5. Стали и чугуны. Классификация

Сталь – основной металлический материал, применяемый для изготовления всех видов конструкций в различных областях техники.
Сочетают высокую жёсткость с достаточной статической и циклической прочностью.
Параметры меняются за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки.

Классификация
Углеродистые стали составляют 85% производства
Легированные – 15%

По химическому составу
По назначению
По качеству
По степени раскисления
Классификация углеродистых сталей

Классификация стали
1. По химическому составу
Углеродистые
малоуглеродистые, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
среднеуглеродистые, содержание углерода составляет 0,25-0,60%
высокоуглеродистые, в которых концентрация углерода превышает 0,60%
Легированные стали
низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%
среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;
высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

2. По назначению стали делятся на
конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий (цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные)
инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.
с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.
с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

3. По качеству стали подразделяются в зависимости от содержания в них вредных примесей (серы и фосфора)
Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора.
Качественные - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно.
Высококачественные - до 0.025% серы и фосфора.
Особовысококачественные, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.
Качество стали также зависит от содержания газов – кислорода, водорода, азота

4. По степени раскисления, т.е. по степени удаления кислорода из стали и характеру затвердевания
спокойные стали, т. е. полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются) – раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (FeMn, FeSi, Al или Ti )
кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп«, раскисляют марганцем (FеMn);
полуспокойные стали, (FеMn и Al) занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
Спокойные (сп)
Полуспокойные (пс)
Кипящие (кп)
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации

Степень раскисления
спокойные стали, обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);
кипящие стали - маркируются буквами "кп";
полуспокойные стали обозначаются буквами "пс".
Строение стальных слитков различных способов раскисления

Содержание железа в стали в зависимости от производства составляет 97,0 – 99,5%
В стали присутствуют:
Углерод – до 2,14%
Постоянные примеси – кремний (до 0,8%), марганец (до 0,37%), сера (0,06%), фосфор (0,07%)
Скрытые примеси – газы (азот, кислород, водород)
Специальные примеси (легирующие элементы, которые вводят для изменения свойств стали в заданном направлении)
Случайные примеси (хром, медь)
Влияние постоянных примесей на углеродистые стали

Низкоуглеродистые стали мягкие, пластичные, хорошо деформируемые
Среденуглеродистые прочны при небольшой пластичности и вязкости – конструкционные материалы для силовых нагрузок
Высокоуглеродистые – штампово-инструментальное производство
Влияние углерода на сталь

Увеличение количества углерода приводит к изменению структуры металла: росту зерен цементита и уменьшению феррита
Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.
Уменьшение пластичности
Увеличение твердости
Повышение прочности
Повышение порога хладоломкости
Снижение ударной вязкости
Повышение электросопротивления
Повышение коэрцитивной силы
Снижается магнитная проницаемость
Ухудшаются литейные свойства (используются стали с содержанием С до 0,4%), свариваемость, обработка давлением и резанием.
Влияние углерода на свойства стали

Влияние углерода на свойства стали
σ – предел прочности
ψ – относительное сужение после разрыва
δ - относительное удлинение после разрыва
НВ – твердость
KCU – хладоломкость

Марганец в виде оксида MnO2 (пиролюзит) увеличивают продольную упругость(модуль Юнга) повышает прочность, не снижая пластичности, снижает красноломкость
Кремний в виде SiO2 дегазирует металл и повышает плотность слитка, увеличивает прочность, но снижает пластичность, увеличивает предел текучести
Содержатся в количестве 0,3-0,8% Mn, 0,17-0,37% Si
Влияние примесей
Технологические примеси – марганец и кремний

Фосфор – охрупичивает сталь, вызывает хладоломкость
Сера - уменьшает пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость, придает красноломкость ( ухудшается обработка стали в горячем состоянии)
Красноломкость – повышение хрупкости при высоких температурах за счет образования сульфида серы FeS с низкой температурой плавления 988 С
Влияние примесей
Вредные примеси – фосфор и сера

Влияние примесей

Кислород снижает прочность и пластичность
Азот – понижает предел выносливости и вязкости
Водород – образует флокены (микроскопические трещины)
Флокены – тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид хлопьев серебристого цвета
Влияние примесей
Скрытые примеси

Маркировка стали
1.Стали обыкновенного качества
обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер.
Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали.
Перед маркой указывают группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали не ставится.
Для указания категории стали к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают.

Стали обыкновенного
качества
Данные стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше S и Р, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация. Содержание S до 0,05%; Р до 0,04%.

Группы стали
сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора), предназначена для изготовления изделий без горячей обработки;
сталь группы Б - по химическому составу для ковки, сварка, термическая обработка, механические свойства не сохраняются;
сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом для производства ответственных сварных конструкций.

Например:
Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);
ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);
ВСт0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).

2.Качественные стали
В начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;
а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;
05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С;
60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С;
б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У":
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);
У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;

2. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:
А – азот К – кобальт Т – титан Б – ниобий
М – молибден Ф- ванадий В – вольфрам Н – никель
Х – хром Г – марганец П – фосфор Ц – цирконий
Д – медь Р – бор Ю – алюминий Е – селен
С – кремний Ч – редкоземельные металлы
Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).

Примеры:
14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,14% углерода и до 2,0% марганца.
03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.

