1. Качество стали определяется содержанием вредных примесей..
Основные вредные примеси - это сера и фосфор. Так же к вредным
примесям относятся газы ( азот, кислород, водород ).
Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исход-
ным сырьём - чугуном. сера нерастворима в железе, она образует с ним
соединение FeS - сульфид железа. при взаимодействием с железом образу- ется
эвтектика ( Fe + FeS ) с температурой плавения 9880 С. Поэтому при нагреве
стальных заготовок для пластической деормации выше 9000 С ста- ль
становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовка
разрушается. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов
уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение Mns
плавится при 16200 С, эти включения пластичны и не вызывают краснолом-
кости.
Содержание серы в сталях допускается не более 0.06%.
Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном,
используемым также для выплавки стали. До 1.2% фосфор растворяется в
феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склоннос-
тью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве
фосфора в отливке всегда могут образоваться участки, богатые фосфором.
Расположенный вблизи границ фосфор повышает температуру перехода в
хрупкое состояние ( хладноломкость ). Поэтому фосфор, как и сера, явля-
ется вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до
0.050%.
Скрытые примеси:
Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду
сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при её выплавки.
В твёрдой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо
образуя химическое соединение (нитриды, оксиды ). Газы могут находиться и в
свободном состоянии в различных несплошностях.
Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают
пластические свойства стали. Содержание их в стали допускается
10-2 - 10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшает-
ся, свойства улучшаются.
Углеродистые инструментальные стали бывают двух видов: качественные
и высококачественные. Качественные углеродистые инструментальные стали маркируют буквой
“ У “ ( углеродистая ); следующая за ней цифра ( У7, У8, У10 и т.д ) пока-
зывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Высококкачественные стали дополнительно маркируются буквой “ А “ в конце
( У10А ).
Инструментальные углеродистые стали: Обладают высокой твёрдостью ( 60-65 HRC ), прочностью и износостой- костью
и применяются для изготовления различного инструмента. Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10 (У10А), У11 (У11А),
У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие малой устойчивости переохлажденного
аустенита имеют небольшую прокаливоемость, и поэтому эти стали приме- няют
для инструментов небольших размеров.
Для режущего инстумента ( фрезы, зенкеры, свёрла, спиральные пилы, ша-
беры, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инстру- мент
и т.д ) обычно применяют заэвтектоидные стали ( У10, У11, У12 и У13 ),
у которых после термической обработки структура - мартенсит и карбиды.
Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвёртки,
топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термической обра- ботки
трооститную структуру.
Углеродистые стали в исходном (отожжённом) состоянии имеют струк- туру
зернистого перлита, низкую твердость ( HB 170-180 ) и хорошо обраба-
тываются резанием. Температура закалки углеродистых инструментальных сталей У10-У13 должна быть 760-780 0 С, т.е несколько выше Ас1 , но ниже
Аст для того, чтобы в результате закалки стали получали мартенситную
структуру и сохраняли мелкое зерно и нерастворбнные частицы вторичного
цементита. Закалку проводят в воде или водных растворах солей. Мелкий
инструмент из сталей У10-У12 для уиеньшения деформаций охлаждают в го-
рячих средах ( ступенчатая закалка ).
Отпуск проводят при 150-1700 С для сохранения высокой твёрдости
( 62-63 HRC ).
Сталь У7 закаливают с нагревом выше точки Ас3 ( 800-8200 С ) и под-
вергают отпуску при 275-325 0 С ( 48-58 HRC ).
Углеродистые стали можно использовать в качестве режущето инстру-
мента только для резанья материалов с малой скоростью, так как их высо-
кая твёрдость сильно снижается при нагреве выше 190-200 0 С.
2. Диаграмма состояния железо-карбид железа.
Стали, содержащие от 0,8 до 2.14 % С, называют заэвтектоидными. В начале нагревания заэвтектоидный сплав имеет структуру перлита и
вторичного цементита. При повышении температуры до 7270 С сплав просто нагревается. В т.1
происходит эвтектоидное превращение, перлит превращается в аустенит. От
точки 1 до точки 2 сплавы имеют структуру аустенит + вторичный цемен- тит.
По мере приближения к точки 2 концентрация углерода в аустените
увеличивается согласно линии SE. При температурах, соответствующих линии SE ( т.2 ), аустенит оказывается
насыщенным углеродом, и при повышении температуры сплав имеет струк- туру
только аустенита. До точки 3 в сплаве не происходит никаких измене- ний,
просто увиличивается температура. При повышении температуры в точки 3 твёрдый аустенит начинает плави- ться.
Структура становится жидкость+аустенит. До точки 4 сплав продол- жает
плавиться. В точке 4 под влиянием высокой температуры весь аустенит расплавля- ется.
Структура становится - жидкость.
3. При нагреве выше температуры 7270 С число зародышей всегда достато- чно
велико и начальное зарно аустенита мелкое. Чем выше скорость нагре- ва, тем
меньше зерно аустенита, так как скорость образования зародышей выше, чем
скорость их роста.
При дальнейшем повышении температуры или увеличении длительности
выдержки при данной температуре происходит собирательная рекристал- лизация
и зерно увеличиается. Рост зерна, образовавшегося при нагреве до
данной температуры, етественно, не изменяется при последующим охлажде- нии
Способность зерна аустенита к росту зерна неодинакова даже у сталей
одного марочного состава вследствие влияния условий их выплавки.
По склонности к росту зерна разлиают два предельных типа сталей:
наследственно мелкозернистые и наследственно крупнозернистые.
В наследственно мелкозернистой стали при нагреве до высоких темпера- тур
( 1000-10500 С ) зерно увеличивается незначительно, однако при более
высоком нагреве наступает бурный рост зерна. В наследственно крупнозер-
нистой стали, наоборот, сильный рост зерна наблюдается даже при незна-
чительном перегреве выше 7270 С. Различная склонность к росту зерна оп-
ределяется условиями раскисления стали и её составом.
Чем меньще зерно, тем выше прочность (sв ,sт ,s-1), пластичность (d,y) и вязкость ( KCU, KCT ), ниже порог хладноломкости ( t50 ) и меньше скло-
нность к хрупкому разрушению. Уменьщая размер зерна аустенита, можно
компенсировать отрицательное влияние других механизмов упрочнения на порог
хладноломкости. Легирующие элементы, особенно карбидообразующие ( нитридообразую- щие )
задержиают рост зерна аустенита. Наиболее сильно действуют Ti,
V, Nb, Zr, Al, и N, образующие трудно растворимые в аустените карбиды
( нитриды ), которые служат барьером для роста зерна. Чем больше объ- ёмная
доля карбидов ( нитридов ) и выше их дисперстность ( меньше размер ), тем
мельче зерно аустенита. Одновременно нерастворимые кар- биды ( натриды )
оказывают зародышное влияние на образование новых зёрен аустенита, что
также приводит к получению более мелкого зерна. Марганец и фосфор
способствуют росту зерна аустенита. Все методы, вызывающие измельчение зерна аустенита, - микролегирование (
V, Ti, Nb и др.), высокие скорости нагрева и др. - повышают конструкцион-
ную прочность стали. Крупное зерно стремятся получить только в электротехнических ( транс-
форматорных ) сталях, чтобы улучшить их магнитные свойства.
.