Доэвтектоидная сталь

1. Доэвтектоидная  сталь

     доэвтектоидная  сталь [hypoeutectic steel] — сталь  с содержанием  С менее эвтектоидной концентрации (< 0,8 %), имеющая в структуре избыточный феррит. Структура стали, образ, в  результате распада аустенита при  охлаждении, состоит из феррита и феррито-цементита  смеси (перлита), дисперсность которой зависит от степени переохлаждения , и по мере снижения температуры превращение  имеет все большую дисперсность (зернистый  перлит, пластичный перлит, сорбит, тро-остит). Кол-во феррита и перлита зависит от содержания С в стали, при содержании < 0,02 % С структура сост. из одного феррита, при содержании  0,8 % С — из одного перлита. Большинство легированных элементов (Si, Mn, Cr, W) сдвиг, точку эвтектоидного  превращения (на диаграмме Fe— С) в сторону  меньшего  содержания С. Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и  отжиг 2 рода. Из отжигов 1 рода для стали применяют отжиг на рекристаллизацию (применяют для малоуглеродистой стали, то есть содержании с менее от 0,25%). Эта сталь предназначена для холодной штамповки. При деформации в ней возникает упрочнение, то есть наклеп, который снимается отжигом на рекристаллизацию.  

1.       Рекристаллизационный отжиг проходит при температурах 680⁰С, время отжига 4-12 часов.2.       Отжиг на снятие внутренних напряжений. Этот вид отжига применяется для устранения внутренних напряжений, которые возникают в процессах резки, сварки, шлифования. Снятие внутренних напряжений происходит за счет процессов возврата. Продолжительность и температура такого отжига зависит от вида напряжений, от размеров деталей, химического состава стали (до 600⁰С), 2-12 часов. Большинство конструкционных деталей изготавливается из средне- и высокоуглеродистых сталей. Температура рекристаллизационного отжига таких сталей практически совпадает с температурой т. А₁, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода. Для доэвтектоидной стали в основном применяют полный отжиг. При таком отжиге происходит полная смена структуры стали, что позволяет устранить все дефекты, вызванные холодной деформацией, сваркой, резкой и так далее. Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:

1. полный отжиг
2. изотермический отжиг
3. нормализация
4. патентирование

Примеры доэвтектоидной стали:

Сталь 2сп

Документ: ГОСТ 380-94

2. КОВКИЙ ЧУГУН

  Ковкий  чугун получают графитизирующим отжигом белого чугуна определенного состава по содержанию основных элементов и примесей.

  В зависимости от режима термической  обработки структура ковкого  чугуна может состоять из феррита + углерод отжига, перлита или других продуктов распада аустенита (сорбита, троостита, игольчатого троостита, мартенсита и т.п.) + углерод отжига.

  Ковкий  чугун, полученный путем обезуглероживающего  отжига, со структурой феррита в  поверхностном слое и перлита + углерод  отжига в сердцевине сечений отливки, в настоящее время утратил  промышленное значение и не рассматривается.

  Графитизация  белого чугуна происходит при специальной термической обработке - отжиге.

  Для получения ферритного и перлитного ковкого чугуна отжиг отливок  ведут в нейтральной среде; основным процессом является графитизация, а  обезуглероживание имеет ограниченные размеры и происходит попутно.

  При отжиге отливок в защитной атмосфере  наружный обезуглероженный и следующий  за ним слой со структурой перлита  отсутствует.

  Свойства  ферритного ковкого чугуна зависят  от содержания углерода и кремния.

  При конструировании рекомендуется  ограничивать размеры сечений в отливках при плавке двойным процессом вагранка - электропечь - 30-40 мм, при плавке в вагранке - 20-30 мм. При модифицировании исходного белого чугуна присадками теллура и особенно магния максимальный размер сечений отливок может быть значительно увеличен - до 100-120 мм.

  Минимальная толщина сечений отливок из ковкого  чугуна в зависимости от их конфигурации и состава чугуна принимается  в пределах 2,5-8 мм.

  Усадка  белого чугуна зависит от содержания в нем углерода.

