Лекція № 24: Вплив вуглецю та домішок на властивості сталі. Конструкційні і інструментальні вуглецеві сталі

Сталь, як один з головних конструкційних матеріалів сучасності не є двокомпонентним залізовуглецевим сплавом. Крім цих двох основних елементів сталі містять багато різних домішок, які можна поділити на постійні, випадкові та спеціальні. Всі ці елементи впливають на властивості сталі.

Вуглець — це найважливіший елемент, який обумовлює структуру й властивості сталі, її поведінку при виробництві і експлуатації. Структура сталі після охолодження складається з фериту й цементиту. Чим більше буде в сталі вуглецю, тим більше буде цементиту, дуже твердої фази. Завдяки цьому твердість і міцність сталі підвищуються. Поряд з цим відносне видовження й звуження, а також ударна в'язкість зменшуються. Але в той же час, якщо простежити характер зміни границі міцності, можна побачити, що при концен­трації більшій ніж 0,9 % С границя міцності починає знижуватися.

Це пояснюється особливостями структури заевтектоїдних сталей, де по межах зерен утворюється вторинний цементит у вигляді сітки, яка з підвищенням концентрації вуглецю стає безперервною. При випробуванні на розтяг цементит, як крихка фаза, полегшує руйнування.

Постійні домішки. До домішок, що завжди присутні в сталі, відносять марганець, кремній, сірку й фосфор, кисень, водень і азот. Концентрація цих елементів як домішок, пов'язана з існуючою технологією виробництва сталі і не повинна перевищувати відповідно: 0,8 % Мn, 0,37 % Si, 0,06 % S й 0,07 % Р.

Марганець є корисною домішкою в сталі, яку вводять у процесі розкис­лення. Він має більшу спорідненість з киснем, ніж залізо, й сприяє усуненню шкідливих домішок закису заліза за реакцією: FeO + Мn = МnО + Fe. Марганець при виплавці утворює сульфіди MnS. Значна кількість сульфідів марганцю спливає разом зі шлаком. Марганець підвищує міцність, пружність і прогартовуваність.

Кремній також позитивно впливає на властивості сталі в переважній більшості випадків, бо значно підвищує її пружність і міцність. Як правило, кількість цієї домішки становить 0,35—0,37 %. Але в сталях, призначених для глибокого штампування, концентрацію кремнію встановлюють на рівні 0,17 %, а інколи навіть 0,07 % через його негативний вплив на пластичність сталі.

Сірка є шкідливою до мішкою в сталі, куди вона потрапляє з руди або палива. Із залізом сірка утворює хімічну сполуку — сульфід заліза FeS, який практично не розчиняється в залізі у твердому стані. Діаграма фазової рівноваги Fe—FeS свідчить про утворення евтектики Fe + FeS з температурою плавлення 988 °С, тобто дуже низькою для за­лізовуглецевих сплавів. Ця евтектика присутня в структурі сталі навіть при надзвичайно малій наявності сірки, і роз­міщується по межах зерен. Під час гарячого пластичного деформування з температурою процесу 1000—1200 °С евтектика розплавляється, через що в місцях її розташування виникають надриви або тріщини. Це явище називається явищем червоноламкості.

Крім того, сірчані сполуки значно знижують механічні властивості сталі, особливо ударну в'язкість, пластичність, а також погіршують зварюваність й корозійну стійкість. Тому кількість сірки в сталі обмежують. Найбільшу кількість до 0,05 % S мають сталі звичайної якості, в якісних сталях вона становить до 0,04 %, у високоякісних — до 0,025 %, а в особливо високо якісних — до 0,015 %. Але в деяких випадках сірка може бути й корисним елементом, тому що вона полегшує обробку сталі різанням. Такі сталі називають автоматними, їх оброблюють на верстатах-автоматах, а кількість S підвищують до 0,15—0,25 %. Поряд з сіркою збільшують й кількість марганцю, через що сірчасті сполуки, головним чином MnS, розміщуються не по межах зерен, а всередині і тому менш негативно впливають на пластичність сталі.

Фосфор — шкідлива домішка. Він розчиняється в фериті й аустеніті і значно викривлює кристалічну решітку заліза. В'язкість падає — сталь стає холодноламкою. Негативний вплив фосфору посилюється внаслідок схильності до ліквації. Найбільша його кількість допускається в сталях звичайної якості — 0,04 % Р, в якісних сталях — 0,035 % Р, а в високоякісних — 0,025 % Р.

Газові домішки азоту, кисню й водню іноді називають прихованими через невелику їх наявність в сталі: 0,002—0,008 % О, 0,002—0,007 % N, 0,0001 — 0,0007 % Н. Вони можуть знаходитися в сталі у вигляді:

-- крихких неметалевих включень (оксиди FeO, Аl2 O3, нітриди Fe4 N);)

-- твердого розчину;

-- у вільному вигляді в дефектних ділянках металу (тріщинах, раковинах та ін.).

Ці домішки розміщуються, головним чином, по межах зерен, що знижує опір крихкому руйнуванню. Крім того, неметалеві включення — це концентратори напружень. Наявність водню призводить до виникнення флокенів — невеликих тріщин овальної форми, які значно погіршують всі властивості сталі.

Сучасним ефективним засобом зменшення кількості цих домішок в сталі є вакуумування.

Випадковою домішкою в сталі може бути будь-який елемент, що потрапляє в шихту разом з металевим брухтом або чавуном під час виплавки сталі. Такі домішки звичайно присутні у невеликих кількостях, тому не мають значного впливу на властивості сталі.

