Маркировка сталей

В основу принципов маркировки сталей положена их классификация по качеству.

Стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрой, указывающей порядковый номер стали: Ст.0, Ст.1, Ст.2, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6. Чем больше номер, тем выше содержание углерода, концентрация которого увеличивается от 0,06 до 0,43%, больше предел прочности (s_в) и предел текучести (s _Т), тогда как пластичность (относительное удлинение δ %) понижается. Стали обыкновенного качества обычно используются для изготовления деталей строительных конструкций: сварных, клепаных и болтовых конструкций строительного назначения (балок, ферм и т.п.). Эти изделия как правило не подвергаются термической обработке и поэтому марки не отражают содержание углерода в их сталях; режимы термической обработки стальных изделий устанавливают прежде всего в зависимости от концентрации углерода в сталях. Стали обыкновенного качества часто называют строительными сталями..

Качественные стали являются машиностроительными сталями, они применяются для изготовления деталей машин (конструкционные стали) и инструментов (инструментальные стали). Для обеспечения требуемых свойств их подвергают термической обработке. Поэтому эти стали поставляются с гарантированным химическим составом, который указывается в обозначении марки.

Марки конструкционных углеродистых сталей обозначаются числами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. В машиностроении используются следующие марки сталей: 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70. Стандартом для каждой марки стали установлены пределы содержания углерода; например, сталь 20 (0,18…0,22% С), сталь 25 (0,23…0,27% С), сталь 40 (0,37…0,42% С) и т.п. Числа, обозначающие марку стали, получают округлением концентрации углерода до ближайшего числа, кратного пяти.

Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У и числами, показывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Для режущих инструментов применяются следующие стали: У7 (~0,7% С), У8 (~0,8% С), У9 (~0,9% С), У10 (~1,0% С), У11 (~1,1% С), У12 (~1,2% С). Некоторые марки этих сталей применяются также для изготовления вырубных и других штампов холодного деформирования и измерительных инструментов.

Высококачественные стали, также являющиеся машиностроительными, обозначают буквой А, которая ставится в конце обозначения марки сталей. Например, У8А, У10А, У12А.

Чугуны

Чугуны подразделяются на:

¾ белые (получили название по виду – цвету излома), в которых весь углерод находится в связанном состоянии с железом – в цементите (Fe₃C);

¾ с графитом, в структуре этих чугунов имеется свободный углерод в виде графита.

Белые чугуны. Фазовые превращения при первичной кристаллизации и в твердом состоянии протекают согласно диаграмме состояния «Fe–C». Таким образом их структура описывается этой диаграммой.

По структурному признаку эти чугуны делятся на:

¾ доэвтектические, содержание углерода менее 4,3%;

¾ эвтектические, содержание углерода 4,3%, структура – ледебурит перлитовый (Лп);

¾ заэвтектические, содержание углерода более 4,3%.

Структура белого доэвтектического чугуна (см. рис.5.3а) – ледебурит перлитовый, перлит и цементит вторичный (Лп+П+Ц_II). Ледебурит образуется из жидкости при температуре 1147°C – линия ECF. Это ледебурит аустенитовый (Л_А) – смесь аустенита и цементита. При охлаждении до 727°C из аустенита, в том числе и входящего в состав ледебурита, выделяется цементит вторичный. Пластины вторичного цементита выделяются как по границам зерен аустенита, так и в их объеме. При температуре 727°С (линия PSK) происходит эвтектоидное превращение: аустенит превращается в перлит, и ледебурит аустенитовый становится ледебуритом перлитовым (Л_А Лп). При этом пластины цементита вторичного присутствуют внутри и по границам зерен перлита.

Структура белого эвтектического чугуна (см. рис.5.3б) – ледебурит перлитовый (Лп). Цементит вторичный структурно не выявляется.

Структура белого заэвтектического чугуна (см. рис.5.3в) – ледебурит перлитовый и цементит первичный (Лп+Ц_I). Цементит первичный выделяется из жидкости при охлаждении сплава вследствие уменьшения растворимости в ней углерода по линии CD диаграммы состояния «Fe–C». Отличие в структуре заэвтектических чугунов – наличие Ц_I (в поле зрения микроскопа плохо травящийся цементит выглядит светлым). Кристаллы Ц_I крупные, т.к. они выделяются в широком интервале повышенных температур из жидкой фазы, в которой процессы роста протекают особенно интенсивно.

Чугуны с графитом. Микроструктура этих чугунов состоит из металлической основы и графитовых включений. В зависимости от формы включений чугуны с графитом подразделяются на (см. рис.5.4):

¾ серые – пластинчатая форма графита;

¾
ковкие – хлопьевидная форма графита;

¾ высокопрочные – шаровидная форма графита.

Графит- мягкая и хрупкая фаза, включения которой можно рассматривать как дефекты строения - пустоты, трещины. Известно, что чем длинней и острей трещина, тем больше концентрация приложенных напряжений на её концах.

Пластинчатый графит серых чугунов играет роль трещин, надрезов, т.е. является концентратором напряжений. Под действием напряжений на концах пластинчатых графитовых включений образуются очаги разрушения. Серые чугуны обладают наименьшей прочностью.

Шаровидные включения графита – это наименее резкие концентраторы напряжений, чугуны с таким графитом имеют максимальную прочность – это высокопрочные чугуны.

Ковкие чугуны с хлопьевидным графитом превосходят по прочности серые, но уступают высокопрочным, поскольку форма включений графита не такая «острая» как в серых чугунах, но и не столь округлая, как в высокопрочных.

Графит в структуре чугунов образуется в результате графитизации – диффузионного процесса распада цементита на твердый раствор углерода в железе и свободный углерод в виде графита. Реакция графитизации происходит при длительных выдержках и тем полнее, чем больше температура и продолжительность выдержки (отжига чугуна).

Серые и высокопрочные чугуны получают непосредственно в процессе отливки. Шаровидная форма графита высокопрочных чугунов является результатом модифицирования их магнием (Mg) или церием (Ce), которые вводят в жидкий чугун. Ковкий чугун получают отжигом отливок из белого чугуна.

Структура металлической основы (см. рис.5.4) так же, как и форма графита, определяет механические свойства чугунов. При прочих равных условиях максимальной прочностью обладают чугуны на перлитной основе, минимальной – на ферритовой. Прочность чугунов с ферритно-перлитной основой имеет промежуточные значения (напомним, что перлит обладает большей твердостью, чем феррит – 180HB и 80НВ, соответственно).

Таким образом, максимальный предел прочности – у высокопрочных чугунов на перлитовой основе; минимальный – у серых на ферритовой основе.

Структура металлической основы чугунов зависит от массы отливки и химического состава чугуна. Массивные, крупногабаритные отливки охлаждаются медленно, при этом процесс графитизации проходит полностью (распадается весь цементит), в результате чего формируется ферритная металлическая основа (см. рис.5.4а и 5.4г).

Зависимость структуры металлической основы от массы отливки исключает возможность получения крупногабаритных деталей из ковкого чугуна.

В отливках массой более 10…15 кг, которые охлаждаются после разливки жидкого чугуна в литейные формы, реакцию графитизации подавить не удается, т.к. скорость охлаждения этих отливок достаточно мала. По этой причине из ковкого чугуна, который получается отжигом белого, возможно получить только небольшие отливки.

Полноту протекания реакции графитизации регулируют, изменяя химический состав чугунов. Введение кремния (Si) – графитизатора – ускоряет графитизацию, а марганца (Mn) – подавляет.