Влияние углерода на механические свойства сталей реферат

Обновлено: 05.07.2024

Стали - сложные по составу железоуглеродистые сплавы. Стали содержат некоторое количество постоянных и случайных примесей, влияющих на их свойства.

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,5 (0,6) %, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. В связи с увеличением количества цементита, по мере повышения содержания углерода возрастают прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость.

Кроме того, углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние.

Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. При низком отпуске механические свойства сталей полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.

Постоянные примеси в стали: Mn, Si, Р, а также газы 0₂, N₂, Н₂.

Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8 %, уменьшает вредное влияние серы и кислорода.

Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4 %, оказывая упрочняющее действие.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов FeS, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

Фосфор - вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода. Современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления, поэтому основной путь его снижения - повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород - вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения способствуют красно- и хладноломкости, снижают прочность.

Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение - сталь упрочняется, становится малопластичной. Последствия старения - разрывы при штамповке или образование.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке. Повышенное содержание водорода при выплавке стали может приводить к флокенам - внутренние надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении в поры вследствие понижения растворимости.

Наводороживание и охрупчивание стали возможны при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий и работе в водородсодержащих газовых средах.

Случайные примеси - элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в стали попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. В большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность сталей.

Широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали соответственно легированными сталями.

В качестве легирующих элементов наиболее часто используют следующие: Сг, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Nb. Реже используются Co, Al, Сu, В и некоторые другие.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны, как и железо, взаимодействовать с углеродом и азотом, а также между собой или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.

Легирующие элементы при введении в сталь могут:

• образовывать с железом твердые растворы;

• растворяться в цементите, замещая атомы железа в решетке цементита, т. е образовывать так называемый легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды;

• образовывать (при высоком содержании) с железом интерметаллические соединения.

Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

К элементам первой группы относятся никель и марганец, кобальт, палладий, платина; они понижают точку А₃ и повышают точку А₄. В результате этого на диаграмме состояния железо - легирующий элемент наблюдается расширение области у-фазы и сужение области существования а-фазы. Сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной, не испытывают фазовых превращений у→а и при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе. Такие сплавы называются аустенитными.

Сплавы, частично претерпевающие превращение у→а, называют полуаустенитными.

Элементы второй группы (Сг, W, Mo, V, Si, А1 и др.) понижают точку А₄ и повышают точку А₃. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (см. точку m на рис. 72, б) критические точки, а точнее их интервалы А₄ и А₃, сливаются и область у-фазы полностью замыкается. При содержании легирующего элемента, большем, чем указано на рис. 78, в (точка т), сплавы при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в а-железе. Такие сплавы называют ферритнылш, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение, а → у - полуферритными.

Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением марганца и кремния при содержании их> 2,5 - 3,0 %.

Наиболее сильно упрочняют феррит, кремний, марганец и никель. Легирующие элементы при введении их в сталь в количестве> 1 - 2 % снижают ударную вязкость, а при более высоком содержании повышают порог хладноломкости. Исключение составляет никель.

Легирующие элементы, растворяясь в γ-железе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Аустенит легко наклёпывается.

Карбидная фаза в легированных сталях. По отношению к углероду легирующие элементы следует распределить на три группы:

• графитизирующие элементы: кремний, никель, медь и алюминий (эти элементы находятся в твердом растворе);

• нейтральные: кобальт, который в стали не образует карбидов и не вызывает графитизации;

• карбидообразующие расположены в следующем порядке по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз: Fe → Мп →Сг → Мо →W →V →Zr →Ti.

Активность этих элементов как карбидообразователей тем сильнее, а устойчивость карбидов против диссоциации и растворения при нагреве в аустените тем больше, чем менее достроена электронная rf-подгруппа соответствующего металла переходных групп.

При малом содержании в стали таких карбидообразующих элементов, как Mn, Cr, W и Мо, последние растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа.

При повышенном содержании хрома, вольфрама, молибдена в зависимости от содержания углерода в стали могут образовываться специальные карбиды.

Карбиды, образующиеся в легированных сталях, можно разделить на две группы. К первой группе относятся карбиды типа М3С, М7С3, М2 3С6 и М6С (М4С), имеющие сложные кристаллические решетки. Карбиды этой группы сравнительно легко растворяются в аустените при нагреве. Ко второй группе относятся карбиды типа МС: VC, TiC, NbC, ТаС, в которых атомы металла расположены по типу кубической решетки; WC, в котором атомы металла расположены по типу объемноцентрированной кубической решетки; W2C и Мо2С, в которых атомы металла расположены по типу гексагональной решетки.

Интерметаллические соединения. При высоком содержании легирующие элементы образуют с железом или друг с другом интерметаллические соединения. Примером таких соединений могут служить Fe 7Mo6, Fe 7W6, Fe 3Nb2, Fe 3Ti и др.

Наибольшее значение интерметаллидные фазы играют в малоуглеродистых железных сплавах, где их используют для получения эффекта дисперсионного твердения, о- и х-фазы охрупчивают сплав, поэтому их присутствие нежелательно.

• образовывать с железом твердые растворы;

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали. Способы производства и классификация углеродистых сталей. Стали обыкновенного качества. Качественные конструкционные углеродистые и автоматные стали. Инструментальные качественные углероды.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.11.2012
Размер файла	115,3 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Классификация углеродистых сталей

Стали обыкновенного качества

Качественные конструкционные углеродистые стали

Инструментальные качественные углероды

Автоматные стали (конструкционные)

Наукой, устанавливающей связь между составом, структурой и свойствами металлов и сплавов и изучающей закономерности их изменений при тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных воздействиях называется металловедением. Все металлы и сплавы принято делить на две группы. Железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называются черными металлами, а остальные металлы и их сплавы - цветными. Наибольшее применение нашли черные металлы.

В конце XIX и начале XX века основными конструктивными материалами являлись металлические материалы (стали, чугуны, сплавы на основе алюминия и меди). В последние десятилетия материаловедческая наука была связана не только с совершенствованием традиционных металлических материалов, но и с созданием принципиально новых классов конструкционных материалов.

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90% изготавливается углеродистой стали и только 10% легированной. Таким образом, основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь. Это связано с тем, что они обеспечивают удовлетворительное сочетание эксплуатационных свойств с хорошей технологичностью, т.е. относительно малыми затратами при обработке давлением, резанием и сварке. Кроме того, эти стали относительно дешевле.

производство применение конструкционная углеродистая сталь

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Углеродистая сталь промышленного производства - сложный по химическому составу сплав. Кроме основы - железа, содержание которого может колебаться в пределах 97,0 - 99,5%, в ней имеется много элементов (примесей), наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства (марганец, кремний), невозможностью полного удаления их из металла (сера, фосфор, кислород, азот, водород), а также случайными обстоятельствами (хром, никель, медь и др.). В зависимости от способа выплавки стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей.

Углерод же вводится в простую углеродистую сталь специально. Он сильно влияет на свойство стали даже при незначительном изменении его содержания. С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая 0,8% углерода, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8% углерода, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8%, то структура стали состоит из феррита и перлита. Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Существенно и влияние углерода на вязкие свойства, увеличение содержания углерода повышает порог хладноломкости и уменьшает ударную вязкость в вязкой области (т.е. при температурах выше порога хладноломкости).

Марганец, кремний, фосфор, сера, водород, азот, кислород - постоянные примеси в том или ином количестве присутствующие в технических сортах стали и влияющие на ее свойства.

Марганец вводится в любую сталь для раскисления, т.е. для устранения вредных примесей закиси железа. Он также устраняет вредные сернистые соединения железа, растворяется в феррите и цементите. Марганец повышает прочность в горячекатаных изделиях. Т.к. содержание марганца во всех сталях примерно одинаково, его влияние на сталь разного состава остается примерно постоянным.

Кремний, как и марганец, раскисляет сталь. Он полностью растворяется в феррите, кроме той части, которая в виде окиси кремния не успела всплыть в шлак и осталась в металле в виде силикатных включений.

Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь. При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора. Сталь, выплавляемая в основной мартеновской печи, содержит немного фосфора (0,02-0,04%), а в электропечи менее 0,02%. Более высокое содержание фосфора повышает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладноломкость стали. Но в отдельных случаях фосфор желателен, т.к. он облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом.

Сера попадает в металл из руд, а также из печных газов - продукт горения топлива. В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электронной печи сера удаляется из стали. Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02-0,03%. Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03-0,04%. Обработкой жидкого металла синтетическими шлаками можно уменьшить содержание серы до 0,005%. Сера нерастворима в железе и любое ее количество образует с железом сернистое соединение - сульфид железа FeS, который входит в состав эвтектики, образующейся при 988?C.

Наличие легкоплавкой и хрупкой эвтектики, расположенной по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800?C и выше, т.е. в районе температур красного каления. Серу считают вредной примесью в стали, но, как и фосфор, она облегчает обрабатываемость резаньем.

Водород, азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах, зависящих от способа производства. Содержания этих элементов в стали определяют, расплавляя в вакууме пробу металла и измеряя количество газов, выделившихся из жидкого металла (Таблица № 1).

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства./1, стр. 4/

В конце 19-начале 20 в.в. получила физико-химическую основу металлургия- наука о производстве металлов из природного сырья .Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения/3, стр. 133/

Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799–1851) и Д.К. Черновым (1839–1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов.

П. П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов.

Д. К. Чернов продолжил труды П. П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии – науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали.

Открытые Д. К. Черновым критические точки в стали явились основой для построения современной диаграммы состояния системы железо – углерод.

Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы /1, стр. 58/.

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное – сплавы цветных металлов (рис. 1) /2, стр.288/

рис. 1

2.1 Химические свойства

В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. В атомах металлов побочных подгрупп (подгруппы б ), называемых переходными, происходит достраивание d- и f -оболочек, в соответствии с чем их делят на d-группу и две f-группы – лантаноиды и актиноиды. Вподгруппыа входят 22 металла: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a ); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a ); Al, Ga, In, Tl (III a ); Ge, Sn, Pb (IV a ); Sb, Bi (V a ); Po (VI a ). Вподгруппыб входят: 1) 33 переходныхметалла d-группы [Сu, Ag, Аи (I б ); Zn, Cd, Hg (II б ); Sc, Y, La, Ac (III 6 ); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б ); V, Nb, Та, элементс Z = 105 (V б ); Сr, Mo, W (VI б ); Mn, Тс, Re (VII б ); Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt (VIII б )]; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидови 14 актиноидов).

Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).

Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей . Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу – от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи – электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н₂ из Н₂ О на холоду, а от Mg по Тl – при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду выше Н₂ , вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании). Металлы, стоящие ниже Н₂ , растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрирированная H₂ SO₄ при нагревании или HNO₃ ), aPt, Аи – только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).

Металлы от Liдо Na легко реагируют с О₂ на холоду; последующие члены ряда соединяются с О₂ только при нагревании, aIr, Pt, Аи в прямое взаимодействие с О₂ не вступают. Окислы металлов от LinoAl и от LanoZn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О₂ уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение /3, стр. 133-134/.

Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах – кубических и гексагональных ЛГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций.

Электрические свойства. Удельная электропроводность металлов при комнатной температуре σ~10 -6 –10 -4 ом -1 см -1 , тогда как у диэлектриков, например, у серы, σ~10 -17 ом -1 см -1 . Промежуточные значения удельной электропроводности σ соответствуют полупроводникам. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов.

Тепловые свойства. Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость С_р ), так и электронным газом (электронная теплоёмкость С_э ). Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости.

Магнитные свойства . Переходные металлы с недостроенными f - и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние. Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты.

Магнитные свойства остальных металлов определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости металлов, и диамагнитной восприимчивостью ионного состава. Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала (X ~ 10 -6 ) и слабо зависит от температуры.

3 АТОМНО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.

Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.

Элементарный кубический кристалл: а – объемно-центрированный; б – гранецентрированный .рис 2

Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм=10 -9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (α-железо) и 36,3 нм (-железо). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.

Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1,2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.

Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток (рис. 3) двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.

Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ- Fe , δ-Fe. Практическое значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств.

Рис.3-кривые охлаждения и нагревания железа.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа (рис. 3) в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами.

В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.

Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001. 0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.

4 ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА И СТАЛИ

Способы их промышленного получения многочисленны и разнообразны. Однако перед металлургией стоят две общие задачи: восстановление металла из его оксида или какого-либо другого соединения и отделение металла от других одновременно образующихся веществ.

4.1 Получение чугуна

4.1.1 Общие сведения

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 %. углерода. Чугун обладает более низкими механическими свойствами, чем сталь, но дешевле и хорошо отливается в изделия сложной формы. Различают несколько видов чугуна.

Белый чугун, в котором весь углерод (2,0. 3,8%) находится в связанном состоянии в виде Fe₃ C (цементита), что и определяет его свойства: высокие твердость и хрупкость, хорошую сопротивляемость износу, плохую обрабатываемость режущими инструментами. Белый чугун применяют для получения серого и ковкого чугуна и стали.

Серый чугун содержит углерод в связанном состоянии только частично (не более 0,5%). Остальной углерод находится в чугуне в свободном состоянии в виде графита. Графитовые включения делают цвет излома серым. Чем излом темнее, тем чугун мягче. Образование графита происходит в результате термической обработки белого чугуна, когда часть цементита распадается на мягкое пластичное железо и графит. В зависимости от преобладающей структуры различают серый чугун на перлитной, ферритной или ферритоперлитной основе.

Свойства серого чугуна зависят от режима охлаждения и наличия некоторых примесей. Например, чем больше кремния, тем больше выделяется графита, а потому чугун делается мягче. Серый чугун имеет умеренную твердость и легко обрабатывается режущими инструментами. Серый чугун, применяемый в строительстве, должен иметь предел прочности при растяжении не менее 120 МПа, а предел прочности при изгибе 280 МПа.

Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие: колонны, опорные подушки, башмаки, тюбинги, отопительные батареи, трубы водопроводные и канализационные, плиты для полов, станины и корпусные детали станков, головки и поршни двигателей, зубчатые колеса и другие детали.

Ковкий чугун получают после длительного отжига % белого чугуна при высоких температурах, когда цементит почти полностью распадается с выделением свободного углерода на ферритной или перлитной основе. Углеродные включения имеют округлую форму. В отличие от серых ковкие чугуны являются более прочными и пластичными и легче обрабатываются.

Высокопрочные (модифицированные) чугуны значительно превосходят обычные серые по прочности и обладают некоторыми пластическими свойствами. Их применяют для отливок ответственных деталей.

При испытании серого и высокопрочного чугунов определяют предел прочности при растяжении, изгибе и сжатии, а при испытании ковкого чугуна – предел прочности при растяжении, относительное удлинение и твердость.

При маркировке серого и модифицированного чугуна, например СЧ12-28, первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две – предел прочности при изгибе. /2, стр. 325-326/

4.1.2 Основы получения

Чугун получают в ходе доменного производства, основанного на восстановлении железа из его природного оксидов, содержащихся в железных рудах, коксом при высокой температуре. Кокс, сгорая, образует углекислый газ. При прохождении через раскаленный кокс он превращается в оксид углерода, который и восстанавливает железо в верхней части печи по обобщенной схеме: Fe₂ O₃ →Fe₃ O₄ →FeO→Fe. Опускаясь в нижнюю горячую часть печи, железо плавится в соприкосновении с коксом и, частично растворяя его, превращается в чугун. В готовом чугуне содержится около 93% железа, до 5 % углерода и небольшое количество примесей кремния, марганца, фосфора, серы и некоторых других элементов, перешедших в чугун из пустой породы.

4.2 ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

4.2.1 Общие сведения о стали

Сталь углеродистая обыкновенного качества.

Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода (рис. 5). При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы – красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04. 0,09 %, а серы 0.04..Д07 %. Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 % – красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8. 1 % не оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12. 0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность.

Рис.5-влияние углерода на механические свойства отожженных сталей.

Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на 12. 15 % дороже кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей сталью, но в результате и незначительного расхода раскислителей стоимость ее меньше, чем спокойной.

Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки. В таблице 1 приведены нормы на механические свойства стали углеродистой обыкновенного качества (группа А).

Углерод - основной легирующий элемент, оказывающий определяющее влияние на свойства и структуру стали. Увеличение содержания углерода в стали до 0,8% приводит к повышению прочностных свойств, твердости и снижению пластичности (рис.3.8) за счет замены мягкого феррита на более прочный перлит. Снижение прочности при содержании углерода свыше 0,8% в сталях, не подвергнутых термической обработке, связано с появлением хрупкой цементитной сетки по границам перлитных зерен.

Постоянными примесями в сталях считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород).

Марганец вводится в сталь для раскисления (удаления кислорода) и устранения вредного влияния сернистых соединений железа. Марганец повышает прочность горячекатанной стали. Содержание марганца в стали 0,3 - 0,8%.

Кремний раскисляет сталь и сохраняется в ней до 0,4%.

Фосфор - вредная примесь, содержащаяся в рудах железа и топливе. Растворяясь в феррите, фосфор вызывает хладоломкость стали, т.е. хрупкость при низких температурах.

Сера - вредная примесь, попадающая в металл из руды и топлива и вызывающая

красноломкость - хрупкость при 800°С и выше, что препятствует горячей обработкедавлением.

Водород, азот, кислород могут растворяться в металле или образовывать

неметаллические включения (нитриды, оксиды). И в том, и в другом случае стали охрупчиваются.

Структура сталей в равновесном состоянии при различном содержании углерода показана на рис.3.9.

а - доэвтектоидная сталь (0,1%С); б - доэвтектоидная сталь (0,6%С); в – эвтектоидная сталь (0,8%С); г - заэвтектоидная сталь (1,2%С)

Влияние углерода на механические свойства сталей Рис. 3.8.

σb – временное сопротивление разрыву; HB – твердость по Бринелю; KCV – ударная вязкость (характеристика надежности); δ – относительное удлинение; ψ - относительное сужение.

Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируются:

- по химическому составу,

-структуре и назначению.

По химическому составу выделяют низкоуглеродистые (≤ 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (> 0,7%С) стали.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества и качественные. Под качеством стали имеют ввидусовокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат вредных примесей до 0,055%S и 0,045 %Р, качественные - не более 0,04%S и 0,035 %Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие (соответственно в конце марки стали ставится индекс сп, пс и кп).

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода, затвердевают спокойно, без газовыделения и образуют сосредоточенную усадочную раковину.

Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при затвердевании жидкого металла частично взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа СО.

Выделение СОсоздает впечатление кипения стали. Кипящие стали более дешевые, низкоуглеродистые, практически без кремния, но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисленности занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификация по структуре учитывают структуру в отожженном (равновесном) состоянии.

Углеродистые стали разделяют на три класса:

- доэвтектоидные (имеющие перлито-ферритную структуру),

- эвтектоидные (структура - перлит),

- заэвтектоидные (имеющие перлито-цементитную структуру).

По назначению углеродистые стали делятся:

- на конструкционные, используемые для изготовления деталей машин,

Пример обозначения: Ст5 сп.

предназначена для изделий, изготавливаемых с применением горячей деформации или термической обработки. Высокотемпературная обработка приводит к изменению первоначальных механических свойств, а для выбора режимов нагрева необходимо знание содержания углерода. Содержание углерода в стали повышается при увеличении номера стали. Первая буква марки указывают способ получения стали (М – мартеновская, К –конверторная) и степень раскисленности.

Пример обозначения: МСт5 пс.

В соответствии с ГОСТ 380-94 стали углеродистые обыкновенного качества на группы не подразделяются и маркируются только в соответствии с содержанием углерода.

Углеродистые качественные стали

Эти стали характеризуются более низким содержанием вредных примесей и

Например, сталь 20кп.

Низкоуглеродистые стали типа 05, 08, 10 - малопрочные, высокопластичные,

применяются для холодной штамповки различных изделий.

Стали 10, 20, 25 - пластичны, хорошо штампуются и свариваются, применяются для изготовления крепежных деталей, втулок, осей, кулачков и др. Низкоуглеродистые стали могут насыщаться с поверхности углеродом (цементация).

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 45, 50 имеют повышенную прочность, но меньшую вязкость и пластичность. Применяют эти стали для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и др. Изделия после механической обработке подвергают закалке и высокому отпуску (термическому улучшению).

Стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 применяют для изготовления рессорно-пружинных

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.005)

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

1. Общая характеристика состава углеродистых сталей

Углеродистые стали являются основной продукцией чёрной металлургии (90%).

Стали (углеродистые) являются многокомпонентными сплавами. Кроме основы – железа (от 97,0 до 99,5% Fe) и углерода (до 2,14%), имеются ряд примесей: Mn, Si, S, P, O, N, H и др.

Наличие Mn, Si обусловлено технологическими особенностями производства (попадают в сталь в процессе раскисления).

Наличие P, S, O, N, H обусловлено невозможностью полного удаления их из металла при выплавке.

Случайные примеси Ni, Cr, Cu и др. – попадают из легированного металлического лома.

Углерод вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания.

Т.о., углерод является основным элементом, при помощи которого изменяются свойства сплава на основе железа.

2. Влияние углерода на свойства стали

С изменением содержания углерода изменяется структура стали. В зависимости от содержания углерода она может иметь следующий вид:

Имея различную структуру, все стали состоят только из двух фаз: Ф и Ц.

Количество цементита возрастает в стали прямо пропорционально содержанию углерода.

Феррит (Ф) – мягкая, пластичная фаза, твёрдость по Бринеллю – 80–90 НВ.

Цементит (Ц) – твёрдая и хрупкая фаза 1000–1100 НV (>800 НВ), (НВ и НV – близки по значению).

Технически чистое железо – мягкое, не содержит Ц или имеет Ц_III (его максимальное содержание в технически чистом железе может достигать – 0,29%).

В доэвтектоидных сталях появляется цементит входящий в перлит (Ф+Ц), следовательно твёрдость будет возрастать.

В эвтектоидной стили – цементита в перлите содержится 12%, остальное феррит.

В заэвтектоидной стали появляется Ц_II – 20,4%, а также цементит входящий в перлит ~ 10%, т.о.всего его около 30%.

Следовательно, чем больше % С в стали, тем количество феррита уменьшается, а количество цементита увеличивается.

С увеличением в стали углерода возрастает твёрдость, пределы прочности и текучести и уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Твёрдость линейно повышается с увеличением углерода (рис. 1).

Предел прочности (?_В) до 0,8 – 0,9% С растёт линейно, при дальнейшем увеличении углерода, т.е.у заэвтектоидных сталей, происходит выделение избыточного цементита (Ц_II) по границам бывшего зерна аустенита, образующего сплошную сетку (скорлупу) – очень твёрдую и очень хрупкую, что и приводит к снижению предела прочности (при растяжении в сетке возникают напряжения, приводящие к разрушению).

Относительное удлинение (?, %), относительное сужение (?, %) по мере увеличения углерода непрерывно снижаются (рис. 1).

Существенное влияние углерода на вязкие свойства. Ударная вязкость (KCU) характеризует сопротивление металла хрупкому разрушению (распространению трещин).

Ударная вязкость (KCU) по мере увеличения содержания углерода до 0,6% резко снижается.

Чем больше ударная вязкость (KCU), тем более вязкий образец (металл).

Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Влияние углерода на хладноломкость железа приведено на (рис. 3).

Каждая 0,1% С повышает температуру порога хладноломкости Т_п.х. в среднем на 20?С и расширяет переходный интервал от вязкого к хрупкому состоянию.

Рисунок 3. Влияние углерода на хладноломкость железа

Температура перехода из вязкого в хрупкое состояние (рис. 4):

Рисунок 4. Переход из вязкого в хрупкое состояние

Т_п.х. – температура перехода из вязкого в хрупкое состояние.

Порог хладноломкости – температурный интервал изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому.

3. Влияние кремния и марганца

Кремний (Si) и марганец (Мn) переходят в сталь в процессе её раскисления при выплавке. Они раскисляют сталь, т.е. соединяясь с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов переходят в шлак:

2FeO + Si = 2Fe + SiO,

FeO + Mn = Fe + MnO.

Частично Si u Mn остаются в стали:

Удаляя О₂ – Si и Mn – повышают плотность металла (слитка).

Si – сильно повышает предел текучести, снижает пластичность (стали с высоким содержанием Si не годятся к глубокой, холодной вытяжке). Поэтому стали предназначенные для холодной штамповки и холодной высадки должны содержать минимальное количество Si.

Mn – заметно повышает прочность ?_в, ?_т, практически не снижая пластичности. Резко уменьшает красноломкость стали.

Сера (S) является вредной примесью. Попадает в сталь из чугуна (из золы и руды).

S – 0,035 – 0,06% (0,018% S – качественная сталь). Сера образует с железом соединение FeS. Это соединение образуют с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления – Т_пл = 988?С.

Наличие эвтектики вызывает красноломкость, т.е. хрупкость при высоких температурах. При нагреве до 1000–1200?С эвтектика, располагающая по границам зёрен, расплавляется и при деформации (ОМД) в стали возникают надрывы и трещины.

Вывозят серу из стали с помощью марганца. Марганец обладает большим сродством к сере, чем железо, и образует соединение MnS с высокой температурой плавления Т_пл = 1620?С:

FeS + Mn ? MnS + Fe.

Сера и её соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали, т. к. разрушение металла идёт по сульфидным включениям (поэтому ударная вязкость металла (KCU) снижается) (рис. 5).

Рисунок 5. Влияние серы на вязкие свойства стали

Также сера снижает пластичность – ?, ?%.

Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Сера облегчает обрабатываемость резанием.

5. Влияние фосфора

Фосфор (Р) является вредной примесью. Содержится в пределах 0,025–0,045% Р. Попадает в сталь в процессе производства из руды, топлива, флюсов.

Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает решетку и увеличивает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость.

Снижение вязкости тем значительнее, чем больше в стали фосфора.

Фосфор значительно повышает порог хладноломкости.

Каждая 0,01% Р повышает порог хладноломкости стали на 20 – 25?С (для углерода такое же влияние оказывает каждая 0,1%).

Фосфор обладает большой склонностью к ликвации (неоднородность распределения). Фосфор скапливается в серединных слоях слитка, по границам зёрен, сильно снижая ударную вязкость.

Фосфор (Р) – усиливает ковалентную (хрупкую) связь и ослабляет металлическую. С понижением температуры хрупкость металла увеличивается (хладноломкость) (рис. 6). Фосфор облегчает обрабатываемость стали режущим инструментом (создавая хрупкость). Совместное присутствие в стали фосфора и меди (Р + Сu) – повышает сопротивление коррозии.

Рисунок 6. Влияние фосфора на хладноломкость стали (0,2% С, 1% Mn)

6. Влияние азота, кислорода и водорода

Кислород (О₂): образует неметаллические включения оксиды – FeO, MnO, Al₂O₃, SiO₂.

Кислород и азот в свободном виде располагаются в раковинах, трещинах и др. Эти включения значительно уменьшают ударную вязкость, повышают порог хладноломкости и уменьшают пластичность, при этом повышается прочность стали (рис. 7).

Рисунок 7. Влияние примесей внедрения кислорода (а) и азота (б) на вязкие свойства железа

Водород (Н₂): при затвердевании часть водорода в атомарном состоянии остаётся в стали. При переходе атомарного водорода в молекулярный повышается давление до 150 МПа, образуя эллипсовидные впадины – флокены, которые являются неисправимым браком. Флокены способствуют сильному охрупчиванию стали.

Частично удалить водород с поверхностного слоя можно путём нагрева до 150–180?С, лучше всего в вакууме ~ 10 -2 – 10 -3 мм. рт. ст. или нагрев до 800?С и выдержке, водород уходит и остаётся чистый металл.

7. Примеси цветных металлов

Примеси: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn и др. Попадают в сталь в процессе переплавки бытового и машиностроительного лома. Их содержание невелико – сотые и даже тысячные доли процента (кроме меди – Cu ? 0,1 – 0,2%).

Читайте также: