УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ

В машиностроении находят применение для изготовления деталей и изделий, чаще всего неответственного назначения, дешевые углеродистые качественные стали.

1. Влияние углерода на свойства стали

Свойства углеродистых сталей определяются содержанием углерода и применяемой обработкой. Горячекатаные, нор­мализованные и отожженные стали имеют феррито-перлит – ную структуру. С увеличением содержания углерода коли­чество перлита возрастает и при —0,8 %С сталь имеет пол­ностью перлитную структуру. В заэвтектоидной стали наряду с перлитом появляется избыточный цементит. Увели­чение содержания углерода (перлита) приводит к росту прочности и падению пластичности и вязкости феррито – перлитной стали (рис. 80), при этом порог хладноломкос­ти существенно повышается (рис. 81).

Структура закаленной стали зависит от содержания углерода и температуры нагрева под закалку. Углерод, рас­творенный при нагреве под закалку в аустените, будет по­нижать температурный интервал мартенситного превраще­ния (рис. 82). При содержании в аустените более 0,5 % С температуры окончания мартенситного превращения Mk будет ниже комнатной температуры, вследствие чего пос­ле закалки в стали наряду с мартенситом присутствует ос­таточный аустенит. Количество растворённого в аустените углерода будет определять тетрагональность и твердость мартенсита, а также количество остаточного аустенита. Следовательно, твердость закаленной стали будет бпреде – ляться перечисленными факторами (рис. 83).

Так, в углеродистой закаленной стали до содержания — 0,6% С твердость возрастает пропорционально его со-

153

Держанию в стали, дальнейшее увеличение углерода до 0,8 % приводит к замедлению темпа прироста твердости,, так как появляется остаточный аустенит," а при содержа­нии углерода больше эвтектоидного твердость стали воз­растает мало, лишь за счет появления избыточного цемен­тита (при закалке от температур выше Aci).

Закалка заэвтектоидной стали от температуры выше Ac3 приводит к сильному увеличению количества остаточ­ного аустенита и падению твердости. Легирование относи-

На механические свойства углеродистых смесн (А. П. Гуляев)

НВ. МПа б!,MПа 3000 VlZO О

ZOOO

IOOO

О О,Z 0,6 1,0 1,4 Z,

Рнс. 80. Влияние содержания углерода сталей со структурой феррнто-карбндной

Ц, Дж ZOO

150 100 50 О

7

– (

Г

If

J

F у

– /

/ /s"———–

.-Jk

-W I I

-150-100-50 О 50 100 150 tucn°0

Рнс. 81. Изменение порога хладнолом­кости и энергии разрушения (U) под влиянием содержания углерода для сталей со структурой феррито-карбнд-. ной смесн (Д. Рейнболт): содержание С, %: / — 0,11; 2 — 0,20; 3—0,31; 4 — 0,41; 5 — 0,49; 6 — 0,60; 7 — 0,69; S – 0,80

Тельно мало повышает твердость мартенсита, однако спо­собствует увеличению остаточного аустенита, что так же, как и перегрев заэвтектоидной углеродистой стали, приво­дит при определенном содержании углерода к уменьшению твердости стали.

Основным недостатком углеродистой стали является малая устойчивость переохлажденного аустенита, а отсюда и низкая прокаливаемость. Критический диаметр при за­калке в воду (мартенситная структура) для различных уг­леродистых сталей составляет от 10 до 20 мм и увеличива­ется в указанных пределах при повышении содержания уг­лерода от 0,3 до 0,6 %.

В углеродистых сталях уже в сечениях около 40 мм да­же при закалке в воду в центре протекает феррито-перлит – ное превращение. Малая прокаливаемость обусловливает и низкую закаливаемость углеродистой стали. Чем меньше содержание углерода, тем меньше закаливаемость.

0,2 0,110,6 О, В 1,0 С,%

Требуемые свойства достигаются при последующем от­пуске стали. На рис. 84 показано изменение механических свойств закаленной углеродистой стали 40 при отпуске на разные температуры. С повышением температуры отпуска прочностные характеристики непрерывно уменьшаются, а пластичность и вязкость стали увеличиваются. По таким

T,С

600

\

400

Vv

200

Х4»—

\

О

Ч

AVV

-200

I

I I

_

Fe 0,4 O.S 1,2 1,6 С, % (по массе]

Рнс. 82. Влияние содержания углерода на температуру начала AT н н конца Mk мартенситного превращения

If, 6t,6„j,HB,

Рнс. 83. Зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода и ле­гирования стали:

1 — легированный мартенсит; 2 — углеродистый мартенсит; 3 — мартенсит с остаточным аустеннтом

Рнс. 84. Механические свой­ства стали 40 в зависимо­сти от температуры отпуска. Отметки на левой шкале — свойства после закалки, на правой — после отжига

(А. П. Гуляев)

%

~ мпа

‘ МПа

62,5

– 1200

-5000

50,0

– 1000

– WOO

– \

V

37,5

– 800

-3000

25,0

– 600

– 2000

F^XNv/4

Й1 НВ_

12,5 О

– WO _ 200

-1000 о

VS

I ! I

TL

300 WO 500 ООО 7О0 TOTfl ° С %

1

Диаграммам выбирают режим термической обработки (улучшения), обеспечивающий необходимый для той или иной детали комплекс механических свойств. Подобные диаграммы построены для широко распространенных угле­родистых и легированных сталей и приводятся в справоч­ной литературе.

2. Марки сталей и их свойства

В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050—74. Кроме того, ис­пользуют углеродистые стали обыкновенного качества по> ГОСТ 380—71.

Качественными углеродистыми сталями могут быть ста­ли марок 08, 10, 15, 20, 25, …, 75, 80, 85. К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием, марганца (0,7—1,0%) марок: 15Г, 20Г, 25Г, …, 65Г, имею­щих повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25—30 мм).

В табл. 13 приведены гарантируемые механические свой­ства после нормализации некоторых углеродистых качест­венных сталей.

Таблица 13. Гарантируемые механические свойства углеродистых, качественных сталей

Механические свойства, ие менее

Марка

Содержание

Стали

Углерода, %

Ctjj, МПа

V МПа

В. %

Ч>. %

Кои+30-

МДж/м2

08

0,05—0,01

330

200

33

60

10

0,07-0,14

340

210

31

55

____

15

0,12—0,19

380

230

27

55

____

20

0,17—0,24

420

250

25

55

____

30

0,27—0,35

500

300

21

50

0,8

40

0,37—0,45

580

340

19

45

0,6

50

0,47—0,55

640

380

14

40

0,4

60

0,57—0,65

690

410

12

35

70

0,67-0,75

730

430

9

30

— ..

Приведенные гарантируемые механические свойства служат для контроля металлургического качества отдель­ных плавок, так как механические свойства в изделиях ма­шиностроения будут определяться применяемой термичес­кой обработкой, ее режимами и сечением деталей. Низкоу^- леродистые стали марок 08, 08кп, 08пс относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего в отожженном состоянии для изготовления деталей и изделий методом холодной штамповки — глубокой вытяжки (см. гл. XIII, п. 2). Стали марок 10, 15, 20 и 25 обычно используют как цементуемый – (см. гл. XV, п. 1), а высокоуглеродистые стали 60, 65, 70,. 75, 80 и 85 в основном употребляют для изготовления пру­жин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделии с высокой упругостью и износостойкостью (см. гл. XVIII, п. 1). Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 и анало­гичные стали с повышенным содержанием марганца ЗОГ, 40Г, 50Г применяют для изготовления самых разнообраз­ных деталей машин. При этом в зависимости от условий ра­боты деталей применяют различные виды термической обра­ботки: нормализацию, улучшение, закалку с низким отпус­ком, закалку ТВЧ и др.

Ниже приведены механические свойства наиболее ти­пичных сталей после нормализации (числитель) и закалки с отпуском (знаменатель). Для каждой стали выбрана та­кая температура отпуска, при которой временное сопротив­ление улучшенной стали равно временному сопротивлению нормализационной стали (для сталей 25 и 35 /Отп=700°С, для стали 45 650°, для стали 55 620 0C).

TOC \o "1-3" \h \z Сталь………………………………………… 25

Ов, МПа………………………. 460/460

От, МПа……………………………… 240/280

Б, %…………………………………….. 27/30

35 45 . 55

550/550 660/660 " 750/750

280/330 340/380 380/440

22/25 17/22 12/17

Приведенные данные показывают, что при одинаковом временном сопротивлении нормализованной и улучшенной стали другие свойства (предел текучести, относительное удлинение) заметно выше после закалки и высокого отпус­ка вследствие получения более дисперсной структуры. За­калка с отпуском обеспечивает и более высокую ударную вязкость и хладостойкость, чем нормализация.

Механические свойства каждой стали могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от режима термичес­кой обработки, и для каждой конкретной детали, условий ее эксплуатации должен быть выбран оптимальный комп­лекс механических свойств и соответствующая обработка.

Достоинством углеродистых сталей является их деше­визна, доступность из-за отсутствия в составе дефицитных легирующих элементов, хорошая технологичность при тер­мической обработке и обработке резанием, малая склон­ность к отпускной хрупкости и др. Однако из-за малой прокаливаемости углеродистые стали не обеспечивают не­обходимых требований по свойствам в деталях сечением более 10—20 мм, они также непригодны для применения в ответственных деталях любых сечений, где требуются по­вышенные механические свойства и целый ряд других спе­циальных свойств.