Испытание металлов на растяжение

    Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1. графитизирующие элементы: Si, Ni, Сu, Аl (находятся в твердом растворе);
2. карбидообразующие элементы: Fe – Mn - Сг – Mo – W – Nb.

    Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения.

    Структурные классы легированных сталей.

    Легированные стали по структуре в условиях равновесия можно разделить на следующие классы:

• доэвтектоидные стали, содержащие в структуре эвтектоид и избыточный легированный феррит,
• эвтектоидные,
• заэвтектоидные стали содержат в структуре эвтектоид и избыточные (вторичные) карбиды выделяющиеся при охлаждении из аустенита.

    Доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные легированные стали независимо от структуры (дисперсности) эвтектоида или квазиэвтектоида обычно объединяют в один класс – перлитные стали.

    Таким образом, основываясь на фазовом равновесии, легированную сталь подразделяют на классы: перлитный, аустенитный, ферритный, полуаустенитный полуферритный, и ледебуритный.

    Качественная  конструкционная  углеродистая сталь

    Качественная  конструкционная углеродистая сталь  изготавливается согласно ГОСТ 1050.

    Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

    Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок:

 

    Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры - условный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода), кроме того, ГОСТ предусматривает стали с повышенным содержанием марганца (0,8-1,1 %) – Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс.

    В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:

    1) спокойные «сп» (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп, Ст4сп, Ст5сп, Сг6сп);

    2) полуспокойные «ПС» (Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5пс, Ст6пс);

    3) кипящие «кп» (Сткп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп).

    В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15-0,3 % Si и ~0,002 % О₂; в полуспокойных 0,05-0,15 % Si и ~0,01 % 0₂ и в кипящих - не более 0,05 % Si и ~0,02 % О₂. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затвердевания в них содержится повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит.

    Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим условиям.

    Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050 - 74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре:

    По  категории сталь подразделяется на:

• машиностроительную - 08, 10,20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58,60;
• автоматную - А12, А20, А30;
• котельную - 20К.

    В обозначение марки углеродистой стали, цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

    Машиностроительные  конструкционные углеродистые стали  используются для изготовления деталей  машин, конструкций приборов.

    Автоматные  конструкционные углеродистые стали  используются для неответственных  деталей массового производства (мелкий крепеж и др.) изготавливаемых на станках-автоматах.

    Котельные конструкционные углеродистые стали  используются для изготовления котлов и сосудов, работающих под давлением  и при температурах до 4500С.

    Свариваемость углеродистых сталей: Ст08-Ст35 - хорошая, Ст45 - свариваемость затруднена, котельные стали свариваются хорошо, автоматные – не применяются для сварки.

    Режущие инструменты, изготовленные из углеродистых инструментальных сталей У10А, У11А, У12А, У13А, обладают достаточной твердостью, прочностью и износостойкостью при комнатной температуре, однако теплостойкость их невелика. При температуре 200-2500С их твердость резко уменьшается. Поэтому они применяются для изготовления ручных и машинных инструментов, предназначенных для обработки мягких металлов с низкими скоростями резания, таких, как напильники, мелкие сверла, развертки, метчики, плашки и др. Углеродистые инструментальные стали имеют низкую твердость в состоянии поставки, что обеспечивает их хорошую обрабатываемость резанием и давлением. Однако они требуют применения при закалке резких закалочных сред, что усиливает коробление инструментов и опасность образования трещин.

    Инструменты из углеродистых инструментальных сталей плохо шлифуются из-за сильного нагревания, отпуска и потери твердости режущих кромок. Из-за больших деформаций при термической обработке и плохой шлифуемости углеродистые инструментальные стали не используются при изготовлении фасонных инструментов, подлежащих шлифованию по профилю. 

 

     3. Инструментальные  стали и сплавы. Быстрорежущие стали. 

    Инструментальная  сталь должна обладать высокой твердостью, износостойкостью, достаточной прочностью и вязкостью (для инструментов ударного действия).

    Режущие кромки могут нагреваться до температуры 500…900^oС, поэтому важным свойством является теплостойкость, т. е., способность сохранять высокую твердость и режущую способность при продолжительном нагреве (красностойкость).

    Углеродистые  инструментальные стали (ГОСТ 1435).

    Содержат 0,65…1,35% углерода.

    Стали У7…У13А – обладают высокой твердостью, хорошо шлифуются, дешевы и недефицитны.

    Из  сталей марок У7, У8А изготавливают  инструмент для работы по дереву и  инструмент ударного действия, когда  требуется повышенная вязкость –  пуансоны, зубила, штампы, молотки.

    Стали марок У9…У12 обладают более высокой твердостью и износостойкостью – используются для изготовления сверл, метчиков, фрез.

    Сталь У13 обладает максимальной твердостью, используется для изготовления напильников, граверного инструмента.

    Для снижения твердости и создания благоприятной  структуры, все инструментальные стали до изготовления инструмента подвергают отжигу.

    Для заэвтектоидных сталей проводят сфероидизирующий отжиг, в результате которого цементит вторичный приобретает зернистую  форму. Регулируя скорость охлаждения можно получить любой размер зерен.

    Окончательная термическая обработка – закалка  с последующим отпуском.

    Закалку для доэвтектоидных сталей проводят полную, а для заэвтектоидных –  неполную. Структура закаленных сталей или мартенсит, или мартенсит  и карбиды.

    Температура отпуска выбирается в зависимости от твердости, необходимой для инструмента.

    Для инструментов ударного действия, требующих  повышенной вязкости, из сталей У7, У8 отпуск проводят при температуре 280…300^oС, что обеспечивает твердость HRC 56…58.

    Для напильников, метчиков, плашек отпуск проводят при температуре 150…200^oС, при этом обеспечивается получение максимальной твердости — НRC 62…64.

    Основными недостатками углеродистых инструментальных сталей является их невысокая прокаливаемость (5…10 мм), низкая теплостойкость (до 200^oС), то есть инструменты могут работать только при невысоких скоростях резания.

    Легированные  инструментальные стали

    Содержат 0,9…1,4 % углерода. В качестве легирующих элементов содержат хром, вольфрам, ванадий, марганец, кремний и другие. Общее содержание легирующих элементов до 5%.

    Высокая твердость и износостойкость  в основном определяются высоким  содержанием углерода. Легирование  используется для повышения закаливаемости и прокаливаемости, сохранения мелкого  зерна, повыщения прочности и  вязкости.

    Термическая обработка включает закалку и  отпуск.

    Проводят  закалку с температуры 800…850^oС в масло или ступенчатую закалку, что уменьшает возможность коробления и образования закалочных трещин.

    Отпуск  проводят низкотемпературный, при температуре 150…200^oС, что обеспечивает твердость HRC 61…66. Иногда, для увеличения вязкости, температуру отпуска увеличивают до 300^oС, но при этом наблюдается снижение твердости HRC 55…60.

    Для деревообрабатывающего инструмента  из сталей 6ХС и 9ХФ рекомендуется изотермическая закалка, значительно улучшающая вязкость.

    Повышенное  содержание кремния (сталь 9ХС) способствует увеличению прокаливаемости до 40 мм и повышению устойчивости мартенсита при отпуске. Недостатками сталей, содержащих кремний, являются чувствительность их к обезуглероживанию при термообработке, плохая обрабатываемость резанием и деформированием из-за упрочнения феррита кремнием.

    Повышенное  содержание марганца (стали ХВГ, 9ХВСГ) способствует увеличению количества остаточного  аустенита, что уменьшает деформацию инструмента при закалке. Это особенно важно для инструмента, имеющего большую длину при малом диаметре, например, протяжек.

    Хром  увеличивает прокаливаемость и  твердость после закалки.

    Стали используются для изготовления инструмента  и ударного, и режущего.

    “Алмазная ” сталь ХВ5 содержит 5% вольфрама. Благодаря присутствию вольфрама, в термически обработанном состоянии  имеет избыточную мелкодисперсную  карбидную фазу. Твердость составляет HRC 65…67. Cталь используется для изготовления инструмента, сохраняющего длительное время острую режущую кромку и высокую размерную точность (развертки, фасонные резцы, граверный инструмент).

    Быстрорежущие стали

    Стали получили свое название за свойства. В  следствии высокой теплостойкости (550…650^oС), изготовленные из них инструменты могут работать с достаточно высокими скоростями резания.

    Стали содержат 0,7…1,5 % углерода, до 18 % основного  легирующего элемента – вольфрама, до 5 % хрома и молибдена, до 10 % кобальта

    Добавление  ванадия повышает износостойкость  инструмента, но ухудшает щлифуемость. Кобальт повышает теплостойкость до 650^oС и вторичную твердость HRC 67…70.

    Микроструктура  быстрорежущей стали в литом  состоянии имеет эвтектическую  структурную составляющую. Для получения  оптимальных свойств инструментов из быстрорежущей стали необходимо по возможности устранить структурную неоднородность стали – карбидную ликвацию. Для этого слитки из быстрорежущей стали подвергаются интенсивной пластической деформации (ковке). При этом происходит дробление карбидов эвтектики и достигается более однородное распределение карбидов по сечению заготовки.