  В таблице 1 приведены размеры объемной усадки стали, белого и серого чугуна при перегреве расплавленного сплава на 100^оС, в таблице 2 - величина линейной усадки в твердом состоянии.

  Вследствие  большего модуля упругости и меньшей  теплопроводности величина напряжений в отливках белого чугуна значительно  выше, чем в отливках серого чугуна, а вследствие меньшей прочности  и теплопроводности - больше, чем в стальных отливках. Поэтому при проектировании следует предпочитать конструкции со свободной усадкой и избегать резких переходов между различными сечениями отливки, вызывающих концентрацию напряжений и пониженную усталостную прочность.

  Таблица 1. Объемная усадка в %

  * В зависимости  от содержания  углерода

  Таблица 2. Линейная усадка в %

  Остаточные  напряжения в отливках из ковкого  чугуна вследствие длительной термической  обработки значительно меньше, чем  в отливках из стали и серого чугуна, и не превышают 0,5 кГ/мм².

  При термической обработке отливки ковкого чугуна увеличиваются в объеме в зависимости от содержания углерода (примерно на 50% от величины усадки).

  Сопротивление статистическими  нагрузками. Механические свойства ковкого чугуна зависят от свойств основной металлической массы, принимающей на себя почти все силовое поле и в меньшей мере ослабленной включениями графита по сравнению с серым чугуном. Прочность графита очень мала, и площадь его включений обычно исключается при расчетах (таблице 3)

  Таблица 3. Влияние включений графита на силовое поле в чугуне

  Главное преимущество ковкого чугуна по сравнению  с серым заключается в его  пластичности. Диаграммы деформацией  при растяжении образцов различных  сортов ковкого чугуна характеризуют  его упругие и пластические свойства. Так как область текучести незначительна, при испытаниях ковкого чугуна определяют условный предел текучести σ_0,2.

  Общая зависимость предела прочности  при растяжении σ_в от относительного удлинения δ ковкого чугуна различна для его отдельных сортов.

  Для ферритного ковкого чугуна увеличение σ_в всегда связанно с увеличением пластичности. Предела пропорциональности изменяется с изменением величины предела прочности при растяжении; соотношение этих величин

σ_пц / σ_в = 0,65 / 0,75

  В соответствии с малой изменяемостью  структурных составляющих ферритного ковкого чугуна - графита и феррита - механические его свойства могут быть надежно улучшены главным образом снижением содержания углерода и практически не зависят от изменений величины включений графита.

  Таблица 4. Марки и механические свойства ковкого чугуна

  * С согласия заказчика  допускается понижение  относительного удлинения  на 3%.

  По  ГОСТ 1215-59 ковкий чугун подразделяется по маркам (таблица 4)

  Перлитный ковкий чугун является одним из прочных  сортов чугуна и по структурному составу  и механическими свойствами близко подходит к стали; с увеличением  σ^в относительное удлинение снижается.

  Количество  связанного углерода в перлитном ковком чугуне изменяется в пределах 0,3-0,8% в зависимости от температуры нормализации, скорости охлаждения и условий термической обработки области эвтектоидных превращений.

  Эти факторы определяют и структуру  основной металлической массы перлитного ковкого чугуна, которая может меняется от пластинчатого и зернистого перлита до сорбита, мартенсита, а в некоторых случаях и с дисперсными включениями цементита.

  Дальнейшее  улучшение свойств перлитного ковкого  чугуна достигается его легированием и модифицированием, присадками титана, алюминия, бора, висмута или сурьмы в различных сочетаниях.

  Присутствие феррита в структуре перлитного ковкого чугуна ухудшает его свойства, так как влечет за собой резкое снижение прочности (σ_в) при незначительном увеличении пластичности (δ). Когда основная металлическая масса чугуна становится перлитной, незначительное снижение пластичности при стабилизации, сфероидизации и пр. приводит к значительному увеличению прочности.

  Особое  место занимает термически улучшенный ковкий чугун, закаленный и отпущенный, отличающийся высокой однородностью свойств как в отдельных сечениях, так и во всей партии.

