Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

За способом роскислення розрізняють кип'ячі, напівспокійні і спокійні сталі.

За якістю розділяють сталі на звичайної якості і якісні. Сталі звичайної якості містять  не більше 0,05 % S і не більше 0,04 % Р. Якісні сталі містять не більше 0,04 % S (у випадку інструментальних сталей до 0,03 % S) і не більше 0,035 % Р, вони менш забруднені неметалічними включеннями і газами. В особливо відповідальних випадках ці сталі містять менш ніж 0,02 % S і 0,03 % Р.

Тому при  однаковому вмісті вуглецю якісні сталі мають більш високі пластичність і в'язкість, особливо при низьких температурах. Якісні сталі застосовують ширше для виготовлення виробів, що експлуатуються при низьких кліматичних температурах, зокрема в умовах Півночі.

Сталі звичайної  якості виготовляють згідно ГОСТ 380-88. Виплавлення їх проводиться у великих мартенівських печах і кисневих конверторах. Позначають їх буквами «Ст» і цифрами від 0 до 6, наприклад: Ст0, Ст1 — Ст6. Букви «Ст» позначають «Сталь», цифри — умовний номер марки сталі в залежності від її хімічного складу. В кінці позначення марки стоять букви «кп», «пс», «сп», які вказують на метод роскислення: «кп» — кипляча, «пс» — напівспокійна, «сп» — спокійна.

Хімічний склад  сталі повинен відповідати нормам, наведеними в табл. 3.

 

Таблиця 3

Хімічний склад вуглецевих сталей звичайної якості, ГОСТ 380-88

 

Чим більша цифра  умовного номера сталі, тим вище вміст  вуглецю. В сталях всіх марок крім Ст0, повинно бути не більше 0,05% S та 0,04% Р. Сталь марки Ст0 містить не більше 0,06 % S та 0,07 % Р.

Якісні вуглецеві  сталі виплавляються в електропечах, кисневих конверторах і мартенівських  печах відповідно ГОСТ 1050-88. Якісні сталі поставляють за хімічним складом  і за механічними властивостями (табл. 8). До них висувають більш  жорстокі вимоги по вмісту шкідливих домішок — не більше 0,04 % S та 0,035 % Р.

 

Таблиця 4

Склад і властивості деяких марок  якісних вуглецевих сталей, ГОСТ 1050-88

Якісні вуглецеві  сталі маркують двозначними цифрами 05, 10, 15—60, які вказують на середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка.

При позначенні киплячої або напівспокійної сталі  в кінці марки вказується ступінь  розкисленості буквами «кп», «пс». У випадку спокійної сталі  ступінь розкисленості не вказується.

За вмістом  вуглецю якісні вуглецеві сталі  поділяються на низьковуглецеві до 0,25 % С, середньовуглецеві 0,3—0,5 % С і високовуглецеві конструкційні до 0,65 % С.

Для виробів  відповідального призначення застосовують високоякісні сталі з більш низьким  вмістом сірки і фосфору. Низький  вміст шкідливих домішок

у високоякісних сталях не більше 0,02 % S та 0,03 % Р ускладнює їх виробництво і робить їх більш дорогими, тому високоякісними сталями виготовляють не вуглецеві, а леговані сталі. При позначенні високоякісних сталей в кінці марки добавляється буква «А», наприклад сталь У10А.

Вуглецеві сталі, що містять 0,7—1,3 % С, використовують для  виготовлення, ударного і ріжучого інструменту. їх маркують У7, У13, де «У»  означає вуглецеву сталь, а цифра  — вміст вуглецю в десятих  долях відсотка.

 

 

Класифікація і маркування легованих сталей

Для легованих  сталей використовують класифікацію за структурою в рівноважному стані, за структурою після охолодження на повітрі, за кількостю легуючих елементів і за призначенням.

За рівноважною  структурою сталі поділяються на доевтектоїдні із надлишковим феритом у структурі, евтектоїдні з перлітною структурою, заевтектоїдні з надлишковими карбідами, ледебуритні сталі, в структурі яких присутні первинні карбіди, що виділились з рідкого стану. Виділення карбідів обумовлене тим, що легуючі елементи зсувають вліво точки S і Е діаграми залізо-вуглець. Тому границя між перерахованими сталями проходить при меншому вмісті вуглецю в порівнянні із значеннями, вказаними на діаграмі Fe—Fe₃C.

Враховуючи, що деякі елементи різко звужують або  розширюють область γ-заліза, крім цих груп сталей розрізняють аустенітні і феритні сталі.

Вуглецеві сталі  бувають перших трьох класів, леговані — всіх шести класів.

За структурою після охолодження на повітрі  розрізняють перлітні сталі, що характеризуються низьким вмістом легуючих елементів і відповідно невисокою стабільністю переохолодженого аустеніту; мартенситні сталі зі середнім вмістом легуючих елементів і відповідно високою стабільністю аустеніту і аустенітні сталі, що містять велику кількість легуючих елементів і зберігають аустенітну структуру при кімнатній температурі.

За кількістю  легуючих елементів розрізняють  низьколеговані сталі, що містять до 2,5 % легуючих елементів, середньолеговані від 2,5 до 10 % і високолеговані сталі, які містять понад 10 % легуючих елементів.

За призначенням розрізняють три групи сталей: конструкційні (машинобудівні і  будівельні), інструментальні (штампові, для різального і вимірювального інструменту) і сталі з особливими фізичними і хімічними властивостями (корозійностійкі, жароміцні, електротехнічні, магнітні та ін.).

В Україні при  позначенні легованих сталей використовується система літер і цифр, певне  сполучення яких відповідає кожній марці  сталі.

Легуючі елементи позначають буквами алфавіту: X —  хром, Н — нікель, В — вольфрам, М — молібден, Ф — ванадій, Т — тітан, Ю — алюміній, Д — мідь, Г — марганець, С — кремній, К — кобальт, Ц — цирконій, Р — бор, Б — ніобій. Буква А в середині марки сталі показує вміст азоту, а в кінці марки — те, що сталь є високоякісною.

Для конструкційних марок сталей перші дві цифри показують вміст вуглецю в сотих долях відсотка. Якщо вміст легуючого елемента більше 1% після літери вказують його середнє значення в цілих відсотках. Якщо вміст легуючого елемента біля 1 %, або менше, то після відповідної літери цифру не ставлять.

Як основні  легуючі елементи в конструкційних сталях застосовують до 2 % Сг, 1—4 % Ni, до 2 % Мn, 0,6—1,2 % Si. Такі легуючі елементи, як Mo, W, V, Ті у більшості випадків вводять у сталь разом із Сг, Ni з метою додаткового покращення тих чи інших фізико-механічних властивостей. В конструкційних сталях ці елементи знаходяться в наступних кількостях: 0,2—0,4 % Мо; 0,5— 1,2 % W; 0,1-0,3 % V; 0,1-0,2 % Ті.

Наприклад, сталь 18ХГТ містить: 0,17—0,23 % С; 1,0—1,3 % Сг; 0,1—1,1 % Мn; біля 0,1 % Ті. Сталь 38ХНЗМФА — 0,3—0,4% С; 1,2—1,5% Сг; 3,0-3,5 % Ni; 0,35—0,45 % Мо; 0,1—0,18 % V; сталь 30ХГСА — 0,32—0,39 % С; 1,0—1,4 % Сг; 0,8—1,1 % Мп; 1,1—1,4 % Si.

У інструментальних сталях на початку позначення марки  сталі ставиться цифра, що показує  вміст вуглецю в десятих долях відсотка. Початкову цифру опускають, якщо вміст вуглецю біля 1 %.

Наприклад, сталь  ЗХ2В8Ф містить: 0,3—0,4 % С; 2,2—2,7 % Сг; 7,5—8,5 % W; 0,2—0,5% V; сталь 5ХНМ — 0,5—0,55% С; 0,5—0,8% Сг; 1,4—1,8% Ni; 0,19—0,30 % Mo; ХВГ — 0,9—1,05 % С; 0,9—1,2 % Сг; 1,2—1,6 % W; 0,8— 1,1 % Мп.

Для деяких груп сталей приймають додаткові позначення. Марки автоматних сталей починаються  з букви «А», підшипникових з  букви «Ш», швидкорізальних —  з букви «Р», електротехнічних —  з букви «З», магніто-твердих — з букви «Е».

При маркуванні електротехнічних сталей (1211, 1313 та ін.) перша цифра означає клас за структурним  станом і видом прокатування, друга  — вміст кремнію, третя — втрати на гістерезис, четверта — групу  за основною характеристикою, яка нормується. Разом три перші цифри означають тип сталі, а четверта — порядковий номер цього типу сталі.

Марки сталей для  будівельних конструкцій позначають — С235, С245, С255, С345, С590К та ін., де буква  «С» вказує на те, що сталь будівельна, цифри — границя текучості прокату, а буква «К» — варіант хімічного складу. Наявність у кінці позначення букви «Д» вказує на те, що сталь додатково легована 0,15— 0,30 % Си, наприклад, С345Д.

Для виготовлення рейок широкої колії типів  Р75, Р65, Р50 застосовують сталі марок  М76, М74, де буква «М» вказує на мартенівський спосіб виплавки, а цифри — середній вміст вуглецю у відсотках.

У кінці позначення марок особливо високоякісних сталей можуть стояти букви, що вказують на способи  її додаткового переплаву. Букви  «ВД» означають, що з метою покращення якості був проведений вакуумно-дуговий переплав, буква «Ш» — електрошлаковий, «ПД» — плазмодуговий, «ВЬ — вакуумно-індукційний.

Нестандартні  леговані сталі, що випускаються заводом  «Дніпроспецсталь», позначають буквами  «ДИ». У всіх випадках після сполучення букв ставиться порядковий номер сталі, наприклад, ДИ8. Після освоєння марки металургійними і машинобудівними заводами умовні позначення замінюють загальновизнаним маркуванням, яке відображає хімічний склад сталі.

Ливарні сталі  маркуються тією ж системою, букв і цифр, як і деформовані. Але в кінці марки додатково ставиться буква «Л», що означає ливарну сталь.

Жерсть у  залежності від призначення, якості поверхні і властивостей поділяється  на марки: ЧЖК, ЧЖР, ГЖГ, ГЖР, ЭЖК, ЭЖК-Д, ЭЖР-Д. Букви означають: «ЖК» — жерсть консервна, «ЖР» — жерсть різного призначення, крім тари для харчових продуктів, «Ч» — чорна, «Г» — гарячого покриття оловом, «Э» — електротехнічного покриття оловом, «Д» — жерсть із диференційованим покриттям.

 

 

 

6. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ МАТЕРІАЛІВ

 

Твердість – спроможність матеріалів чинити опір пластичній деформації або проникненню стороннього тіла.

Для кількісної оцінки твердості найчастіше застосовують статичне вдовбування за нормаллю до досліджуваної поверхні під заданим навантаженням дуже твердого наконечника - індентора. У цьому випадку число твердості характеризує опір матеріалів місцевій пластичній деформації, що виникає при вдовбуванні індентора.

Випробування на твердість відрізняються  простотою і високою продуктивністю. Можна вимірювати твердість готових виробів, у тому числі великогабаритних (за допомогою переносних приладів, що встановлюються на виріб). Тому вимірювання твердості виявляються найбільш поширені з усіх механічних випробувань, як у дослідженнях, так і в контролі якості продукції у виробничих умовах.

1. Визначення твердості за Бринеллем

Кулька із загартованої сталі діаметром D вдовбується у зразок (виріб) під дією навантаження Р, після зняття якого вимірюють діаметр відбитка d (рис.1).

 

а

 

б

Рис. 1. Схема випробування твердості  за методом Бринелля:

а - схема отримання відбитка; б - вимірювання відбитка за шкалою мікроскопа

 

Для визначення твердості застосовують важільні (рис. 2) та гідравлічні преси. Зразок, встановлений на столику 1 за допомогою гвинта 9, притискують до кульки 2 таким чином, щоб стиснути пружину 3. Потім електродвигун приводить у рух ексцентрик 7, при обертанні якого шатун 6 опускається і вантажі 8 створюють тиск через систему важелів 4 і 5. Ексцентрик, обертаючись, піднімає шатун і таким чином знімається тиск вантажів зі зразка. Якщо шатун знаходиться у верхньому положенні, електродвигун автоматично вимикається.

 

Рис. 2. Схема преса Бринелля

 

Усі числа твердості позначають літерою Н (від англ. Hardness - твердість). Число твердості за Бринеллем (I.A. Brinell (1849-1925) - шведський металург) НВ дорівнює відношенню навантаження Р (кгс) до площі кульової поверхні відбитка F (мм²):

     

    (1)

Звідси випливає, що твердість за Бринеллем має розмірність напруги кгс/мм².  З метою наступності ця розмірність не замінена на МПа, як вимагає сучасна система міжнародних одиниць (СІ), тим більше, що поряд з числом твердості розмірність не вказують.

За методом Бринелля можна випробувати  матеріали з твердістю не більше 450НВ, тому що при більшій твердості матеріалу кулька із загартованої сталі деформується.

Діаметр кульки, навантаження та тривалість витримки вибирають залежно від  матеріалу й товщини зразка (табл. 1)

Таблиця 1

Вибір параметрів випробування при визначенні твердості за методом Бринелля

Матеріал	Інтервал  твердості у числах Бринелля	Мінімальна  товщина дослідного зразка, мм	Співвідношення  між навантаженням Р і діаметром кульки	Діаметр кульки D, мм	Наван-таження  Р, кгс	Ви-тримка під наван-тажен-ням, с
Чорні метали	140-150	від 6 до 3	P = 30D2	10,0	3000	10
		від 4 до 2		5,0	750
		< 2		2,5	187,5
	< 140	> 6	P = 10D2	10,0	1000	10
		від 6 до 3		5,0	250
		< 3		2,5	62,5
Кольорові метали на основі міді	> 130	від 6 до 3	P = 30D2	10,0	3000	30
		від 4 до 2		5,0	750
		> 2		2,5	187,5
	35-130	від 9 до 3	P = 10D2	10,0	1000	30
		від 6 до 3		5,0	250
		< 3		2,5	62,5
Кольорові метали на основі алюмінію і пластмаси	8-35	> 6	P = 2,5D2	10,0	250	60
		від 6 до 3		5,0	62,5
		< 3		2,5	15,6