Высококачественные и особовысококачественные стали
Маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву "Ш".
Например:
У8А - углеродистая инструментальная высококачественная сталь, содержащая 0,8% углерода;
30ХГС-Ш – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.
Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:
ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;
ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.
Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама:
Р18-быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама;
Р6М5К5-быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобальта.

Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента:
А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора);
А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.
Предназначены для обработки резанием

Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода >2,14 % и примесями в десятых долях процентов.
В чугуне содержатся примеси в десятых долях : кремний, марганец, сера, фосфор и др.
С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.
Обладают пониженной температурой плавления и хорошими литейными свойствами.
Широко применяются в машиностроении
Чугуны

Графитизация
Графитизация – образование графита из жидкой фазы происходит при медленном охлаждении и при разложении цементита.
Структура чугунов зависит от степени графитизации.
Чем выше содержание углерода, тем больше графита и ниже механические свойства.
Углерода не должно быть больше , чем 3,8%

Графитовые включения можно рассматривать как соответствующей формы пустоты в структуре чугуна. Около таких дефектов при нагружении концентрируются напряжения, значение которых тем больше, чем острее дефект. Отсюда следует, что графитовые включения пластинчатой формы в максимальной мере разупрочняют металл.
Более благоприятна хлопьевидная форма, а оптимальной является шаровидная форма графита.
Пластичность зависит от формы таким же образом. Относительное удлинение ( ) для серых чугунов составляет 0,5 %, для ковких – до 10 %, для высокопрочных – до 15%.
Наличие графита наиболее резко снижает сопротивление при жестких способах нагружения: удар; разрыв.
Сопротивление сжатию снижается мало.
Влияние графита на механические свойства отливок.

графит улучшает обрабатываемость резанием, так как образуется ломкая стружка;
чугун имеет лучшие антифрикционные свойства, по сравнению со сталью, так как наличие графита обеспечивает дополнительную смазку поверхностей трения;
из-за микропустот, заполненных графитом, чугун хорошо гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость;
детали из чугуна не чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточки, отверстия, переходы в сечениях);
чугун значительно дешевле стали;
производство изделий из чугуна литьем дешевле изготовления изделий из стальных заготовок обработкой резанием, а также литьем и обработкой давлением с последующей механической обработкой.
Положительные стороны наличия графита

Виды чугуна

Классификация чугунов
Белые чугуны
углерод связан в цементит
2. Серые чугуны
углерод находится в виде графита
Серые чугуны подразделяются:
По форме включений графита
1. серые
2. ковкие
3. высокопрочные
По структуре металлургической основы
1. перлитные (С=0,8%)
2.феррито-перлитные (С<0,8%)
3.ферритные (С>0,8%)
Где С – содержание связанного углерода. Остальной углерод находится в свободном состоянии в виде пластин или хлопьев

Белые чугуны
Белыми называют чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C .
В зависимости от содержания углерода подразделяют на
эвтектические (С=4,3%);
доэвтектические (С=2,14 – 4,3%);
заэвтектические (С=4,3-6,67%)

Микроструктура белых чугунов

Белый чугун
Цементит придает излому чугуна блеск, а графит - серый цвет. Поэтому чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии, получил название белого чугуна.
Большая твердость из-за цементита и хрупкие. Для изготовления деталей машин не используются.
Белый чугун используется для получения ковкого чугуна с помощью графитизирующего отжига.
Стоек к истиранию, используется для валков прокатных станов, колес, шаров для мельниц, тормозных колодок.
Маркировка БЧ30

Серые чугуны
Серыми называют чугуны, в которых большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы. Излом такого чугуна из-за наличия графита имеет серый цвет.
Серый чугун это сплав железа, кремния (от 1,2- 3,5 %) и углерода, содержащий также постоянные примеси Mn, P, S.
Являются одним из основных машиностроительных материалов.
Имеют хорошую демпфирующую (звуко- и вибропоглощающую) способность, высокие антифрикционные свойства.

По виду металлической основы различают:
ферритный чугун со структурой «феррит+графит» и количеством связанного углерода менее 0,025% (рис. 2а);
ферритно-перлитный чугун со структурой «феррит+перлит+графит» и количеством связанного углерода от о,о25 до 0,8% (рис.2б);
перлитный чугун со структурой «перлит+графит» и количеством связанного углерода 0,8% (рис.2в).

Серый чугун
Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Механические свойства серых чугунов

Ковкий чугун
Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму.
По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают
ферритными,
Феррито-перлитными
перлитными.

Ковкий чугун
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. Ковкий чугун имеет повышенную пластичность и вязкость.
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару. Из ковкого чугуна изготовляют детали сложной формы: картеры заднего моста автомобилей, тормозные колодки, тройники, угольники и т. д.

Механические свойства ковких чугунов

Высокопрочный чугун
Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают путём модифицирования магнием.
По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть:
ферритным;
ферритно-перлитным;
перлитным.

Высокопрочный чугун имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации. Шаровидный графит ослабляет металлическую основу не так сильно как пластинчатый, и не является концентратором напряжений.
Высокопрочный чугун,

Вермикулярный графит (лат. vermiculus — червячок) — микроструктурная составляющая чугуна, носящего название чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ). Червеобразная форма вермикулярного графита определяется обработкой жидкого чугуна активными модификаторами Mg, Ca, Ce и других, и условиями кристаллизации.
Чугун с вермикулярным графитом
Маркировка: ЧВГ 45 (450 МПа) включает в себя цифровое обозначение минимального значения временному сопротивлению разрыву при растяжении, в МПа*10-1