Механические свойства сталей и чугунов
Обновлено: 16.05.2024
Обрабатываемость металлов резанием характеризуется их механическими свойствами :
1. твердостью ,
Твердость - способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Наиболее распространены два способа определения твердости: Бринелля и Роквелла.
Твердость по Бринеллю устанавливается вдавливанием в испытуемый металл стального закаленного шарика под определенной нагрузкой. Полученную этим способом твердость обозначают буквами HB и определяют делением нагрузки на площадь сферического отпечатка. Прибор Бринелля применяется для определения твердости сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются.
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием в подготовленную ровную поверхность алмазного конуса или закаленного шарика. Значение твердости выражается в условных единицах и отсчитывается по черной или красной индикаторным шкалам прибора. Для очень твердых металлов незначительной толщины применяют алмазный конус с нагрузкой 588 Н, а значение твердости определяют по черной шкале и обозначают HRA.
Твердость закаленных сталей определяют, вдавливая алмазный конус при нагрузке 1470 Н, по черной шкале и обозначают HRCэ.
Испытание твердости шариком с нагрузкой 980 Н на приборе Роквелла предусмотрено для мягких незакаленных металлов. В этом случае отсчет показаний ведут по красной шкале, а твердость обозначают HRB.
2. прочностью ,
Прочность - способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление) и обозначают Σв (сигма).
3. пластичностью .
Пластичность - способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.
При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением Δ (дельта), которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.
Механические свойства ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ
Железоуглеродистые сплавы с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и некоторых других элементов принято называть черными металлами .
В зависимости от содержания углерода они делятся на две группы:
1. чугуны
Чугун - сплав железа с углеродом, содержащий свыше 2,3% углерода (практически от 2,5 до 4,5%). Углерод в нем может находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа (цементита) и в свободном состоянии - в виде графита. В соответствии с этим чугуны делятся на белые - передельные и серые - литейные.
В белом чугуне почти весь углерод находится в состоянии карбида железа (Fe3C), обладающего высокой твердостью. Такие чугуны имеют мелкозернистое строение с серебристо-белой поверхностью в изломе, высокую твердость, трудно поддаются обработке резанием, плохо заполняют форму и поэтому используются в основном для выплавки сталей.
В сером чугуне большая часть углерода находится в свободном состоянии в виде мелких пластинок графита. Последние, разделяя структуру чугуна и действуя как надрезы, значительно уменьшают его прочность и увеличивают его хрупкость. Такие чугуны имеют в изломе серый цвет, обладают хорошими литейными свойствами, почти не дают усадку в отливках и сравнительно легко обрабатываются резанием. Однако, имея в своем составе твердые зерна цементита, серые чугуны значительно ускоряют изнашивание инструмента, что не позволяет обрабатывать их с высокими скоростями резания.
Марки серого чугуна обозначаются буквами СЧ и числами, соответствующими его пределу прочности при растяжении в кгс/мм2.
В промышленности также применяются отливки из высокопрочных и ковких чугунов.
Высокопрочный чугун получают прибавлением к расплавленному чугуну присадок магния и ферросилиция, благодаря чему выделяющийся углерод приобретает шаровидную форму. Такой чугун обладает повышенной прочностью и пластичностью. Его применяют для деталей, работающих при значительных механических нагрузках.
В ковком чугуне графит имеет хлопьевидную форму. Этот чугун получают длительным отжигом отливок из белого чугуна. Такие чугуны обладают повышенной прочностью и пластичностью и по своим свойствам занимают промежуточное положение между серым чугуном и сталью.
Высокопрочные и ковкие чугуны маркируются буквами и цифрами: ВЧ - высокопрочный чугун, КЧ - ковкий чугун; первые две цифры - предел прочности при растяжении в кгс/мм2 (1кгс/мм2 = 9,608МПа ? 10МПа).
Сера и фосфор - вредные примеси. Сера придает хрупкость чугуну, делает его густотекучим и пузырчатым. Фосфор увеличивает хрупкость чугуна, но делает его жидкотекучим.
2. стали
Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,8% углерода.
Стали относятся к пластичным металлам, которым деформированием можно придать необходимую форму. По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; по назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные, особого назначения (нержавеющие, жаропрочные и др.).
*Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенного качества, качественные и автоматные. Стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и цифрами о 0 до 7. Качественные конструкционные стали имеют меньше посторонних примесей. Качественные конструкционные стали маркируются цифрами 08, 10, 15, 20 и так далее до 60, указывающие содержание углерода в сотых долях процента.
Выпускаются две группы таких сталей:
I - с нормальным содержанием марганца,
II - с повышенным содержанием марганца. Последние в конце маркировки имеют букву Г - марганец. Качественные стали группы II обладают повышенной прочностью и упругостью.
*Легированные конструкционные стали, кроме обычного состава, содержат хром, ванадий, вольфрам, никель, алюминий и другие лигирующие элементы. Эти элементы придают стали определенные свойства:
прочность,
твердость,
прокаливаемость,
износостойкость и т.д.
Марки легированных сталей обозначают буквами и цифрами .
Первые две цифры указывает среднее содержание углерода в сотых долях процента; затем следуют цифры, обозначающие легирующий элемент; цифры после букв - примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если содержание элемента близко к 1%, цифра после буквы не ставится.
В маркировке приняты следующие буквенные обозначения элементов:
Г - марганец, С - кремний, Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам, Ф - ванадий, К - кобальт, Ю - алюминий, Т - титан, Д - медь.
Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная .
*Инструментальные стали делятся на углеродистые, легированные и быстрорежущие.
Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%, обладают высокой прочностью, твердостью в закаленном состоянии 63-65 HRCэ и теплостойкостью до 200-250 градусов С.
Инструментальные углеродистые стали делятся на качественные и высококачественные. Последние содержат меньше серы, фосфора и остаточных примесей. Марки инструментальных углеродистых сталей обозначают буквой У - углеродистая, а цифры после нее указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента. У высококачественных инструментальных углеродистых сталей в конце маркировки указывается буква А .
Углерод существенно влияет на свойства стали. С повышением его содержания твердость, износостойкость и хрупкость стали увеличиваются, но вместе с тем ухудшается его обработка резанием.
Легированную инструментальную сталь получают введением в высокоуглеродистую сталь хрома, вольфрама, ванадия и других элементов, которые повышают ее режущие свойства. Благодаря легирующим элементам эта сталь приобретает повышенную вязкость и износостойкость в закаленном состоянии, меньшую склонность к деформациям и трещинам при закалке, более высокую теплостойкость (до 300-350 градусов С) и твердость в состоянии поставки. Легированные инструментальные стали маркируются аналогично конструкционным с той лишь разницей, что первая цифра в начале марки стали означает содержание углерода в десятых долях процента.
Быстрорежущие стали представляют собой легированные инструментальные стали с высоким содержанием вольфрама (до 18%). После термообработки (закалки и многократного отпуска) они приобретают высокую красностойкость до 600 градусов С, твердость 63-66 HRCэ и износостойкость.
Быстрорежущие стали маркируются буквами и цифрами . Первая буква Р означает, что сталь быстрорежущая. Цифры после нее указывают среднее содержание вольфрама в процентах. Остальные буквы и цифры означают то же, что и в марках легированных сталей.
Быстрорежущие стали, легированные ванадием и кобальтом, имеют повышенные режущие свойства. Они предусмотрены для труднообрабатываемых сталей и сплавов высокой прочности и вязкости.
Сравнение свойств чугуна и стали
Чёрная металлургия - основа развития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукции химической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов, чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве.
Современная чёрная металлургия имеет высокий технический потенциал. Значительный прогресс достигнут в технологии производства в отдельных подотраслях и переделах чёрной металлургии. Так, добыча железной руды в основном ведётся прогрессивным открытым способом; в коксовом производстве внедрены бездымная загрузка шихты и сухое тушение кокса; в доменном производстве в печах с повышенным давлением газа под колошником выплавляется 97%, а с вдуванием природного газа - 84% всего чугуна; в сталеплавильном производстве растет выплавка стали в кислородных конвертерах и электропечах, внедрены внепечная обработка стали под вакуумом, синтетическими шлаками, инертными газами, переплавные процессы; увеличивается доля непрерывной разливки стали; в прокатном производстве эффективно применяются термическая обработка металлопродукции, средства неразрушающего автоматического контроля; в трубном - совершенствуется технология производства сварных труб большого диаметра, бесшовных труб; в метизном производстве внедряются автоматизированное поточные линии. Осуществляется разработка промышленных способов прямого получения железа. Ведутся работы по созданию автоматизированной системы управления чёрной металлургии.
Цель данной работы - сравнить по свойствам два продукта черной металлургии: чугун и сталь, столь важные для человечества.
1. Изучить характеристику материалов.
2. Разобрать и сравнить физико-химические, механические и специфические свойства чугуна и стали.
3. Сделать вывод.
При написании данной работы использовалась учебная и методическая литература.
Характеристика материалов
Чугун
Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом (обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S). Широко применяемые марки чугунов обычно содержат 2,5-4% углерода, 1-5% кремния, до 2% марганца, а также примеси фосфора и серы. В состав специальных чугунов входят легирующие добавки: ванадий, молибден, никель, титан, хром и др. Температура плавления чугунов зависит от их химического состава и примерно составляет 1200-1250 о С.
Виды: белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый чугуны.
Структура чугуна зависит от скорости охлаждения и содержания в нём углерода и легирующих примесей. По структуре чугуны разделяют на белые и серые.
Белый чугун получил своё название от вида излома, который имеет белый или светло-серый цвет. Углерод в нём находится в химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Цементит хрупок и обладает высокой твёрдостью, поэтому белый чугун не поддаётся механической обработке, для изготовления изделий применяется редко и сварке не подлежит.
Из белого чугуна путём специальной термической обработки (длительная выдержка при температуре 1000 о С) получают ковкий чугун. По механическим свойствам он пластичнее белого чугуна. Название "ковкий" это условное название, чугуны не используют в виде поковок, они практически не куются.
Высокопрочные чугуны получают добавлением в сплав некоторых легирующих элементов (магния, церия и др.). Серый чугун содержит в своём составе почти весь углерод в виде графита, поэтому излом его имеет серебристо-серый цвет. Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, поэтому он широко применяется как конструкционный материал. Серый чугун дешевле стали, отличается хорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, способностью гасить вибрации, хорошей обрабатываемостью. Отрицательными его свойствами являются пониженная прочность и высокая хрупкость.
Историческая справка.Первые сведения о чугуне относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железных руд получали чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которого отливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 вв. до нашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первых доменных печей (штюкофенов) для выплавки чугуна из руд. Полученный чугун использовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления различных строительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производство чугуна началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре I Россия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейских стран. Появление во 2-й пол.18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться от доменных, т.е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства (при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкого чугуна. Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна, что дало возможность существенно повысить его свойства и получать специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицирования чугуна. В конце 40-х гг. был получен модифицированный чугун с включениями графита шаровидной формы вместо обычной пластинчатой. В 60-х гг. в электрических печах начали получать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический чугун с высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита.
Маркировка.Чугун маркируют по буквенно-цифровой системе: первые буквы (С, К и В) обозначают серый, ковкий и высокопрочный чугун соответственно; вторая буква (Ч) обозначает чугун. В сером чугуне две цифры указывают на временное сопротивление. Например, в марке СЧ10 буквы СЧ обозначают серый чугун, 10 - временное сопротивление. В обозначениях ковкого и высокопрочного чугунов после буквенной маркировки (КЧ и ВЧ) первые две цифры также обозначают временное сопротивление, а вторые две - относительное удлинение, например КЧ 35-10 (ковкий чугун с временным сопротивлением не менее 350 МПа и относительным удлинением не менее 10%).
В промышленности разновидности чугуна маркируются следующим образом:
· передельный чугун - П1, П2;
· передельный чугун для отливок - ПЛ1, ПЛ2,передельный фосфористый чугун - ПФ1, ПФ2, ПФ3,передельный высококачественный чугун - ПВК1, ПВК2, ПВК3;
· чугун с пластинчатым графитом - СЧ (цифры после букв "СЧ", обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
o антифрикционный серый - АЧС,
o антифрикционный высокопрочный - АЧВ,
o антифрикционный ковкий - АЧК;
· чугун с шаровидным графитом для отливок - ВЧ (цифры после букв "ВЧ" означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительное удлиненние (%);
· чугун легированный со специальными свойствами - Ч.
Сталь
Сталь (польск. stal, от нем. Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами. Сталь - важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степени характеризуют технико-экономический уровень развития государства.
Историческая справка.Сталь как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю. Наиболее древний способ получения стали в тестообразном состоянии - сыродутный процесс, в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах (позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой стали древние мастера применяли тигельную плавку - расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях. Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогим и малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность - дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностью вытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинировании предварительно полученного чугуна в кричном горне. В конце 18 в. начало применяться пудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом был чугун, а продуктом - тестообразный металл (крица) качество металла при этом было выше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингование сыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребности общества в стали не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровского процесса и мартеновского процесса, а затем и томасовского процесса стало возможным массовое производство литой стали. В конце 19 в. начала применяться выплавка стали в электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способов производства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около 80% выплавляемой в мире стали. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс, причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способами массового производства стали развиваются более дорогие и менее производительные способы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговая плавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка.
Стали делятся на конструкционные и инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода - на малоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3-0,55%) и высокоуглеродистые (0,6-0,85%); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
Маркировка сталей.Единой мировой системы маркировки стали не существует. В СССР проведена большая работа по унификации обозначений различных марок стали, что нашло отражение в государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественные углеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание стали в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную сталь иногда дополнительно обозначают буквами сп, полуспокойную - пс, кипящую - кп (например, СтЗсп, Ст5пс, 08кп). Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г, 18Г). Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальные стали - буквой У (У8, У10, У12 и т.д. - здесь цифры означают содержание углерода в десятых долях процента).
Обозначение марки легированной стали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр, характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначения химического состава стали: алюминий - Ю, бор - Р, ванадий - Ф, вольфрам - В, кобальт - К, кремний - С, марганец - Г, медь - Д, молибден - М, никель - Н, ниобий - Б, титан - Т, углерод - У, фосфор - П, хром - Х, цирконий - Ц. Первые цифры марки обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой, - его среднее содержание. Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3% углерода и 13% Cr, стали марки 2X17H2 - 0,2% углерода, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХН3А содержит менее 1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной, буква Ш - особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 - шарикоподшипниковая сталь с 0,9-1,2% Cr; Э3 - электротехническая сталь с 3% Si). Стали, проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод "Электросталь"), ДИ (завод "Днепроспецсталь") или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268).
Сравнение основных свойств сталей и чугунов.
Большинство технологических операций (термическая обработка, обработка давлением и др.) проводят при нахождении железоуглеродистых сплавов в твердом состоянии. Особое значение приобретают фазовые превращения, которые происходят в сталях в твёрдом состоянии, позволяющие получать стали на основе ферритной, аустенитной, перлитной и других видов структур.
Рассмотрим превращения, протекающие в сталях при охлаждении из однофазной аустенитной области (рис. 2.3). Сплавы железа с углеродом, содержащие до 0,02% C (точка P диаграммы), называют техническим железом. Если углерода в железоуглеродистом сплаве содержится меньше 0,0002 % (сплав I, рис. 2.3, а), то при охлаждении от температуры точки 1 до температуры точки 2 происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до температуры 20-25°С.
Рис. 2.3.Часть диаграммы состояния Fe — Fe3C для сплавов, не испытывающих (а) и испытывающих (б) эвтектоидное превращение.
При содержании углерода в техническом железе больше 0,0002%, как в сплаве II, после образования феррита, начиная с температуры точки 5, происходит выделение из феррита кристаллов третичного цементита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите (см. линию PQ, рис. 2.3, а). Конечная структура охлаждённого сплава будет двухфазной и образована зёрнами феррита и третичного цементита. Зёрна цементита располагаются в виде прослоек по границам ферритных зерен (рис. 2.4, б). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность сплавов.
При температуре 20 – 25 °C третичный цементит имеется во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более 0,0002% C. Однако роль третичного цементита в формировании свойств невелика, так как его содержание мало по сравнению с цементитом, выделившимся при других фазовых превращениях. Обычно при рассмотрении структуры сплавов с содержанием углерода более 0,02 % о третичном цементите не упоминают.
Рис. 2.4. Микроструктура (рисунок с фотографии) технического железа с содержанием углерода:
а - 0,006% C присутствуют зёрна только технического железа (1); б – 0,01% C по границам зёрен технического железа имеются зёрна третичного цементита (2).
Рис. 2.5. Фотографии (слева) и рисунки (справа) микроструктур сталей: а, б – феррито-перлитного типа с увеличение содержания перлита; в – перлит; г – перлит с выделением вторичного цементита (светлая сетка).
Количественное соотношение между структурными составляющими (феррит и перлит) в доэвтектоидных сталях определяется содержанием углерода. Чем ближе содержание углерода к эвтектоидной концентрации, тем больше в структуре перлита. Следовательно, зная содержание углерода в доэвтектоидной стали, можно заранее предвидеть ее зёренную структуру в стабильном состоянии (рис. 2.5).
Сплав II (см. рис. 2.3, б) с содержанием 0,8 % C называется эвтектоидной сталью. В ней при температуре линии PSK происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит с содержанием 0,02% C и цементит. Такую смесь двух фаз называют перлитом (рис. 2.5, б). Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре и составе фаз, так как в процессе одновременно участвуют три фазы, и число степеней свободы равно нулю. Сплав I (см. рис. 2.3, б) с содержанием углерода менее 0,8 % называют доэвтектоидной сталью. Эвтектоидному превращению в таких сталях предшествует частичное превращение аустенита в феррит в интервале температур точек 1 – 2. При температуре точки b фазовый состав сплава Ас + Фа. Количественное соотношение аустенита и феррита соответственно определяется отношением отрезков ab и bc.
При температуре точки 2 сплав имеет фазовый состав As + Фр с количественным соотношением фаз соответственно Р2 и 2S. В результате эвтектоидного превращения аустенит переходит в перлит, который вместе с выделившимся ранее ферритом образует конечную структуру стали (рис.2.5,а).
Сплав III (рис. 2.3, б) является заэвтектоидной сталью (> 0,8 %С). Эвтектоидному превращению в этих сталях в интервале температур точек 3 – 4 предшествует выделение вторичного цементита (ЦII) из аустенита. Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в аустените согласно линии ES диаграммы (рис. 2.3).
| t , 0 С |
| t , 0 С |
| С, % |
Рис. 2.6. Часть диаграммы состояния системы Fe – Fe3С для высокоуглеродистых сплавов.
В результате при охлаждении до температуры точки 4 аустенит в стали обедняется углеродом до 0,8 % и на линии PSK испытывает эвтектоидное превращение. При медленном охлаждении вторичный цементит выделяется на границах аустенитных зерен, образуя сплошные оболочки, которые на микрофотографиях выглядят светлой сеткой (рис. 2.5, в). Максимальное количество структурно свободного цементита (~ 20 %) будет в сплаве с содержанием углерода 2,14%.
Стали. Классификация сталей.
Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий до 2.14 масс. % углерода, а также содержащий марганец и кремний, природные и технологические примеси, вредные примеси фосфор и серу а также вводимые для улучшения физико-химических свойств легирующие добавки.
Сталь является основным металлическим материалов, широко применяемым для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом их механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине XIX в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов.
Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменяя химический состав, можно получать стали с различными свойствами и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.
Углеродистые стали классифицируют по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре в равновесном состоянии.
Химический состав. В зависимости от химического состава различают: стали углеродистые (ГОСТ 380-88, ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 14959-79).
В свою очередь, углеродистые стали могут быть:
а) малоуглеродистыми, т.е. содержащими углерода менее 0,25 масс. %;
б) среднеуглеродистыми, в которых содержание углерода составляет 0,25 – 0,60 масс. %;
в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60 масс. %.
Легированные стали подразделяются на:
а) низколегированные, содержащие до 2,5 % легирующих элементов;
б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 % до 10,0 % легирующих элементов;
в) высоколегированные, которые содержат свыше 10,0 % легирующих элементов.
Назначение. По назначению стали бывают:
а) конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий;
б) инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочий инструмент; эти стали содержат более 0,65 % углерода;
в) с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар;
г) с особыми химическими свойствами, например нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °С) деформирования.
Качество. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.
Стали в зависимости от содержания вредных примесей серы и фосфора подразделяют на:
а) стали обыкновенного качества, содержащие до 0,06 % серы и до 0,07 % фосфора; их получают в конвертерах или мартеновских печах;
б) качественные - до 0,035 % серы и фосфора каждого отдельно; стали получают преимущественно в мартеновских печах с соблюдением повышенных требований к составу шихты, технологическим режимам плавки и разливки. В стали одной марки допускается колебание содержания углерода не более 0,08%;
в) высококачественные - до 0,025 % серы и фосфора; сталь получают главным образом в электропечах или кислых мартеновских печах. Колебание содержания углерода в стали одной марки не более 0,07%;
г) особовысококачественные - до 0,025 % фосфора и до 0,015 % серы; выплавляют в электропечах с электрошлаковым переплавом или другими прогрессивными методами. Для таких сталей характерна высокая ударная вязкость, стойкость к пониженным температурам, контактная выносливость.
Сталь обыкновенного качества по поставкам подразделяется на 3 группы:
а) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы и фосфора). Химический состав сталей не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке - ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатаной стали сохраняются;
б) сталь группы Б поставляется потребителям с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой;
в) сталь группы В поставляется потребителям с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Эти стали применяются для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей.
В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности sв, относительное удлинение d %, предел текучести sт, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
а) спокойные стали, т.е. полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы "сп" опускаются);
б) кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";
в) полуспокойные стали - занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде CO. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими. Производство кипящих сталей постоянно уменьшается.
Характеристика и сферы применения чугунов и сталей
Железная руда как горная порода, в которой содержатся соединения железа и примеси других химических элементов. Выплавка в мартеновской печи - основной способ получения обычных сортов стальной продукции. Влияние легирующих элементов на свойства стали.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.12.2015 |
| Размер файла | 11,0 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
К черным металлам относятся чугуны и стали, представляющие собой сплавы железа с углеродом, в состав которых входят еще и кремний, марганец, сера и другие элементы.
Чугун -- железоуглеродистый сплав, в котором содержание углерода превышает 2%. В состав его также входят кремний, марганец, фосфор и сера. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд. Исходными материалами для его получения кроме руды служат топливо и флюсы.
Железная руда представляет собой горную породу, в которой содержатся соединения железа и примеси других элементов. Чугун получают из красного, бурого и магнитного железняков.
В качестве топлива используют главным образом каменно-угольный кокс. Флюсы применяют для отделения от железной руды пустой породы (оксиды кремнезема, кальция, марганца), которая, способствуя образованию шлаков, оказывает вредное влияние на процесс выплавки чугуна.
В чугуне углерод содержится в свободном состоянии в виде графита или в связанном состоянии в виде карбида железа или цементита.
Чугуны, в которых углерод находится в виде графита, имеют в изломе серый цвет и крупнозернистое строение. Они хорошо обрабатываются режущим инструментом, имеют высокие литейные качества, относительно невысокую температуру плавления (1100--1200°С), небольшую усадку (1%) и применяются для изготовления многих деталей машин и механизмов. Эти чугуны называются серыми или литейными.
Чугуны, в которых углерод содержится только в виде химического соединения с железом, имеют в изломе белый цвет. Они плохо обрабатываются режущим инструментом и обычно используются для получения стали. Эти чугуны называются белыми или передельными.
Кроме белого и серого чугунов для отливки деталей в тракторной, автомобильной и других отраслях промышленности употребляется еще и так называемый ковкий чугун, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950--1000°С. При этом чрезмерная хрупкость в твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун, как и серый, не куется, а название «ковкий» указывает лишь на значительную его пластичность.
Для повышения прочности чугуны легируют, т. е. вводят в их состав никель, хром, молибден, медь и другие элементы (легированный чугун), а также модифицируют, т.е. добавляют магний, алюминий, кальций, кремний (модифицированный чугун).
Наибольшее применение получили чугуны следующих марок: отливки из серого чугуна: СЧ-10, СЧ-15, СЧ-18, СЧ-20 и др. (ГОСТ 1412--79); отливки из ковкого чугуна: КЧ30-6, КЧ33-8, КЧ35-10, КЧ37-12 и др. (ГОСТ 1215--79).
Буквы и цифры марок чугуна обозначают: СЧ -- серый чугун, КЧ -- ковкий чугун. Цифры после букв у серого чугуна указывают на предел прочности при растяжении.
Сталь -- сплав железа с углеродом, содержащий углерода не более 2%. По сравнению с чугуном сталь обладает значительно более высокими физико-механическими свойствами. Она отличается высокой прочностью, хорошо обрабатывается резанием, ее можно ковать, прокатывать, закаливать. Кроме того, сталь в расплавленном состоянии жидкотекуча, из нее изготовляют различные отливки. Поэтому она широко применяется во всех областях народного хозяйства, особенно в машиностроении.
Сталь получают из передельного чугуна его переплавкой и удалением избытка углерода, кремния, марганца и других примесей и выплавляют в мартенах, электропечах и конверторах.
Наиболее распространенным способом получения обычных сортов стали является мартеновский, а для выплавки высококачественных сталей применяют электроплавку.
Сталь, выплавленная из чугуна на металлургических заводах, в виде слитков поступает в прокатные, кузнечные или прессовые цехи, где перерабатывается на фасонный и листовой прокат, а также в поковки различной формы и размеров.
Все применяемые в настоящее время стали классифицируются по следующим признакам:
по химическому составу -- углеродистая, легированная;
по качеству -- сталь обыкновенного качества, качественная, высококачественная;
по назначению -- конструкционная, инструментальная.
Углеродистая сталь широко используется в промышленности. Основной составляющей частью, определяющей ее механические и другие свойства, является углерод. Увеличение содержания углерода в стали повышает прочность и твердость, но уменьшает вязкость и делает ее более хрупкой.
В зависимости от назначения углеродистая сталь делится на конструкционную и инструментальную.
Углеродистые конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380--78) и качественные (ГОСТ 1050--74). В зависимости от условий и степени раскисления различают спокойные стали (сп), полуспокойные(пс) и кипящие (кп).
Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (сталь) и цифрами 1, 2, 3. 6 (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Чем больше это число, тем больше в ней содержится углерода.
В зависимости от назначения эти стали делятся на три группы:
группа А -- стали, поставляемые по механическим свойствам без уточнения их химического состава (Ст0, Ст1кп, Ст2пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2сп, Ст3кп и др.);
группа Б -- стали с гарантийным химическим составом (БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп и др.);
группа В -- стали повышенного качества с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5).
Цифры, обозначающие марку стали, показывают среднее содержание в стали углерода в сотых долях процента (например, сталь марки 45 содержит в среднем 0,45% углерода).
Низкоуглеродистые стали марок 05, 08, 10, 20, 25 применяются для малонагруженных деталей, изготовление которых связано со сваркой и штамповкой.
Из среднеуглеродистых сталей марок 40, 45, 50, 55 изготовляют оси, валы, зубчатые колеса и другие детали.
Высокоуглеродистые стали идут на изготовление спиральных пружин, тросов и других ответственных деталей.
Инструментальная качественная сталь обозначается буквой У, после которой ставится цифра, указывающая содержание углерода в десятых долях процента, например У7, У8, У10 и т. д.
Инструментальная высококачественная сталь содержит меньше, чем качественная, вредных примесей (серы, фосфора). Маркируют ее так же, как и качественную, но с добавлением буквы А, например У7А, У8А и т. д.
Применяется инструментальная углеродистая сталь для изготовления различных инструментов (ударных, режущих, измерительных и др.).
В состав легированной стали кроме углерода вводят элементы, улучшающие ее свойства. К таким элементам относятся: хром, никель, кремний, вольфрам, марганец, ванадий, кобальт и др.
В зависимости от вводимых лигирующих элементов стали делятся на хромистые, никелевые, кремнистые, хромоникелевые, хромованадиевые и др.
Легирующие элементы придают стали в зависимости от ее назначения необходимые свойства. Рассмотрим, какое влияние оказывают они на свойства стали.
Хром способствует увеличению прочности стали, ее твердости и сопротивляемости износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость стали, повышает ее коррозионную стойкость и прокаливаемость. Кремний при содержании его более 0,8% увеличивает прочность, твердость и упругость стали, снижая при этом ее вязкость. Марганец повышает твердость и прочность стали, улучшает ее свариваемость и прокаливаемость.
Легированная сталь по количеству введенных в нее легирующих элементов классифицируется на низколегированную (до 5% легирующих элементов), среднелегированную (от 5 до 10%) и высоколегированную (свыше 10%). стальной мартеновский легирующий
По назначению легированная сталь, как и углеродистая, подразделяется на конструкционную и инструментальную.
Легирующие элементы, введенные в состав стали согласно стандарту имеют следующие обозначения:
Высококачественную сталь обозначают с добавлением в конце маркировки буквы А.
Легированная сталь маркируется сочетанием цифр и букв.
Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы -- легирующие элементы, последующие за буквами цифры -- содержание в процентах этих элементов в стали.
Так, марка 40Х обозначает хромистую сталь с содержанием 0,4% углерода и 1% хрома;
12ХНЗА -- хромо-никелевую сталь, содержащую около 0,12%-углерода, 1% хрома и 3% никеля и т. д.
Из конструкционной легированной стали изготовляют ответственные детали машин и различные металлические конструкции. Для улучшения механических свойств детали из этой стали подвергаются термической обработке.
К конструкционным легированным сталям относятся:
хромистая (15Х, 20Х, 30Х и др.),
хромованадиевая (15ХФ, 20ХФ, 40ХФ),
хромокремнистая (33ХС, 38ХС, 40ХС),
хромоникелевая (12ХН2, 12ХНЗА и др.).
Инструментальная легированная сталь по сравнению с углеродистой обладает износоустойчивостью, она глубже прокаливается, обеспечивает повышенную вязкость в закаленном состоянии и менее склонна к деформациям и трещинам при закалке.
Режущие свойства легированных сталей примерно такие же, как и углеродистых, потому что у них низкая теплостойкость, равная 200--250°С.
Назначение некоторых марок легированных инструментальных сталей следующее:
сталь 9ХС применяется для изготовления плашек, сверл, разверток, фрез, гребенок и метчиков;
стали 11Х и 13Х --для напильников, бритвенных ножей, хирургического и гравировального инструмента;
сталь ХВГ--для длинных метчиков, разверток и других инструментов.
Для изготовления режущего инструмента применяется быстрорежущая сталь, которую так назвали за высокие режущие свойства.
Благодаря наличию в ее составе вольфрама и ванадия эта сталь обладает высокой теплостойкостью, красностойкостью, т. е. способностью сохранять высокие твердость и износостойкость при повышенных температурах.
Инструмент, изготовленный из быстрорежущей стали, нагреваясь в процессе резания до 550--600°С, не теряет своих режущих свойств.
Материалы, улучшающие свойства сталей. Характеристика влияния на свойства сталей легирующих элементов.
Качество стали зависит от количества в ней углерода, который является одним из основных элементов, входящих в состав. Еще одним обязательным элементом является железо.
Хром, никель, ванадий, медь и пр. элементы добавляются для улучшения свойств материала.
Рассмотрим подробнее влияние легирующих элементов на свойства стали:
Никель - позволяет сделать материал не только прочным, но и пластичным. Именно этот элемент, входящий в состав, отвечает за стойкость к коррозии;
Хром - также отвечает за устойчивость к коррозии, благодаря ему получается нержавеющая сталь, делает ее твердой и прочной;
Ванадий - благодаря этому элементу структура стали становится мелкозернистой, плотной;
Медь - помимо стойкости к коррозии противодействует кислотам;
Вольфрам - позволяет материалу оставаться твердым при увеличении температуры (нагреве);
Марганец, входящий в состав, отвечает за износостойкость;
Кремний - делает металл упругим, отвечает за магнетизм;
Если в состав входит алюминий, то он позволяет становиться материалу жаростойким.
Что происходит со структурой, когда добавляются различные примеси? При их введении кристаллическая решетка рушится за счет различия в формах электронов, а также атомных величин. Характеристики стали могут меняться в зависимости от состава.
В состав могут входить две, три и более примесей. Это зависит от того, какой конечный продукт нужно получить.
В состав могут также входить титан, кобальт, молибден, отвечающие за прочность, твердость и пластичность материала, который приобретает все перечисленные свойства в основном после того, как будет пройдена термообработка.
Подобные документы
Классификация, свойства, применение, маркировка углеродистых и легированных сталей. Влияние углерода и примесей на их свойства. Термическая обработка сплава 30ХГСА. Измерение твёрдости методом Роквелла. Влияние легирующих элементов на рост зерна стали.
дипломная работа [761,3 K], добавлен 09.07.2015
Общая характеристика легированных сталей и их специфические свойства: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость. Распределение легирующих элементов в сталях, зависимость механических свойств от их содержания.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 17.08.2009
Процесс легирования стали и сплавов - повышение предела текучести, ударной вязкости, прокаливаемости, снижение скорости закалки и отпуска. Влияние присадок легирующих элементов на механические, физические и химические свойства инструментальной стали.
курсовая работа [375,9 K], добавлен 08.08.2013
Роль легирующих элементов в формировании свойств стали. Анализ и структура хромоникелевых сталей. Роль и влияние никеля на сопротивление коррозии. Коррозионные свойства хромоникелевых сталей. Характеристика ряда хромоникелевых сталей сложных систем.
реферат [446,2 K], добавлен 09.02.2011
Процентное содержание углерода и железа в сплаве чугуна. Классификация стали по химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления. Примеры маркировки сталей. Расшифровка марок стали. Обозначение легирующих элементов, входящих в состав стали.
презентация [1,0 M], добавлен 19.05.2015
Классификация инструментальных сталей. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей. Химический состав стали 4Х5МФ1С. Влияние температуры закалки на структуру и твердость материала. Оценка аустенитного зерна и износостойкости.
дипломная работа [492,5 K], добавлен 19.02.2011
Влияние легирующих элементов на свойства стали. Состав, свойства и методы термической обработки хромистых сталей с повышенной прочностью и стойкостью против коррозии в агрессивных и окислительных средах. Технологии закалки окалиностойких сильхромов.
Читайте также: