Конструкционные (машиноподельные) металлические материалы
Скачать 1.45 Mb.
|
| 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. ^ 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. ^ 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. ^ 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. ^ 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. ^ 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 ^ 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. ^ - Маркировка конструкционной стали
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.8.2 – Химический состав (%) углеродистой стали обыкновенного |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Металловедение это наука, которая является основой для экономически эффективного выбора материала и способов его обработки | | Металлические материалы для имплантатов ортопедического и травматологического назначения |
| Современное состояние работ по высокотемпературным газоохлаждаемым реакторам (втгр) в мире и перспективы их применения | | Приглашаем Вас принять участие в международной научно-технической конференции «Функциональные и конструкционные материалы», которая... |
| Ядерная библиотека констант кода wimsd-5B содержит 69-групповые константы для 129 нуклидов, включая топливо, замедлитель, конструкционные... | | ... |
| Стоимость установки, включая бетон и другие материалы ориентировочно составляет 300-400 грн за одну секцию, в зависимости от состояния... | | В специальной литературе при обозначении материалов, применяемых для изготовления имплантатов, используются два термина — биоматериалы... |
 | Гаражи металлические( профнастил,листовая сталь)с доставкой и установкой12900 грн |  | Строительные материалы: портландцемент, лако-красочные материалы, строительные растворы, известь и др |