  Сопротивление динамическим нагрузкам. Динамические свойства качественного ферритного ковкого чугуна характеризуются  следующими данными. Ударная вязкость при сечении образца 10Х10 мм с клиновым вырезом глубиной 2 мм а_н = 2кГ*м/см², при вырезе глубиной 5 мм с радиусом закругления 0,5 мм а_н = 0,8кГ*м/см². Динамическая вязкость (предел выносливости) σ_-1 = 17 кГ/мм². Отношение предела выносливости к пределу прочности при растяжении

σ_-1 / σ_вр = 0,5

  Ударная вязкость резко снижается при  появлении белого интеркристаллитного  излома, которого можно избежать весьма ускоренным или очень замедленным  охлаждением после отжига в интервале  температур 650-450^оС

  Предел  выносливости ферритного ковкого чугуна в 1,2-2 раза меньше, чем стали, и в 4-6 раз больше чем серого чугуна; он зависит от асимметричности нагрузок и повышается при отрицательных  величинах средних напряжений. Поэтому  отливки, работающие при повторно-переменных растягивающее - сжимающих усилиях, следует подвергнуть предварительному сжатию без растягивающих напряжений при периодических нагружениях.

  Предел  выносливости ферритного ковкого чугуна равен 12-16 кГ/мм² и специальных малоуглеродистых легированных перлитных ковких чугунов 30-35 кГ/мм².

  Состояние поверхности ковкого чугуна оказывает  влияние на величину предела выносливости, чем у стали. Удаление поверхностного слоя ферритного чугуна повышает динамическую вязкость на 15-25% (таблица 5)

  Таблица 5. Относительное влияние механической обработки на свойства ковкого чугуна

  Коэффициенты  усталостной прочности для железоуглеродистых сплавов при различных видах  нагрузок даны в таблице 6.

  Таблица 6. Коэффициенты усталостной прочности

  Примечание. Ковкий чугун превосходит  сталь при кручении, а серый чугун  при растяжении - сжатии.

  Технологические свойства. Обрабатываемость ковкого  чугуна зависит от структуры основной металлической массы и от включений графита. Наличие промежуточного перлитного слоя под наружной ферритной оболочкой определяет толщину первой стружки в 1,5-2,0 мм.

  Обрабатываемость  ферритного ковкого чугуна весьма высока; включения графита оказывают смазывающее действие и дробят стружку.

  Обрабатываемость  перлитного ковкого чугуна уступает обрабатываемости ферритного и определяется степенью однородности и дисперсности структуры основной металлической  массы. Так, обрабатываемость чугуна со сфероидизированной структурой перлита и даже цементита вполне удовлетворительна, несмотря на повышенную твердость.

  Износостойкость и антифрикционные свойства ковкого  чугуна определяются структурой, условиями  трения и величиной зазоров.

  Наиболее  благоприятной структурой обладает перлитный ковкий чугун, при отсутствии в нем изолированных включении графита, окруженных ферритной отсрочкой.

  Коэффициент трения перлитного ковкого чугуна равен  при жидкостном трении 0,05-0,10 и при  сухом 0,30-0,45.

  Втулки  из этого чугуна работают на металлорежущем оборудовании при pv=50, на металлодавящем оборудовании при pv = 120, на тракторах при рv= 160 кГ/см²*сек.

  Зазоры  между валом и втулками по сравнению  с бронзовыми увеличиваются на 10-15%.

  Ферритный ковкий чугун применяется при малых давлениях (рv ≤ 20 кГ/см²*сек), особенно при малых скоростях и работе со смазкой.

  Обработанные  поверхности ферритного чугуна корродируют  быстрее, чем перлитного чугуна и  стали. Стойкость поверхности ковкого  чугуна повышается применением диффузионных покрытий: фосфатированием, бесщелочным оксидированием, пассивированием и пр.

  При контактной коррозии ковкий чугун обнаруживает пониженный, положительный электродный  потенциал.

  Ковкий  чугун, особенно ферритный, хорошо поддается  запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры.

  Прочность запрессовки втулок из ковкого чугуна при одном и том же натяге выше по сравнению с латунным на 50%.

  Упругие свойства ковкого чугуна определяются из основных данных таблиц - модулями нормальной упругости Е и сдвига G и коэффициентом Пуассона u. Величины же пластических деформаций и условного модуля упругости находятся по соответствующим графам таблицы. При этом учитывается, что при многократных повторных нагрузках пластические деформации уменьшаются и остаются почти одни упругие деформации.

  Поправочный коэффициент для усталостных  характеристик учитывает только характер поверхности. По влиянию массы, формы сечения и температуры  проверенные данные отсутствуют.

  Физические  свойства определяются из таблицы с  поправками на температуру К_t. Например, коэффициент линейного расширения в интервале до 500^оС определяется выражением

а₀⁵⁰⁰ = а₀¹⁰⁰ [1 + К_t (T - 100 = 10.8 * 10^-в [1 + 0,00072 (500-100) ] = 14 * 10^-в

  Данные  таблицы являются минимальными для  ковкого чугуна соответствующей  марки, гарантийными, и могут быть использованы для расчета деталей.

  Общий объем применения ковкого чугуна в машиностроении относительно невелик  и составляет около 3% от применяемых  отливок из железоуглеродистых сплавов. Главной причиной этого являются технологические затруднения в процессе производства отливок, необходимость применения длительной термической обработки и ограниченная величина допускаемых размеров сечений отливок, сложность операций поверхностного упрочнения и операций сварки.

 Таблица 8. Примеры применения ковкого чугуна в различных отраслях промышленности

3. Нормализация  стали.

 Нормализацией называют такой вид термической  обработки, когда сталь нагревают  на 30 -50° выше верхних критических  температур Асз или Аст и после  выдержки при этих температурах охлаждают на спокойном воздухе.

Таким образом, от отжига нормализация отличается более быстрым охлаждением изделия (примерно в 2 раза). Нормализация является более дешевой операцией, чем  отжиг, так как печи используются только для нагрева и выдержки изделия при температуре нагрева, а охлаждение производится вне печи. Кроме того, нормализация ускоряет процесс термической обработки.

     Таким образом, отжиг выгодно заменять нормализацией. Однако это не всегда возможно, так как у некоторых  сталей твердость после нормализации возрастает более значительно, чем при отжиге. Малоуглеродистые стали рекомендуется подвергать нормализации, так как у них практически отсутствует разница в свойствах после отжига и нормализации. Стали, содержащие свыше 0,4% углерода, после нормализации получают повышенную твердость.

     Такие стали лучше отжигать. На практике и такие стали часто подвергают нормализации вместо отжига, а затем  высокому отпуску при температурах 650 - 700° для уменьшения твердости. Нормализацию применяют для получения мелкозернистой структуры в отливках и поковках, для устранения внутренних напряжений и наклепа, для подготовки структуры стали к закалке. Для некоторых изделий нормализация является не предварительной, а окончательной операцией термической обработки.

     В этом случае после нормализации изделия  подвергают высокому отпуску для  снятия внутренних напряжений, образовавшихся при охлаждении изделия на воздухе. Закалка углеродистой стали. Сущность и назначение закалки. Закалка - самый распространенный вид термической обработки. Закаливаются валы, шестерни, пружины, штампы, зубила, резцы, фрезы и другие изделия и инструменты.

     Столь широкое распространение этого  вида термической обработки объясняется  тем, что при помощи закалки и последующего отпуска можно изменить свойства стали в очень широком диапазоне. Закалка стали основана именно на этих превращениях. Операция закалки состоит в том, что стальные изделия нагревают немного выше критических температур Aci, Асз а иногда и Аст и затем быстро охлаждают.

     В качестве охлаждающей среды применяют  воду, масло и растворы солей. Целью  закалки чаще всего является повышение  твердости и прочности стальных изделий. При закалке имеют место  понижение пластичности и вязкости стали, однако эти качества можно восстановить при последующем отпуске. Как известно из предыдущего, при увеличении скорости охлаждения аустенита можно получить структуры сорбита, троостита или мартенсита.