Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы




НазваниеКонструкционные (машиноподельные) металлические материалы
страница1/12
Дата публикации06.04.2013
Размер1.45 Mb.
ТипДокументы
uchebilka.ru > Химия > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ
Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы
8. Углеродистые стали

8.1. Классификация углеродистой стали

Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, газовых аппаратов, приборов, различных энергетических и строительных и других конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологиче­ских свойств.

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 содержанию углерода, назна­чению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

^ По содержанию углерода стали подразделяются на низкоуглеродистые (< 0,3% С), среднеуглеродистые (0,3 — 0,7% С) и высокоуглеродистые (> 0,7% С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инстру­ментальные. 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.

^ По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качест­венные, высококачественные. 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 обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные — не более 0,025% S и 0,025% Р. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные — углероди­стыми и легированными.

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.

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 СО. 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.

^ По структуре в равновесном состоянии стали делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура ко­торых состоит из перлита;

3) заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

^ 8.2. Влияние постоянных примесей на углеродистые стали

Получаемая в промышленности углеродистая сталь имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в преде­лах 97,0—99,5% и попадает некоторое количество элементов, связанное с технологией производства (марганец, кремний) или невозможностью полно­го их удаления из состава металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), случайные примеси (хром, никель, медь) и, кроме того, некоторые неметал­лические включения.

В зависимости от способа выплавки (конверторный, мартеновский и крайне редко — в электропечах) стали различаются содержанием примесей .

Метод получения стали в электропечах используют только для выплавки конструкционных, высоколегированных, инструментальных, специальных сталей и сплавов, так как он наиболее дорогой.

Постоянными примесями в стали считаются такие, которые попадают в нее в процессе получения, разливки, а также из исходных материалов, топ­лива, футеровки печей и атмосферы.

Как видно из диаграммы состояния железо—углерод, фер­рит составляет основную фазу стали. Наличие в феррите растворенного в нем марганца, усиливает металлическую связь в его кристаллической решет­ке, вследствие чего возрастают значения модуля Юнга (модуля продольной упругости) и модуля сдвига.

Марганец в виде оксида МnО2 — пиролюзита — постоянно находится в железных рудах, следовательно, он присутствует в сталях и чугунах. Марга­нец также попадает в стали при раскислении ее ферромарганцем при вы­плавке, часть марганца взаимодействует с основными компонентами стали и в процессе кристаллизации переходит в ее фазовые составляющие — феррит и цементит.

Аналогично воздействует на свойства стали кремний, растворяющийся только в феррите. Кремний в виде соединения SiO2 — кремнезема — всегда имеется в железной руде (эту часть руды называют пустой породой). К раскислителям, которыми пользуются при выплавке стали, относится кремний, содержащий материал — ферросилиций, активно вступающий с закисью желе­за в реакцию обмена. Поэтому присутствие небольшого количества кремния в стали также является технологически неизбежным.

На основе вышесказанного, все марки конструкционной углеродистой стали содержат 0,3—0,8% Мn и 0,17—0,37% Si. За счет этого твердость фер­рита по Бринеллю в данной стали составляет НВ 60—80 МПа, а у чистого фер­рита— около НВ 100.

К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элемен­ты оказывают существенное влияние на механические, технологические и другие свойства стали, поэтому их количество в различных марках строго регламентируется.

Фосфор попадает в сталь из руды, топлива и флюсов, используемых в металлургическом производстве. В большинстве случаев фосфор, находящийся в стали, растворяется в кристаллической решетке феррита и за счет ликвации располагается по границам зерен. Это приводит к снижению пластичности и существенно охрупчивает сталь, повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т.е. фосфор придает стали хладноломкость. Из-за этого количество фосфора в стали может находиться в пределах 0,01—0,07%.

Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и метал­лургическом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургическо­го процесса. Сера находится в стали в связанном состоянии в виде механиче­ских примесей (FeS и MnS), которые по-разному взаимодействуют с компо­нентами стали и соответственно влияют на ее свойства. Сульфид железа об­разует с железом легкоплавкую эвтектику (tпл = 988 °С), которая располага­ется по границам зерен, и существенно снижает прочность и пластичность стали. Это отрицательно сказывается при технологической обработке стали в горячем состоянии (800—1200°С) и проявляется в виде явления краснолом­кости. Температура плавления MnS существенно выше 1620°С и присут­ствует в стали в виде мелких включений, которые не оплавляются в про­цессе ее обработки. Количество серы вызывает охрупчивание стали и поэтому содержание ее жестко отслеживается. Для ответственных дета­лей содержание серы может быть не более 0,03—0,04% , а в обычных сталях допускается 0,05%.

Из вышесказанного ясно, что постоянные примеси — марганец и крем­ний — оказывают в какой-то степени положительное влияние на механиче­ские свойства стали, а фосфор и сера ухудшают их и являются очень вред­ными примесями.

При выплавке и разливке стали в нее из окружающей атмосферы попа­дают кислород, азот, водород и другие газы.

Кислород в кристаллической решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа FeO, Fe2O3 и других эле­ментов. Эти неметаллические включения снижают прочностные и пластиче­ские свойства стали.

Азот в очень малых количествах способен растворяться в феррите, уп­рочняя и одновременно охрупчивая его. Некоторое количество азота в стали образует с железом нитриды, которые располагаются в стали в виде включе­ний и также охрупчивают ее.

При выплавке стали в нее попадает водород, растворяется в ней и, так как он не образует с железом гидридов, выходит из нее по мере сни­жения температуры. Некоторое количество оставшегося водорода в ста­ли охрупчивает ее. Этот нерастворившийся водород в стали образует флокены (микроскопические трещины). В изломе эти флокены видны как хлопьеобразные серебристые пятна. Этот дефект снижает прочность и пластичность стали и исключает ее использование как конструкционного материала.

Включения оксидов MnO, SiO2 и Аl2О3, а также некоторых других эле­ментов могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее механические свойства.
^ 8.3. Влияние углерода на свойства углеродистых сталей

Главным элементом стали является углерод и это единственная примесь, которая специально вводится в сталь. С повышением содержания угле­рода прочность стали существенно возрастает из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

К низкоуглеродистым относятся стали, содержащие до 0,25% С. Это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горя­чем состоянии стали.

Среднеуглеродистые стали содержат 0,3—0,6% С. Они обладают хоро­шими прочностными свойствами при небольшой пластичности и вязкости. Стали с таким содержанием углерода являются широко распространенным конструкционным материалом для деталей, работающих в условиях обыч­ных силовых нагрузок.

Высокоуглеродистые стали содер­жат свыше 0,6% С (до 1,3—1,4 %), за счет чего они обладают высокой твердо­стью и очень низкой пластичностью и вязкостью. При содержании углерода больше 1,3% в стали значительно возрас­тает хрупкость и использование ее стано­вится очень ограниченным.

Стали с содержанием углерода бо­лее 0,7% в основном используются в штампово-инструментальном производ­стве холодного и горячего деформиро­вания. Кроме того, из этих сталей изго­тавливают еще режущий и мерительный инструменты, применяемые в различных областях народного хозяйства.

Рис.8.1.- Влияние углерода на свой­ства горячекатаных сталей


Как уже было сказано, увеличение количества углерода соответственно увеличивает и количество цементита в стали, который отличается высокой твердостью и хрупкостью. Значит, можно сказать, что с повышением содержания углерода увеличиваются прочность и твердость, а пластичность и вязкость снижаются (рис.8.1).

Кроме снижения ударной вязкости, угле­род заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис.8.2). Каждая одна десятая процента углерода повышает температуру перехода приблизительно на 20°С. При содержании углерода 0,4% порог хладноломкости равен 0°С. При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20°С: сталь становится менее используе­мой в работе.

Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление ле­гированных сталей резко увеличивается с ростом углерода и достигает мак­симального значения при 4% С.

К
Рис.8.2 – Влияние углерода на хладноемкость

ак видно из рис.8.3, при большем содержании углерода σв теряет ста­бильность из-за хрупкого разрушения стали. В этих сталях может быть дос­таточно высокое содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по массовым технологиям. Эти стали относятся к дешевым материалам, но при этом в них сочетаются неплохие механические свойства с хорошей обраба­тываемостью резанием и давлением, в чем они превосходят даже легирован­ные стали (при одинаковом содержании углерода). Углеродистые стали, в отличие от легированных, менее техноло­гичны при термической обработке. Также необходимо отметить, что у этих сталей очень небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что сужает резко размер деталей, которые можно упрочнить термической обработкой. Габаритные детали изготавливают из сталей без термической обработки — в горячекатаном или нормализованном состоянии, что увеличи­вает металлоемкость конструкций.

