Сплавы, содержащие до 2,14% углерода, называют сталью; сплавы содержащие более 2,14% углерода – чугуном. По сравнению со сталью чугуны обладают лучшими литейными свойствами, в частности, более низкими температурами плавления, и имеют меньшую усадку. Это объясняется присутствием в структуре чугунов легкоплавкой эвтектики.
3.1.Сталь
Является многокомпонентным сплавом, содержащим углерод и ряд постоянных или неизбежных примесей: Mn, Si, S, O, N, H и др., которые оказывают влияние на ее свойства. Присутствие этих примесей объясняется трудностью удаления части из них при выплавке (P, S), переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si) или из шихты – легированного металлического лома (Cr, Ni и др.).
Конструкционные стали и сплавы.
Конструкционными называют стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Конструкционными сталями могут быть углеродистые и легированные стали.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
Углеродистые конструкционные стали.
Углеродистые конструкционные стали подразделяются на два класса: обыкновенного качества и качественные стали. В зависимости от условий и степени раскисления различают несколько видов сталей.
Спокойные стали. Эти стали, получаемые полным раскислением металла в печи, а затем в ковше, содержат минимальное количество закиси железа, что обеспечивает «спокойное» застывание металла в изложнице, происходящее с уменьшением объема.
Кипящие стали. К этому виду относятся стали, полностью нераскисленные и содержащие поэтому до затвердевания повышенное количество FeO. По сравнению со спокойной и полуспокойной сталью они больше склонны к старению и хладноломкости и хуже свариваются. Но вместе с тем кипящие стали обладают высокой пластичностью и хорошо принимают вытяжку в холодном состоянии.
Полуспокойные стали. Это стали промежуточного типа. Они получают все более широкое применение.
Стали обыкновенного качества. Эти наиболее дешевые стали получили широкое применение. В процессе выплавки они по сравнению с качественными сталями меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора.
Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, уголки, швеллеры, а также листы, трубы и поковки, работающие при относительно невысоких напряжениях. Их широко применяют для строительных и других сварных, клепаных и болтовых конструкций.
Качественные углеродистые стали. Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом в мартеновских или электропечах. Качественные углеродистые стали могут быть низкоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые.
Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Чем больше в стали углерода, тем выше склонность к образованию при сварке горячих и холодных трещин.
Среднеуглеродистые стали применяют после нормализации, улучшении и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности.
Высокоуглеродистые стали обладают более высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют после закалки и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки.
Автоматные стали.
Автоматные стали хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, и при этом получается высокое качество поверхности. Эти свойства достигаются повышением в автоматных сталях содержания серы и фосфора.
Фосфор, повышая твердость, прочность и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой блестящей поверхности при резании.
Стали с повышенным содержанием серы обладают большой анизотропией механических свойств, склонны к хрупкому разрушению и имеют пониженный предел выносливости. Они не могут быть рекомендованы для тяжелонагруженных ответственных деталей.
Конструкционные низколегированные стали.
Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки.
Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.
Конструкционные цементуемые легированные стали.
Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки.
Хромистые стали. Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.
Хромоникелевые стали. Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложнолегированные стали.
Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.
Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.
Хромомарганцевые стали. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.
Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.
Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.
Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость.
Конструкционные улучшаемые легированные стали.
Улучшаемыми конструкционными сталями называют стали, используемые после закалки и высокого отпуска.
Хромистые стали. Для средненагруженных деталей небольших размеров применяют хромистые стали. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.
Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.
Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Введение титана обеспечивает хромомарганцевой стали меньшую склонность к перегреву, а бора увеличивает прокаливаемость.
Хромокремнемерганцевые стали (хромансил). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).
Хромоникелевые стали. Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению.
Хромоникельмолибденовые стали. Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.