливости, свариваемость и коррозионную стойкость сталей. Сера вызывает охрупчивание стали при высоких температурах. Содержание серы и фосфора в стали строго ограничивается.
Кислород, азот, водород отрицательно влияют на свойства сталей.
В машиностроительных чугунах углерод присутствует в виде графита. Графит обладает очень низкими механическими свойствами. Поэтому чем больше графита присутствует в структуре чугуна и чем грубее его включения, тем хуже свойства чугуна. Но он способствует повышению обрабатываемости чугунов резанием, придает им антифрикционные свойства при трении и гасит влияние вибраций и ударов.
Кремний существенно влияет на структуру чугуна, усиливая его графитизацию. Марганец повышает механические свойства чугуна и препятствует их графитизации. Фосфор повышает износостойкость, но охрупчивает чугуны. Сера свойства чугуна ухудшает.
Элементы, специально вводимые в сплав с целью изменения его строения и свойств, называют легирующими, а данный сплав — легированным.
Легирующие элементы оказывают влияние на полиморфные превращения железа. При введении в сталь никеля и марганца выше определенного содержания область существования у-фазы расширяется от комнатной температуры до температуры плавления. Такие сплавы называют аустенитными. Другие элементы, например, хром, ванадий, молибден, кремний и др., делают феррит устойчивым до температуры плавления. Такие сплавы называют ферритными.
Влияние легирующих элементов на свойства сталей проявляется в изменении свойств феррита, аустенита, характера включений карбидной фазы, размера зерна и т.д.
Влияние легирующих элементов на свойства чугунов проявляется в процессе графитизации. Путем легирования изменяются размеры и форма графитовых включений. Наиболее часто чугуны легируют хромом, никелем, медью, титаном для придания им специальных свойств.
Содержание углерода и легирующих элементов определяет свойства углеродистых сталей. Состав сплава содержит железо, углерод, магний, кремний, марганец, серу и фосфор. Количество одного компонента по отношению к общей массе определяет вязкость, пластичность, прочность и твердость металла. Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, способу изготовления, назначению и степени раскисления. Металлопрокат производят из разных марок стали. Компания «Стальмет» продает металлопродукцию из углеродистых сталей, соответствующих ГОСТу 380-2005 и 1050-2005.
Состав стали с углеродом
Технология производства не полностью удаляет примеси из стали. Они занимают малую процентную долю, но присутствуют во всех углеродистых сталях. Содержание углерода разделяет сталь на углеродистую и легированную. Углерод добавляют намеренно, чтобы изменить технические характеристики и механические свойства сталей. Наличие примесей зависит от выбранной плавки сталей. Процентное содержание разных элементов в составе стали:
- железо — до 99 %;
- углерод — до 2,14 %;
- кремний — до 1 %;
- марганец — до 1 %;
- фосфор — до 0,6 %;
- сера — до 0,5 %.
Сталь содержит незначительное количество водорода, кислорода и азота.
Какие свойства у стали с разным содержанием углерода?
Механические свойства стали зависят от количества углерода. Увеличение или снижение содержания углерода, даже в сотых долях процента, предопределяет сферу применения металла. Структура углеродистой стали меняется от содержания цементита и феррита. Когда в сталь добавляют больше углерода, сплав становится твердым, прочным и упругим. Когда уменьшают, улучшают ее пластичность и сопротивление удару.
В зависимости от того, сколько углерода в составе сплава, различают несколько видов стали:
- Низкоуглеродистые содержат меньше 0,25 % углерода. Пластичные, но легко деформируемые. Обрабатываются в холодном состоянии и под действием высокой температуры.
- Среднеуглеродистые — 0,3-0,6 %. Пластичные, текучие и среднепрочные. Из них изготавливают детали и конструкции, которые будут использовать в нормальных условиях.
- Высокоуглеродистые — 0,6-2 %. Износостойкие, прочные и дорогие углеродистые стали с низкой вязкостью. Плохо поддаются сварке без предварительного разогрева обрабатываемой зоны до +225оС.
Низкоуглеродистые и среднеуглеродистые стали обрабатывать и варить проще, чем высокоуглеродистые.
Виды углеродистой стали по степени раскисления
У углеродистой стали разная степень раскисления. Бывают спокойные, кипящие и полуспокойные сплавы. Названия связаны с содержанием вредных примесей — оксидом железа. Чем меньше кислорода в сплаве, тем стабильнее и долговечнее стали. После разливки сталь выделяет газы и затвердевает.
В спокойных сталях кислород удален почти полностью, поэтому у них однородная структура и равномерное распределение состава. Полуспокойные чаще содержат 0,15-0,3 % углерода. Таким сталям свойственна неравномерная структура из-за частичного раскисления сплава. Больше всего кислорода у кипящих сталей. Такое раскисление приводит к разному химическому составу. В кипящих сталях много примесей: углерода, азота, серы и фосфора.
Чем отличаются инструментальные и конструкционные стали?
Сфера применения и способ изготовления — главные отличия сталей. Конструкционные углеродистые стали выплавляют в конвертерах и мартеновских печах. Они бывают высокого и обыкновенного качества. Их разделяют на группы А, Б и В. Маркируют соответственно буквами и цифрами. В обозначении буква говорит о группе стали, а цифры указывают на содержание углерода, увеличенное в 100 раз. Чем больше значение, тем прочнее сталь. Стали обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца маркируются буквой «Г».
Сталь группы А поставляют по механическим свойствам, группы Б — по химическому составу, группы В — по механическим свойствам и химическому составу. Это означает, что сталь группы А обладает заявленными свойствами, а сталь группы Б отвечает нормативной документации.
Углеродистую инструментальную сталь выплавляют в мартеновской или электрической печи. Она бывает спокойной, полуспокойной и кипящей. Ее разделяют на качественную и высококачественную сталь. Доля примесей в качественной инструментальной стали регламентирована: серы должно быть не более 0,4 %, фосфора — не больше 0,6 %. Цифра в маркировке говорит о содержании углерода в сотых долях. Также она обозначает условный номер марки материала.
Сферы применения углеродистых сталей
Углеродистые стали обыкновенного качества используют для изготовления двутавра, уголка, швеллера, прута, листа и другого проката. В производстве инструментов и деталей для разных областей машиностроения применяют углеродистую сталь высокого качества.