Спеціальні домішки — це елементи, які додають в сталь спеціально з метою зміни її властивостей в заданому напрямку, тому їх ще називають легуючими елементами, а сталі, що їх містять — легованими сталями. Найчастіше як легуючі елементи використовують Ni, Cr, Ті, Mn, Mo, W, Al та інші.

Вуглецеві сталі звичайної якості позначають літерами Ст і цифрами від 0 до 6 (умовний номер марки сталі). Більше число відповідає більшому вмісту вуглецю, підвищенню міцності й зниженню пластичності. Індекси праворуч від номера марки вказують на ступінь розкислення сталі: КП — кипляча, ПС — напівспокійна, СП — спокійна сталь (Ст1кп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст4пс, Ст6сп та інші). Між індексом і номером марки іноді може стояти літера Г, яка вказує на підвищений вміст марганцю (до 1 %).

Залежно від призначення і гарантованих властивостей сталі пос­тачають у вигляді прокату трьох груп: А, Б і В.

У сталях групи А не регламентують хімічний склад, але гарантуються механічні властивості. За вимогами до нормуючих показників (хімічний склад і механічні властивості) сталі звичайної якості поділяють на три категорії і позначують відповідною цифрою після індексу розкислення. Так, Ст5Гпс3 означає: сталь групи А, марка Ст5 з підвищеним вмістом Мn, напівспокійна, третьої кате­горії. Якщо не вказується ступінь розкислення, то категорію позна­чають за номером марки через тире (Ст4— 3). Для сталі першої категорії (Ст4пс) її номер не вказується.

Сталі групи Б постачають з гарантованим хімічним складом, механічні властивості не гарантовані. Застосовують їх для виробів, які піддають термічній обробці і гарячій обробці тиском (штампування, ковка). Позначають на початку марки літерою Б, наприклад БСт0, БСт1кп, БСт6сп.

Сталі групи В постачають за механічними властивостями, що відповідають нормам групи А, і за хімічним складом, що відповідає нормам сталей групи Б. Позначають так: ВСт1кп, ВСт2сп, ВСт4пс, ВСт5сп тощо. Сталі групи В використовують переважно для зварювальних конструкцій.

Сталі вуглецеві якісні відрізняються від сталей звичайної якості меншим вмістом S, Р та інших шкідливих домішок, а також більш вузькими інтервалами вмісту вуглецю у кожній марці сталей і підвищеним вмістом Si і Мп (у більшості випадків). Сталі маркують двозначними числами, які означають вміст вуглецю у сотих частках процента і постачають з гарантованими показниками хімічного складу і механічних властивостей. Сталі марок 08, 10, 15, 20 змінюють властивості залежно від вмісту вуглецю у таких межах: для порогу міцності при розтягуванні = 330...420 МПа, відносного видовження = 25...33%, твердості 131...163 НВ. Використовують їх для виготовлення малонавантажених деталей, таких, як шестерні, зірочки, ролики, осі, цементовані вироби. Для середньо навантажених деталей (шестерні, вали, осі) використовують сталі марок 25, 30, 35, 40, 45 з властивостями в межах: для = 460...610, 5 = 19...23 %, твердість 170...229 НВ. Сталі марок 50 і 55 використовують для деталей, які працюють при високих навантаженнях (шестерні, муфти, пружинні кільця). Механічні властивості їх знаходяться у межах: _в = 640...650 МПа, 5= 13...14%, 241...255 НВ. Пружини, ресори, ексцентрики та інші деталі для умов тертя виготовляють із вуглецевих сталей марок 60, 65, 70, 75, 80, 85, а також 60Г і 70Г.

Вуглецеві якісні сталі постачають у вигляді прокату, поковок, каліброваного перерізу, круга з обробленою поверхнею (сріблянка) тощо. За ступенем розкислювання розрізняють також кп, пс і спокійну (без вказування індексу сталі).

Сталі вуглецеві спеціального призначення. Серед них сталі, які добре обробляються різанням (автоматні сталі) на верстатах-автоматах. При цьому утворюється дрібна і коротка стружка, зменшується шорсткість оброблюваних поверхонь. Авто­матні сталі мають підвищений вміст сірки (0,08...0,2%) і фосфору (0,06...0,15 %). Оброблюваність різанням покращують також техно­логічні добавки селену, свинцю, телуру. Автоматні сталі маркують літерою А перед цифрами, що вказують середній вміст вуглецю у сотих частках процента: А12, А20, А30, А40, А40Г. Із сталі А12 виготовляють відповідальні вироби, решта автоматних сталей вико­ристовується для деталей, що працюють за умов значних наванта­жень і тиску.

Сортамент автоматної сталі — сортовий прокат у вигляді прутків круглого, квадратного і шестигранного перерізів. Використовують їх для виготовлення зварювальних з'єднань.

Інструментальні вуглецеві сталі (0,65...1,3 % С). Виготовляють такі марки цих сталей: У7, У8, У8Г, У10, У11, У12 і У13. Цифри вказують на вміст вуглецю у десятих частках процента. Літера А після цифри означає високоякісну сталь. Наприклад, сталь марки У12А розшифровують так: інструментальна вуглецева сталь з вмістом вуглецю 1,2 %, високоякісна.

Інструменти, що працюють за умов ударного навантаження, виго­товляють із сталей У7А, У8А (молотки, зубила, бородки, стамески). Інструменти ж, що потребують високої твердості без ударного наван­таження (свердла, мітчики, напилки, розвертки, шабери), виготовля­ють із сталей У12А, У13А. Для вимірювального інструменту вико­ристовують сталі У8, У9, У10, У12. Вада інструментів з вуглецевих сталей — це низька теплостійкість (здатність зберігати твердість при підвищенні температури). Інструменти з вуглецевих сталей при нагрі­ванні вище 200 °С втрачають необхідну для роботи твердість.