Какие структуры имеют наибольшую и наименьшую твердость и прочность: Структуры сталей при различных температурах

Содержание

Структуры сталей при различных температурах

Стали, как указывалось выше, являются сплавами железа с углеродом.

Структуры углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода, а также структурные превращения, которые происходят в этих сталях при нагреве и медленном охлаждении, изучаются по диаграмме Fe—С.

На рисунке приведена часть
диаграммы Fe—С, характеризующая структуры сталей. Диаграмма дана в несколько упрощенном виде.

Прежде чем рассматривать структурные превращения в сталях, выясним, какие структуры в них встречаются при комнатных температурах и при нагреве.

Линии диаграммы определяют
температуры, при которых в сталях происходят какие-либо структурные, превращения.

Феррит

Феррит
— твердый раствор углерода в железе
а.
При комнатной температуре в феррите может растворяться не более чем 0,006% углерода.

Если содержание углерода встали больше чем 0,006%, то, кроме феррита, в структуре стали имеются другие структурные составляющие.

Феррит обладает небольшой прочностью и твердостью, но высокой пластичностью. Он имеет хорошие магнитные свойства.

Цементит

Цементит
— химическое соединение железа с углеродом, отвечающее формуле Fe3C. Содержание углерода в цементите составляет 6,67% и не изменяется во всем интервале температур, вплоть до температуры плавления.

Цементит является самой твердой структурной составляющей стали. Он имеет высокую прочность, но чрезвычайно
хрупок.

Перлит

Перлит
— механическая смесь феррита и цементита (после травления эта структура имеет перламутровый отлив).

Перлит бывает пластинчатым (цементит в виде пластинок) и зернистым (цементит в виде зернышек). Твердость перлита выше, чем у феррита, но меньше, чем у цементита.

Аустенит

Аустенит
(название дано в честь английского металловеда Аустена) — твердый раствор углерода в железе γ (модификация железа с гранецентрированной кристаллической решеткой). Максимальная растворимость углерода в железе γ составляет 2% при температуре 1130°.

Аустенит имеет невысокую твердость, обладает достаточно высокой прочностью наряду с хорошей пластичностью, большой стойкостью против коррозии, высоким электросопротивлением. Он немагнитен.

Диаграмма железоуглеродистых сплавов

Вернемся к вышеприведенной диаграмме, так линия
АС
показывает, при каких температурах при охлаждении начнется процесс кристаллизации в стали. Линия АЕ показывает, при каких температурах кристаллизация закончится, т.е. сплав
затвердеет.

Из диаграммы видно, что чистое железо кристаллизуется при постоянной температуре (1539°).

Сталь с содержанием С=0,8% кристаллизуется не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур. Точка 1 определяет температуру начала кристаллизации, точка2
— температуру конца кристаллизации стали с содержанием С = 0,8%.

Таким образом, при температурах ниже линии АЕ сталь будет находиться в твердом состоянии и структура стали будет аустенит. При этом весь углерод, который в стали имеется, будет растворен в аустените.

Структура аустенита сохранится в стали и при последующем охлаждении до температур, определяемых линиямиGS
иSE.

§

Тест с ответами по металловедению – пройти тест онлайн бесплатно

    Авторам

    8-800-333-85-44

    Оформить заявку

    Вход

    • Справочник
    • Онлайн-калькуляторы
    • Тесты с ответами

    Выполним любые типы работ

    • Курсовые работы
    • Рефераты
    • Контрольные работы
    • Отчет по практике
    • Эссе

    Узнай бесплатно стоимость работы

    Машиностроение и материалообработка

    Машиностроение и материалообработка

    Машиностроение и материалообработка

    Машиностроение и материалообработка

    • Контрольная работа

      от 1 дня
      /

      от 100 руб

    • Курсовая работа

      от 5 дней
      /

      от 1800 руб

    • Реферат

      от 1 дня
      /

      от 700 руб

    • Онлайн-помощь

      от 1 дня
      /

      от 300 руб

    Оставляй заявку — и мы пройдем все тесты за тебя!

    Прокаливаемость стали — в лупе

    Многие типы стали хорошо реагируют на метод термической обработки, известный как закалка. Одним из важнейших критериев при выборе материала заготовки является прокаливаемость. Прокаливаемость описывает, насколько глубоко металл может быть закален при закалке от высокой температуры, и также может называться глубиной закалки.

    Сталь в микроскопическом масштабе:

    Первый уровень классификации сталей на микроскопическом уровне — это их кристаллическая структура, способ расположения атомов в пространстве. Объемно-центрированные кубические (BCC) и гранецентрированные кубические (FCC) конфигурации являются примерами металлических кристаллических структур. Примеры кристаллических структур ОЦК и ГЦК можно увидеть ниже на рисунке 1. Имейте в виду, что изображения на рисунке 1 предназначены для отображения положения атомов и что расстояние между атомами преувеличено.

    Рисунок 1: Пример кристаллической структуры ОЦК (слева) и кристаллической структуры ГЦК (справа)

    Следующий уровень классификации — фаза. Фаза представляет собой однородную часть материала.
    с такими же физическими и химическими свойствами. Сталь имеет 3 различных
    фазы:

    1. Аустенит: гранецентрированное кубическое железо; также
      сплавы железа и стали, имеющие кристаллическую структуру ГЦК.
    2. Феррит: объемно-центрированное кубическое железо и
      стальные сплавы, имеющие кристаллическую структуру ОЦК.
    3. Цементит: карбид железа (Fe 3 C)

    Последний уровень классификации, обсуждаемый в этой статье
    является микроструктурой. Три фазы, показанные выше, могут быть объединены для формирования
    Различная микроструктура стали. Примеры этих микроструктур и их
    общие механические свойства приведены ниже:

    • Мартенсит: самый твердый и прочный
      микроструктура, но самая хрупкая
    • Перлит: твердый, прочный и пластичный, но
      не особо жесткий
    • Бейнит: обладает желаемой прочностью-пластичностью

    Упрочнение в микроскопическом масштабе:

    Прокаливаемость стали зависит от содержания углерода
    содержание материала, других легирующих элементов и размер зерна
    аустенит. Аустенит представляет собой железо в гамма-фазе, и при высоких температурах его атомарная
    структура претерпевает переход от конфигурации ОЦК к конфигурации ГЦК.

    Высокая прокаливаемость относится к способности сплава образовывать высокий процент мартенсита по всей массе материала при закалке. Закаленные стали создаются путем быстрой закалки материала от высокой температуры. Это включает в себя быстрый переход от состояния 100% аустенита к высокому проценту мартенсита. Если сталь содержит более 0,15 % углерода, мартенсит принимает сильно напряженную объемно-центрированную кубическую форму и становится пересыщенным углеродом. Углерод эффективно закрывает большинство плоскостей скольжения внутри микроструктуры, создавая очень твердый и хрупкий материал. Если скорость закалки недостаточно высока, углерод будет диффундировать из аустенитной фазы. Затем сталь становится перлитом, бейнитом или, если ее достаточно долго держать в горячем состоянии, ферритом. Ни одна из только что указанных микроструктур не имеет такой же прочности, как мартенсит после отпуска, и обычно рассматривается как неблагоприятная для большинства применений.

    Успешная термическая обработка стали зависит от трех факторов:

    1. Размер и форма образца
    2. Состав стали
    3. Способ закалки

    1. Размер и форма образца

    Во время процесса закалки тепло должно передаваться поверхности образца, прежде чем оно может быть рассеяно в закалочной среде. Следовательно, скорость охлаждения внутренней части образца зависит от отношения площади его поверхности к объему. Чем больше это отношение, тем быстрее будет охлаждаться образец и, следовательно, тем глубже будет эффект упрочнения. Например, 3-дюймовый цилиндрический стержень диаметром 1 дюйм будет иметь более высокую прокаливаемость, чем 3-дюймовый стержень диаметром 1,5 дюйма. Из-за этого эффекта детали с большим количеством углов и кромок лучше поддаются закалке, чем детали правильной и закругленной формы. Рисунок 2 представляет собой примерную диаграмму преобразования время-температура (ТТТ) кривых охлаждения закаленного в масле 9стержень 5 мм. Поверхность превратится в 100% мартенсит, в то время как сердцевина будет содержать некоторое количество бейнита и, следовательно, будет иметь более низкую твердость.

    Рисунок 2: Диаграмма температурно-временной трансформации (ТТТ), также известная как диаграмма изотермической трансформации

    2. Состав стали

    Важно помнить, что разные сплавы стали
    содержат разный элементный состав. Отношение этих элементов относительно
    количество железа в стали дает широкий спектр механических
    характеристики. Увеличение содержания углерода делает сталь более твердой и прочной, но
    менее пластичный. Преобладающим легирующим элементом нержавеющих сталей является хром,
    что придает металлу высокую устойчивость к коррозии. Поскольку у людей
    возился с составом стали более тысячелетия, число
    комбинаций бесконечно.

    Потому что есть так много комбинаций, которые дают так много
    различные механические свойства, стандартизированные тесты используются, чтобы помочь классифицировать
    разные виды стали. Обычным тестом на прокаливаемость является тест Джомини,
    показано на рисунке 3 ниже. Во время этого теста стандартный блок материала
    нагревают до 100% аустенита. Затем блок быстро перемещается в
    аппарат, где происходит закалка водой. Поверхность или участок, контактирующий с
    вода немедленно охлаждается, и скорость охлаждения падает в зависимости от
    расстояние от поверхности. Затем на блок шлифуют плоскость по всей длине.
    образца. Вдоль этой плоскости измеряется твердость в различных точках. Этот
    затем данные наносятся на диаграмму прокаливаемости с твердостью по оси Y и
    расстояние по оси x.

    Рис. 3: Схема образца для конечной закалки Джомини, установленного во время закалки (слева) и после испытания на твердость (справа)

    Кривые прокаливаемости построены по результатам испытаний Джомини. Примеры нескольких кривых сплава стали показаны на рис. 4. При уменьшении скорости охлаждения (более резкое падение твердости на коротком расстоянии) предоставляется больше времени для диффузии углерода и образования большей доли более мягкого перлита. Это означает меньшее количество мартенсита и более низкую прокаливаемость. Материал, который сохраняет более высокие значения твердости на относительно больших расстояниях, считается хорошо упрочняемым. Кроме того, чем больше разница в твердости между двумя концами, тем ниже прокаливаемость. Для кривых прокаливаемости характерно, что по мере удаления от закаленного конца скорость охлаждения уменьшается. Сталь 1040 изначально имеет такую ​​же твердость, как и 4140, и 4340, но очень быстро остывает по длине образца. Стали 4140 и 4340 остывают более постепенно и, следовательно, имеют более высокую прокаливаемость. 4340 имеет менее экстремальную степень охлаждения по сравнению с 4140 и, таким образом, имеет самую высокую прокаливаемость из трех.

    Рисунок 4: Графики прокаливаемости для сталей 4140, 1040 и 4340

    Кривые прокаливаемости зависят от содержания углерода. Более высокий процент углерода, присутствующего в стали, увеличивает ее твердость. Следует отметить, что все три сплава на рис. 4 содержат одинаковое количество углерода (0,40% С). Углерод — не единственный легирующий элемент, который может влиять на прокаливаемость. Различия в характеристиках прокаливаемости этих трех сталей можно объяснить с точки зрения их легирующих элементов. В таблице 1 ниже показано сравнение содержания легирующих элементов в каждой из сталей. 1040 представляет собой простую углеродистую сталь и, следовательно, имеет самую низкую прокаливаемость, поскольку в ней нет других элементов, кроме железа, которые блокируют выход атомов углерода из матрицы. Никель, добавленный в 4340, позволяет формировать немного большее количество мартенсита по сравнению с 4140, что придает ему самую высокую прокаливаемость из этих трех сплавов. Большинство металлических легирующих элементов замедляют образование перлита, феррита и бейнита, поэтому повышают прокаливаемость стали.

    Таблица
    1: Показывает содержание легирующих элементов 4340, 4140 и 1040.
    Сталь

    %

    %

    9007 %

    %

    9.

    %

    %

    9.

    %

    %

    9.

    %

    %

    9.

    .

    %

    9.

    . %

    Тип стали: Никель (WT %): Molybdenum (WT %): Хром (WT %):
    4340
    4340
    4340
    4140 0,00% 0,20% 1,00%
    1040 0,00% 0,00% 0,00% .0068

    Могут быть различия в прокаливаемости в пределах одного
    материальная группа. При промышленном производстве стали всегда
    незначительные неизбежные отклонения в элементном составе и средней зернистости
    размера от одной партии к другой. В большинстве случаев прокаливаемость материала
    представлены максимальными и минимальными кривыми, установленными в качестве пределов.

    Прокаливаемость также увеличивается с увеличением размера аустенитного зерна. Зерно – это отдельный кристалл в поликристаллическом металле. Подумайте о витражном окне (таком, как показано ниже), цветное стекло будет зернами, а припой, удерживающий его, будет границами зерен. Аустенит, феррит и цементит — это разные типы зерен, которые составляют разные микроструктуры стали. Именно на границах зерен образуются перлит и бейнит. Это вредно для процесса закалки, поскольку желаемой микроструктурой является мартенсит, а другие типы мешают его росту. Мартенсит образуется при быстром охлаждении аустенитных зерен, и процесс его превращения еще недостаточно изучен. С увеличением размера зерна становится больше аустенитных зерен и меньше границ зерен. Следовательно, меньше возможностей для образования микроструктур, таких как перлит и бейнит, и больше возможностей для образования мартенсита.

    Рисунок 5: Цветные кусочки стекла представляют собой зерна аустенита, который при закалке превращается в желаемый мартенсит. Черные участки между цветными участками представляют собой границы зерен. Участки, где при закалке образуется перлит или бейнит.

    3. Способ закалки

    Как было сказано ранее, тип закалки влияет на охлаждение
    оценивать. Использование масла, воды, водной полимерной закалки или воздуха дает
    различной твердости внутри заготовки. Это также смещает
    кривые прокаливаемости. Вода производит наиболее сильное охлаждение, за которым следует масло и
    потом воздух. Водные полимерные реагенты обеспечивают скорость тушения между
    воды и масла и могут быть адаптированы к конкретным приложениям путем изменения
    концентрация и температура полимера. Степень возбуждения также влияет на
    скорость отвода тепла. Чем быстрее гасящая среда движется по
    образца, тем выше эффективность закалки. Масляные закалки обычно
    используется, когда закалка в воде может быть слишком жесткой для данного типа стали, так как она может треснуть
    или деформироваться при обработке.

    Рисунок 6: Закалка отливок в масляной ванне слесарем

    Обработка закаленных сталей

    Тип фрезы, которую следует выбрать для обработки инструментов, выбранных для обработки заготовки после закалки, зависит от нескольких различных переменных. Не считая геометрических требований, специфичных для применения, двумя наиболее важными переменными являются твердость материала и его прокаливаемость. В некоторых приложениях с относительно высокими напряжениями требуется, чтобы внутри заготовки было произведено не менее 80% мартенсита. Обычно для деталей с умеренным напряжением требуется только около 50% мартенсита по всей заготовке. При обработке закаленного металла с очень низкой прокаливаемостью цельный твердосплавный инструмент со стандартным покрытием может работать без проблем. Это связано с тем, что самая твердая часть заготовки ограничена ее поверхностью. При обработке стали с высокой прокаливаемостью рекомендуется использовать фрезу со специальной геометрией, предназначенной для конкретного применения. Высокая прокаливаемость приводит к тому, что заготовка становится твердой по всему объему. В каталоге Harvey Tool представлен ряд различных фрез для закаленной стали, включая сверла, концевые фрезы, фрезы для шпонок и граверы.

    Предложение Shop Harvey Tool по концевым фрезам для закаленных сталей в полном ассортименте

    Закаленная сталь, сводная информация

    Прокаливаемость — это мера глубины, на которую сплав черных металлов может быть закален путем образования мартенсита по всему его объему, поверхности к ядру. Это важное свойство материала, которое необходимо учитывать при выборе стали, а также режущих инструментов для конкретного применения. Упрочнение любой стали зависит от размера и формы детали, молекулярного состава стали и типа используемого метода закалки.

    Роберт Кивер (инженер по разработке продуктов)

    В качестве члена группы разработки новых продуктов Harvey Performance Company Роберт выработал стратегию внедрения новых продуктов в каждый новый каталог, выпущенный коллекцией брендов Harvey Performance Company.

    Углеродистая сталь: свойства, примеры и применение

    Углеродистая сталь представляет собой сплав железа с углеродом, который содержит до 2,1 мас.% углерода. Для углеродистых сталей не установлено минимальное содержание других легирующих элементов, однако они часто содержат марганец. Максимальное содержание марганца, кремния и меди должно быть менее 1,65 мас.%, 0,6 мас.% и 0,6 мас.% соответственно.

    Типы углеродистой стали и их свойства

    Углеродистая сталь может быть разделена на три категории в зависимости от содержания углерода: низкоуглеродистая сталь (или низкоуглеродистая сталь), среднеуглеродистая сталь и высокоуглеродистая сталь [1]. Их содержание углерода, микроструктура и свойства сравниваются следующим образом:

     

    Содержание углерода (мас.%)

    Микроструктура

    Недвижимость

    Примеры

    Низкоуглеродистая стальная

    < 0,25

    Феррит, перлит

    Низкая твердость и низкая стоимость. Высокая пластичность, ударная вязкость, обрабатываемость и свариваемость

    АИСИ 304, АСТМ А815, АИСИ 316L

    Среднеуглеродистая стальная

    0,25 – 0,60

    Мартенсит

    Низкая прокаливаемость, средняя прочность, пластичность и ударная вязкость

    АИСИ 409, АСТМ А29, СКМ435

    Высокоуглеродистая сталь

    0,60 – 1,25

    Перлит

    Высокая твердость, прочность, низкая пластичность

    AISI 440C, EN 10088-3

    Низкоуглеродистая сталь

    Низкоуглеродистая сталь является наиболее широко используемой формой углеродистой стали. Эти стали обычно имеют содержание углерода менее 0,25 мас.%. Их нельзя упрочнить термической обработкой (с образованием мартенсита), поэтому это обычно достигается холодной обработкой.

    Углеродистые стали обычно относительно мягкие и имеют низкую прочность. Однако они обладают высокой пластичностью, что делает их отличными для механической обработки, сварки и низкой стоимости.

    Высокопрочные низколегированные стали (HSLA) также часто классифицируются как низкоуглеродистые стали, однако также содержат другие элементы, такие как медь, никель, ванадий и молибден. В совокупности они составляют до 10 мас.% содержания стали. Высокопрочные низколегированные стали, как следует из названия, обладают более высокой прочностью, что достигается термической обработкой. Они также сохраняют пластичность, что делает их легко формуемыми и обрабатываемыми. HSLA более устойчивы к коррозии, чем простые низкоуглеродистые стали.

    Среднеуглеродистая сталь

    Среднеуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,25–0,60 мас. % и содержание марганца 0,60–1,65 мас.%. Механические свойства этой стали улучшаются за счет термической обработки, включающей аутенитизацию с последующей закалкой и отпуском, придающей им мартенситную микроструктуру.

    Термическая обработка может выполняться только на очень тонких срезах, однако могут быть добавлены дополнительные легирующие элементы, такие как хром, молибден и никель, для улучшения способности стали к термообработке и, таким образом, к закалке.

    Закаленные стали со средним содержанием углерода обладают большей прочностью, чем стали с низким содержанием углерода, однако это достигается за счет пластичности и ударной вязкости.

    Высокоуглеродистая сталь

    Высокоуглеродистая сталь имеет содержание углерода 0,60–1,25 мас.% и содержание марганца 0,30–0,90 мас.%. Он имеет самую высокую твердость и ударную вязкость среди углеродистых сталей и самую низкую пластичность. Высокоуглеродистые стали очень износостойкие в результате того, что они почти всегда подвергаются закалке и отпуску.

    Инструментальные и штамповые стали представляют собой виды высокоуглеродистых сталей, которые содержат дополнительные легирующие элементы, включая хром, ванадий, молибден и вольфрам. Добавление этих элементов приводит к получению очень твердой износостойкой стали в результате образования карбидных соединений, таких как карбид вольфрама (WC).

    Производство и переработка

    Углеродистая сталь может производиться из переработанной стали, новой стали или их комбинации.

    Первичная сталь производится путем смешивания железной руды, кокса (полученного путем нагревания угля в отсутствие воздуха) и извести в доменной печи при температуре около 1650 °C. Расплавленное железо, извлеченное из железной руды, обогащается углеродом из горящего кокса. Оставшиеся примеси соединяются с известью, образуя шлак, который плавает поверх расплавленного металла, где его можно извлечь.

    Полученная расплавленная сталь содержит примерно 4 мас.% углерода. Это содержание углерода затем уменьшается до желаемого количества в процессе, называемом обезуглероживанием. Это достигается за счет пропускания кислорода через расплав, который окисляет углерод в стали с образованием монооксида углерода и диоксида углерода.

    Примеры и области применения

    Низкоуглеродистая сталь

    Низкоуглеродистые стали часто используются в компонентах автомобильных кузовов, конструктивных элементах (двутавровые балки, швеллеры и уголки), трубах, компонентах конструкций и мостов, а также пищевых банках.

    Среднеуглеродистая сталь

    Благодаря своей высокой прочности, износостойкости и ударной вязкости среднеуглеродистые стали часто используются для изготовления железнодорожных путей, колес поездов, коленчатых валов, зубчатых колес и деталей машин, требующих такого сочетания свойств.

    Высокоуглеродистая сталь

    Благодаря высокой износостойкости и твердости высокоуглеродистые стали используются в режущих инструментах, пружинах, высокопрочной проволоке и штампах.

    Сравнение свойств и областей применения различных марок

    Примеры, свойства и области применения различных углеродистых сталей сравниваются в следующей таблице.

    Тип

    Название AISI/ASTM

    Содержание углерода (мас.%)

    Прочность на растяжение (МПа)

    Предел текучести (МПа)

    Пластичность (% удлинения на 50 мм)

    Приложения

    Низкий

    1010

    0,10

    325

    180

    28

    Автомобильные панели, гвозди, проволока

    Низкий

    1020

    0,20

    380

    205

    25

    Трубы из конструкционной стали, листовой стали

    Низкий

    А36

    0,29

    400

    220

    23

    Структурный

    Низкий

    A516 Класс 70

    0,31

    485

    260

    21

    Сосуды под давлением низкотемпературные

    Средний

    1030

    0,27 – 0,34

    460

    325

    12

    Детали машин, шестерни, переключатели, оси, болты

    Средний

    1040

    0,37 – 0,44

    620

    415

    25

    Коленчатые валы, муфты, холоднокатаные детали.