Контрольная работа по "Материаловедение и технология материалов"

 Вопрос 3.

Общая классификация сталей. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Основные принципы маркировки сталей.

Общая классификация сталей.

 

Развитие техники предъявляет всё новые требования к качеству и свойствам стали, поэтому непрерывно совершенствуются технологические процессы её получения, разрабатываются и внедряются новые марки.

Единой мировой классификации сталей не существует. Обычно сталь классифицируют по способу производства, химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре, методу формообразования изделий из стали.

- По способу производства сталь разделяют на мартеновскую, конверторную (кислородно-конверторную, бессемеровскую, томасовскую), электросталь и сталь, получаемую прямым восстановлением из обогащённой руды (окатышей). Мартеновский способ производства, бывший в свое время наиболее распространённым, сейчас утратил первостепенное значение и вытесняется более простым и экономичным, с точки зрения технологии производства, кислородно-конверторным способом. Предпочтение отдаётся также электроплавильным способам, которые позволяют получать сталь самого высокого качества.

    -   По химическому составу сталь делят на углеродистую и легированную. Углеродистая сталь — железоуглеродистый сплав (0,02—2,14% С) с неизбежными примесями марганца (до 0,8%), кремния (до 0,5%), серы (до 0,06%), фосфора (до 0,07%) и газов (кислорода, водорода, азота), присутствующих в очень малых количествах — тысячных долях процента. Железо и углерод являются основными компонентами, определяющими структуру и свойства стали.

       Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25— 0,60% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,60% С).

      Легированными называют стали, в состав которых кроме железа, углерода, обычных и скрытых примесей входят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам и другие элементы, которые специально вводятся в сталь для придания ей требуемых свойств. Сталь также считается легированной, если содержание в ней кремния превысит 0,5%, а марганца — 1%. Легированные стали в зависимости от системы легирования делят на марганцевистые, хромистые, хромоникелевые и т.д.

  -  В зависимости от содержания легирующих элементов различают стали низколегированные (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%). Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, т.е. преобладает над железной основой, то такой материал называется сплавом.         - По назначению стали классифицируют на конструкционные, инструментальные и специального назначения (с особыми свойствами).

     Конструкционные стали применяют в машиностроении и строительстве для изготовления деталей машин, элементов конструкций и сооружений. В зависимости от назначения и требуемых свойств содержание углерода в различных марках конструкционной стали изменяется в пределах от 0,05 (листовая) до 1% (подшипниковая). Важнейшими характеристиками сталей, по которым осуществляется их выбор, являются механические свойства и прокаливаемость.

Среди конструкционных сталей различают цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, автоматные, рессорно-пружинные, подшипниковые и некоторые другие.

     Инструментальные стали служат для изготовления режущих, измерительных инструментов, штампов холодного и горячего деформирования. Основным требованием, предъявляемым к инструментальным сталям, является высокая твёрдость, в связи с чем они отличаются повышенным содержанием углерода (исключение — стали для горячештампового инструмента, подвергаемого в процессе эксплуатации значительным динамическим нагрузкам).

    -  Стали и сплавы специального назначения делят на две группы: с особыми химическими и с особыми физическими свойствами.

     Стали и сплавы с особыми химическими свойствами (коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные) предназначены для работы в агрессивных средах и при высоких температурах.

     Стали и сплавы с особыми физическими свойствами (магнитные, с зданным температурным коэффициентом линейного расширения и др.) применяются в основном в приборостроении, электротехнической, радиотехнической и электронной промышленности.

  -     По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, гарантируемых металлургическим процессом ее производства.

Основным показателем, лежащим в основе классификации сталей по качеству, является содержание вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше указанных примесей, тем выше качество стали. Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми, качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными, а особо высококачественные — только легированными.

    - По степени раскисления стали классифицируют на кипящие, спокойные и полуспокойные. Раскисление - процесс удаления из жидкой стали кислорода. Сталь раскисляют перед разливкой, вводя в расплав элементы, которые связывают кислород в нерастворимые в металле оксиды и переводят их в шлак.

   -    По структурному признаку стали классифицируют в отожжённом (равновесном) и нормализованном состояниях.

По равновесной структуре в отожжённом состоянии различают шесть классов сталей:

• доэвтектоидные, в структуре которых избыточный феррит присутствует наряду с перлитной составляющей;
• эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;
• заэвтектоидные, в структуре которых кроме перлита содержатся избыточные карбиды вторичного происхождения (выделившиеся из аустенита);
• ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды эвтектического происхождения;
• ферритные;
• аустенитные.

Углеродистые стали по равновесной структуре могут быть первых трёх классов, а легированные — всех шести.

   -      По методу формообразования изделий различают литую, кованую и катаную стали. При одинаковом химическом составе литая сталь отличается более низкими механическими свойствами по сравнению с деформированной — кованой и катаной. Однако с помощью литейной технологии можно получать детали сложной формы с меньшими затратами.

Кованая сталь в поковках и штамповках имеет наиболее однородные механические свойства. В отличие от кованой катаная сталь в прокате характеризуется различием механических свойств в продольном и поперечной направлениях, что называется анизотропией механических свойств.

 

Влияние легирующих элементов на свойства стали.

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.       Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.       Влияние примесей Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.). К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.      Углерод При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции. Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.       Марганец Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.      Кремний Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.      Сера Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.      Фосфор Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.          Кислород и азот Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.       Водород Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.           Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости

Основные  принципы маркировки стали.

Процентное содержание в готовом составе углерода и других примесей, которые влияют на свойства металла, является основной характеристикой, по которой производят классификацию стали. В связи с этим выделяют:

• углеродистую сталь
• легированную сталь.

     Маркировка углеродистой стали

Технология производства стали подразумевает наличие в готовом продукте того или иного количества углерода. Углерод придает стали необходимую твердость, но вместе с тем повышается хрупкость металла. Соответственно, чем меньше в сплаве углерода, тем более «мягкой» и пластичной становится сталь.

Углеродистая сталь может содержать в своем составе от 0,06 % до 0,85 % чистого углерода. В зависимости от количества углерода, сталь подразделяется на два вида:

• стандартного качества сталь углеродистая — маркировка Ст и следующие за ней цифры от 1 до 7, показывающие содержание углерода в процентах, которое завышено в 10 раз. Так, например, сталь марки Ст 4 отличается 0,4-процентнным содержанием углерода
• конструкционно качественная сталь углеродистая имеет более точную маркировку — двузначные цифры, показывающие содержание углерода в процентах, завышенное в 100 раз.

Качественная углеродистая сталь дороже, чем готовый продукт обыкновенного качества, за счет уменьшенного содержания примесей фосфора, серы и т.д.

      Маркировка легированной стали

Сталь углеродистая, несмотря на свои высокие потребительские характеристики все же обладает рядом недостатков — отличается повышенной восприимчивостью к коррозии и теряет свою твердость при высоких температурах, что ограничивает сферу ее применения.

Введение в состав стали легирующих добавок позволяет повысить определенные качества и характеристики:

• марганец (Г) — делает сталь более прочной и износостойкой
• чистая медь (Д) — увеличивает сопротивляемость коррозионным процессам
• никель (Н) — придает стали необходимую вязкость
• хром (Х) — увеличивает жаростойкость.

Помимо вышеперечисленных добавок в сталь вводят следующие легирующие элементы — молибден (М), кобальт (К), алюминий (Ю), вольфрам (В), цирконий (Ц), селен (Е).

Маркировка легированных сталей производится по следующему типу: % состав углерода в стали обозначается первыми двумя цифрами, умноженными на 100, следующая за цифрами буква означает легирующую добавку, а цифры, идущие за знаком легирующей добавки, показывают ее процентное содержание, которое увеличено в 100 раз.

Так, например, аббревиатура 35Г2 означает легированную сталь с 0,35 % содержанием углерода и 2% содержанием марганца. При количестве легирующих примесей в составе стали меньше 1,5 процентов, соответствующие цифры после буквенных символов не пишутся (например, 38ХГ — сталь, в составе которой находится 0,38 %, углерода, хрома — меньше 1,5 %, марганца — меньше 1,5 %).

Разбираться в процентном содержании того или иного легирующего состава в стали довольно сложно, особенно, если добавок несколько. Поэтому наряду с традиционной маркировкой стали введена еще одна — впереди численно-буквенного обозначения пишется буква (пара букв), обозначающая целевое предназначение или характеристики стали:

• Э — электротехническая сталь
• Ш — шарикоподшипниковая сталь
• Е — магнитотвердая сталь
• А — автоматная сталь
• Р — быстрорежущая сталь
• Св — сварочная сталь
• Нп — наплавочная сталь.

Особое значение имеет и последняя буква, содержащаяся в маркировке легированной стали. Так, например, буква А — обозначает высококачественную легированную сталь, а литера Ш (через дефис) — особовысококачественную сталь.