Инструментальные- от 0,7% С и выше.

Конструкционные углеродистые стали изготавливают следующих марок: 05кп, 10кп, 10, 15кп, 15, ... ..., 30, 35, 40, 45, ..., 85.

 

В этих сталях цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

 

Инструментальные углеродистые стали маркируются буквой У и цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента.

 

Высококачественные стали обладают высокой чистотой в отношении неметаллических включений, содержат пониженное количество серы, фосфора (S до 0,02%, P до 0,03%) и остальных примесей, имеют более суженные пределы по содержанию углерода, кремния и марганца по сравнение с качественными сталями, обладают строго регламентированными механическими свойствами, имеют определенный размер наследственного зерна и т.д.

 

Маркируются эти стали так же, как и качественные, но в конце марки ставится буква А, показывающая, что сталь является высококачественной.

 

Основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния железо-углерод (рис.1). Из диаграммы следует, что структура сплавов, находящихся в равновесном состоянии, определяется содержанием в них углерода.

 

Феррит

 

Феррит на диаграмме состояния занимает область GPQ.

 

Структура сплава с содержанием углерода до 0,025% состоит из феррита и третичного цементита, располагающегося по границам зерен феррита (рис.2в). Выделение цементита происходит в связи с тем, что с понижением температуры растворимость углерода в феррите падает.

 

Максимальная растворимость углерода в Fe_a:

- при температуре 725°С равна 0,025%;

 

- при 0°С - примерно 0,006%.

 

Феррит (почти чистое железо) обладает магнитными свойствами и является самой пластичной и мягкой составляющей железо-углеродистых сплавов.

 

Механические свойства железа характеризуются следующими величинами (I — техническое, II — прямого восстановления, III — сверхчистое):

I II III

 

 

Предел прочности при растяжении, МПа 250 200 50

Предел текучести при растяжении, МПа 120 100 25

Удлинение, % 50 60 70

Сужение, % 85 90 100

Твердость НВ 80 70 60

 

Электролитическое железо (отожженное) обладает следующими механическими свойствами:

s_пр - предел прочности - 18-25 кГ/мм²;

s_Т - предел текучести - 10-14 кГ/мм²;

d - относительное удлинение - 40-50%;

y - поперечное сужение - 70-80%;

НВ - твердость по Бринелю - 45 -55 кГ/мм²;

a_н - ударная вязкость - 18-25 кГм/см²

Перлит

 

С увеличением содержания углерода более 0,025% в структуре сплава появляется перлит.

Перлит – это этектоидная механическая смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита.

 

Образуется перлит при распаде ауcтенита определенного состава - 0,83% С, при температуре 727°С.

 

Содержание углерода в перлите для всех железоуглеродистых сплавов всегда постоянно и равно 0,083% С.

 

При изготовлении шлифа пластинки цементита, более твердого, чем феррит, сошлифовываются меньше и поэтому выступают из остальной части перлита. Феррит как мягкая составляющая сошлифовывается больше, что усиливается при травлении. Поэтому при косом освещении перлит под микроскопом виден как чередующиеся темные и светлые полоски.

 

В зависимости от формы цементита различают:

а) пластинчатый перлит, в котором цементит и феррит имеют форму пластин (рис. 3); последние образуют равномерную механическую смесь, которая, если рассматривать структуру, похожа на перламутр (отсюда и название перлит);

 

б) зернистый перлит, в котором цементит имеет форму зерен (рис. 4), расположенных в феррите. Структуру зернистого перлита получают путем специальной термической обработки на зернистый перлит.

 

Рис. 3. Пластинчатый перлит

 

Рис. 4. Зернистый перлит

 

Зернистый перлит более пластичен и имеет меньшую твердость, чем пластинчатый. Твердость пластинчатого перлита НВ 200-250, зернистого НВ 160-220.

 

Доэвтектоидные и эвтектоидные стали

 

Стали, содержащие от 0,025 до 0,8% углерода, называются доэвтектоидными.

 

Структура этих сталей состоит из феррита (светлый фон) и перлита (темные зерна). Количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается пропорционально увеличению содержания углерода (рис.5) в соответствие с диаграммой состояния (рис.1).

 

а	б	в
Феррит + перлит – a + (a+Fe3C) - 0,2-0,3% С	Перлит + феррит – (a+Fe3C)+ a - 0,4-0,5 % С	Перлит + феррит – (a+Fe3C) + a 0,5-0,7% С

Рис.5. Микроструктура доэвтектоидных сталей:

а – сталь 20, б – сталь 45, в – сталь 60

 

Поэтому, считая, что феррит углерод практически не растворяет, а наличие в структуре 100% перлита соответствует 0,81% С, можно найти содержание углерода в любой доэвтэктоидной стали, определив с помощью микроскопа количественное соотношениемежду структурными составляющими и решая затем простую пропорцию.

 

0,81% С - 100% перлита

 

X % С - А % перлита,

 

где А - количество перлита в стали, определенное визуально с помощью микроскопа.

 

Отсюда

 

 

При содержании 0,8% С сталь называется эвтектоидной и состоит из одного перлита.

 

Твердость и предел прочности эвтектоидной стали выше, чем доэвтектидной, а пластичность ниже.

 

Заэвтектоидные стали

 

Стали с содержанием углерода от 0,81 до 2% называются заэвтектоидными, ихструктурасостоит из перлита и вторичного цементита.

 

Цементит

 

Цементит - самая хрупкая и твердая (НВ>800) структурная составляющая. Пластичность цементита ничтожно мала и практически равна нулю, что, вероятно, является следствием сложного строения его кристаллической решетки. Кристаллическая структура цементита очень сложна. Есть много различных способов ее изображения, один из наиболее удачных показан на рис. 6.

 

Цементитная сетка в структуре стали снижает ее пластичность, а твердость - увеличивает. Поэтому с возрастанием количества вторичного цементита пропорционально увеличению концентрации в ней углерода твердость ее повышается, а пластичность падает.

 

 

Рис. 6. Кристаллическая структура цементита

 

Цементит содержит 6,67% углерода, является самой хрупкой и твердой (НВ до 800) структурной составляющей железоуглеродистых сплавов.

 

В заэвтектоидной стали вторичный цементит обычно расположен в виде светлой сетки или светлых зерен (цепочки) по границам перлитных зерен или в виде игл (рис.7).

 

Рис.7. Микроструктура заэвтектоидной стали У12 - 1,2 % С

(перлит + цементит вторичный)

а – цементит вторичный зернистый; б – в виде сетки по границам зерен

В сталях, содержащих углерод несколько меньше 0,81%, в виде сетки по границам зерен перлита может также выделиться феррит. При обычном травлении 4%-ным раствором азотной кислоты эта сетка также получается светлой. Для выяснения, является эта сетка ферритной или цементитной, микрошлиф подвергают травлению пикратом натрия.

 

Если сетка после травления осталась светлой, то это феррит и, следовательно, сталь является доэвтектоидной; если сетка потемнеет, то это цементит, и сталь является заэвтектоидной.

 

Вторичный цементит в заэвтектоидиой стали занимает незначительную по величине площадь, определить которую на глаз затруднительно. Поэтому методом, которым определяют содержание углерода в доэвтектоидных сталях, для заэвтектоидных - не пользуются.

 

Выделение вторичного цементита по границам зерен аустенита и цементита перлита в виде пластинок нежелательно, так как такая структура обладает повышенной хрупкостью, плохо обрабатывается резанием и после окончательной термической обработки готовые детали (инструмент) будут иметь пониженные механические свойства, главным образом малую пластичность и ударную вязкость. Поэтому стремятся получать цементит в виде мелких зерен округлой формы (шарики). Структура зернистого перлита является исходной структурой для инструментальных сталей (рис.4).

 

Таким образом, свойства стали после медленного охлаждения определяются свойствами ее структурных составляющих и их количественным соотношением. Структура же стали состоит из перлита с избыточным или ферритом, или цементитом, в зависимости от количества в ней углерода. Следовательно, именно содержание углерода в стали определяет ее механические и технологические свойства - прочность, твердость, пластичность, вязкость.

 

Количество цементита в структуре стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода, а как указывалось выше, твердость цементита НВ>800 (8000-8500 МПа) на порядок больше твердости феррита НВ 45-80 (450-800 МПа). Кроме того, частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации, уменьшают пластичность и вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали содержания углерода до 1,0% возрастают твердость, прочность, предел текучести и понижаются показатели пластичности (относительное удлинение и сужение) и ударная вязкость (рис.6).

 

При содержании углерода свыше 1,0-1,1% твердость стали в отожженном состоянии возрастает, а прочность уменьшается из-за наличия вторичного цементита, образующего сплошную сетку и вызывающего хрупкое преждевременное разрушение.

С увеличением содержания углерода меняется структура стали, увеличивается количество цементита и уменьшается количество феррита. Это приводит соответственно к изменению свойств стали.

Pиc. 8. Влияние углерода на механические свойства стали

 

Чем больше углерода в стали, тем выше твердость и прочность, но ниже пластичность (рис.8).

 

Механические свойства стали зависят также от формы и размеров феррито-цементитной смеси.

 

Чем дисперсней (тоньше) частички феррито-цементитной смеси, тем выше твердость и прочность стали.

Зернистая форма цементита по сравнению с пластинчатой при одинаковой твердости обладает более высокой пластичностью и ударной вязкостью.

 

С повышением содержания углерода в стали:

- снижается свариваемость, углерод способствует также образованию трещин и пор в процессе сварки в сварном шве,

 

- до некоторого содержания углерода (0,3-0,5%) улучшается обрабатываемость резанием.

 

Далее с повышением содержания углерода:

- ввиду высокой твердости стали, обрабатываемость резанием ухудшается;

 

- повышается порог хладноломкости стали;

 

- усиливается чувствительность стали к дисперсному старению и к старению после холодной пластической деформации;

 

- понижается устойчивость стали против коррозии в атмосферных условиях, в речной и морской воде.

 

Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии приведены в табл. 1.

 

 

Таблица 1

Механические свойства конструкционной качественной углеродистой стали в нормализованном состоянии (не менее)

Марка стали	Временное сопротивление разрыву	Предел текучести	Относительное удлинение	Относительное сужение	Ударная вязкость,
МПа	%	Нм/см2
08кп					-
					-
10кп					-
					-
15кп					-
					-
20кп					-
					-
				50
					-
					-
					-
					-
					-
					-
					-