Рис.8.3 - Влияние углерода на свойства закаленных сталей



^ 8.4. Углеродистые стали обычного качества

На углеродистую сталь обыкновенного качества установлен ГОСТ380-71. Эта сталь изготовляется в мартеновских печах (буква М при маркировке), в бессемеровских конверторах при продувке снизу (буква Б) и в конверторах при продувке кислоро­дом сверху (буква К).

Стали обыкновенного качества применяют для строительных кон­струкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали из­готовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничива­ется содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей, ухудшающих качество сварки.

Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпускается в виде проката — листы, уголки, балки, прутки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на груп­пы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показы­вающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повы­шением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — «сп», полуспокойных — «пс», кипящих — «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. В их составе разное содержание кремния: спокойные — 0,12—0,30, полуспокойные — 0,05—0,17; кипящие < 0,07, например СтЗсп, БСтЗпс или ВСтЗсп5 (в конце 5-я категория). Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1—Стб, кипящими — Ст1—Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами (табл.8.1), без указания химического состава.

^ Таблица 8.1 - Маркировка конструкционной стали


ГОСТ

Группа

Наименование по способу производства

Марки

380-71

I

Сталь, поставляемая по механическим свой­ствам (обыкновенного качества)



Бессемеровская

Мартеновская

БСт.0; БСт.Зкп; БСт.З; БСт.4кп; БСт.4; БСт.5; БСт.б

Ст.0; Ст.1; Ст.2;Ст.Зкп; Ст.З; Сг.4; Ст.4а; Ст.5; Ст.6; Ст.7


II

Сталь, поставляемая по химическому составу (обыкновенного качества)


Бессемеровская
Мартеновская

Б09кп; Б09; Б16кп; Б23; БЗЗ

М09кп; М12кп; М18кп; Ml8; М21; М26; М31; М44; М56

III

Сталь поставляемая, одновременно по хирурги­ческому составу и по механическим свойствам (повышенного качества)




Мартеновская

М09; М12; Ml6; М18а; М21а;М26а;М31а;М44а; М56а




Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изго­товление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируе­мые стандартом.

Сталь марки СтЗ используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно ко­леблется. Ее широко применяют в строительстве для изготовления ме­таллоконструкций.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима го­рячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не под­вергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе. Механические свойства на растяжение для каждой мар­ки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А, а химический состав — нормам для тех же номеров марок группы Б (табл. 8.2). Например, сталь ВСт4сп имеет механические свойства на растяжение, аналогичные стали Ст4сп, а химический состав одинаковый со сталью БСт4сп.

Таблица.8.2Химический состав (%) углеродистой стали обыкновенного
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconМетодические указания по изучению предмета «Конструкционные и электротехнические материалы»
Металловедение это наука, которая является основой для экономически эффективного выбора материала и способов его обработки

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconОригинальные статьи
Металлические материалы для имплантатов ортопедического и травматологического назначения

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconТретий конструкционные материалы реакторов новых поколений, реакторов...
Современное состояние работ по высокотемпературным газоохлаждаемым реакторам (втгр) в мире и перспективы их применения

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconНациональная академия наук Украины Научно-технологический центр «Реактивэлектрон»...
Приглашаем Вас принять участие в международной научно-технической конференции «Функциональные и конструкционные материалы», которая...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconПрограмма также может использоваться для расчетов выгорания, решения...
Ядерная библиотека констант кода wimsd-5B содержит 69-групповые константы для 129 нуклидов, включая топливо, замедлитель, конструкционные...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconЛинейки измерительные металлические технические условия гост 427-75 издательство стандартов
...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconЗабор «Кайман» из сварной панели с диаметром прута 4+4+4 мм. Предлагаем...
Стоимость установки, включая бетон и другие материалы ориентировочно составляет 300-400 грн за одну секцию, в зависимости от состояния...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconИмплантационные материалы
В специальной литературе при обозначении материалов, применяемых для изготовления имплантатов, используются два термина — био­материалы...

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconГаражи металлические( профнастил,листовая сталь)с доставкой и установкой
Гаражи металлические( профнастил,листовая сталь)с доставкой и установкой12900 грн

Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы iconКонтрольная работа по дисциплине «Строительные материалы»
Строительные материалы: портландцемент, лако-красочные материалы, строительные растворы, известь и др


Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница