Высокопрочные стали реферат по материаловедению

Обновлено: 02.07.2024

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3
1. Строение и свойства конструкционных сталей……………………………4
2. Классификация конструкционных сталей………………………………….6
3. Конструкционные легированные стали…………………………………….8
3.1 Конструкционные низколегированные стали ……………………………8
3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали …………………..8
4. Конструкционные машиностроительные стали и плавы специального назначения ……………………………………………………………………. 12
4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали……………………….…12
4.2 Коррозионностойкие стали ………………………………………………..13
4.3 Жаростойкие стали ………………………………………………………. 14
4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы……………………. 16
Заключение……………………………………………………………………. 17
Список литературы………………………………………………………….….18

Прикрепленные файлы: 1 файл

Реферат (практика).docx

1. Строение и свойства конструкционных сталей……………………………4

2. Классификация конструкционных сталей………………………………….6

3. Конструкционные легированные стали…………………………………….8

3.1 Конструкционные низколегированные стали ……………………………8

3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали …………………..8

4. Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения ……………………………………………………………………. 12

4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали……………………….…12

4.2 Коррозионностойкие стали ………………………………………………..13

4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы……………………. 16

Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых - эксплуатационные, технологические и экономические.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуны и особенно стали.

Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

1. Строение и свойства конструкционных сталей

Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми другими химическими элементами. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14%. Однако в сталях, применяемых в машиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%.

При содержании углерода более 1,3% стали становятся слишком хрупкими, и существенно затрудняется их обработка режущим инструментом.

На сегодняшний день стали являются основным конструкционным материалом для изготовления нагруженных деталей машин, сооружений, элементов подвижного состава. Кроме железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси. Сталь - основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.

Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX века. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. конструкционный сталь закалка

Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Если сталь имеет в своем составе только железо и углерод (Fе, С) и некоторое количество постоянной примеси, то такую сталь называют углеродистой. Если в углеродистую сталь специально введены один или несколько так называемых легирующих элементов (Сr, Ni, W и др.) с целью улучшения ее служебных и технологических свойств, то такую сталь называют легированной. При легировании могут возникать новые свойства, не присущие углеродистым сталям.

2. Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению.

По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы: малоуглеродистые - менее 0,3% С; среднеуглеродистые - 0,3-0,7% С; высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, 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.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: низколегированные - менее 2,5%; среднелегированные - 2,5-10%; высоколегированные - более 10%. Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

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 свойства стали, а также её технологичность во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей - серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными.

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 деформирования.

Конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.

3. Конструкционные легированные стали

3.1 Конструкционные низколегированные стали

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15. 30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.

3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки. Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30. 45).

Хромистые стали (15Х,15ХА). Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.

Хромованадиевые стали(15ХФ). Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые стали(12ХН3А,12Х2Н4А). Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках (крупные детали ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки). Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению. Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.

Хромомарганцевые стали (20ХГ, 25ХГТ). Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.

Хромомарганцевоникелевые стали (20ХГНМ, 15ХГН2ТА). Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Хромокремнемерганцевые стали (хромансил) (20ХГС, 25ХГС). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Хромоникельмолибденовые стали (40ХН2МА). Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

Хромоникельмолибденованадиевые стали (38ХНЗМФ, 36Х2Н2МФА) . Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованади- евых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.

Следует вспомнить, что мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe: содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т. е. может достигнуть 2,14 %.

Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлаждён до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.

Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.

Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень высока (~ 1000 м/с).

Вследствие разности удельных объемов мартенсита и аустенита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов.

При переохлаждении аустенита до температуры, соответствующей точке М_Н (М_S в иностранной литературе) аустенит превращается в мартенсит. Таким образом, М_H – температура начала мартенситного превращения. Если непрерывное охлаждение стали прекратить, то превращение остановится. Чем ниже охладить аустенит, тем больше образуется мартенсита.

По достижения определенной для каждой стали температуры (M_K ) превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения обозначают M_K . Положение M_H и M_K не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом аустенита : чем больше в аустените углерода, тем ниже M_H и M_K . Все легированные элементы, растворенные в аустените, за исключением Coи Al , понижают M_H и M_K (рис.1).

Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей M_H , например 20ºC , то, аустенит, сохранившийся не превращенным при охлаждении до этой температуры, становится устойчивым (А_ост ). Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур M_H …M_K и зависит от температуры, при которой задержалось охлаждение. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается M_С .

1.1Мартенситно – стареющие стали.

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенситно-стареющая сталь Н18К9 М5Т ( ≤0,03%С, ~18%Ni, ~9%Co, ~5%Mo, ~0,6%Ti).

Сталь закаливают на воздухе от 820-850ºС. После закалки, сталь состоит из безуглеродистого массивного (реечного) мартенсита, имеющего наряду с низкой прочностью хорошие пластичность и вязкость: σ_0.2 = 950…1100 МПа; σ_в = 1100…1200Мпа; δ = 18…20%; ψ = 70…80%; и KCU = 2,0…2,5 МДж/м 2 . Таким образом, характерной особенностью безуглеродистого мартенсита являются высокое значение пластичности и вязкости. В закаленном состоянии мартенситно-стареющие стали, легко обрабатываются резанием, хорошо свариваются.

Старение при 480-520ºС повышает прочность мартенситно-стареющих сталей, но понижает пластичность и вязкость. Механические свойства после старения:

σ_0.2 = 1800…2000 Мпа; σ_в = 1900…2100 Мпа; δ = 8…12%; ψ = 40…60%; KCU = 0,4…0,6 МДж/м 2 ; HRС = 52.

Кроме стали Н18К8М5Т нашли применение менее легированные мартенситно-стареющие стали: Н12К9М3Г2, Н10Х11М2Т и т.д.

Мартенситно-стареющие стали после закалки и старения имеют удельную вязкость того же порядка что и другие высокопрочные стали (KCU = 0,35…0,6 МДж/м 2 ). Однако порог хладноломкости у мартенситно-стареющих сталей на 60…80Kниже, а работа распространения трещины КСТ значительно выше, чем у углеродистых высокопрочных сталей (0,25…0,3 МДж/м 2 вместо 0,06…0,08 МДж/м 2 ). Вязкость разрушения у мартенситно-стареющих сталей при σ_в = 1800…2000 Мпа составляет 50…70 Мпа·м в степени (1/2), тогда как у углеродосодержащих легированных сталей при том же значении σ_0.2 = 20…30 Мпа·м 1/2 .

Мартенситно-стареющие стали, имеют высокий предел упругости, поэтому могут применяться для изготовления пружин. При низких температурах прочностные свойства, как обычно, возростают, но при сохранении повышенной пластичности и вязкости, что позволяет их использовать при низких температурах. Эти стали с 11-12% Crотносятся к коррозионно-стойким. Их применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, судостроении, приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Но эти стали дорогостоящие.

1.2. Высокопрочные стали с высокой пластичностью .

Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТRIP – сталями (TRIP – от начальных букв слов TransformationInducedPlasticity) или ПНП – сталями (пластичность, наведенная превращением). Эти стали содержат 8…14% Cr, 8…32% Ni, 0,5…2,5%Mn, 2…6%Mo, до 2% Si. Пример марочного состава: 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1. Отличительной особенностью сталей является то, что после аустенизации при 980…1200ºС температуры мартенситного превращения М_Н и М_Д (начало образования мартенсита деформации), находятся ниже 20ºС, т.е. стали имеют аустенитную структуру.

Для придания стали высоких механических свойств после аустенизации ее подвергают 80%-ной деформации (прокатка, волочение, гидроэкструзия и т.д.) при 250…550ºС (ниже температуры рекристаллизации). При деформации аустенит претерпевает наклеп и обедняется углеродом, что приводит к повышению точек М_Н и М_Д . При этом точка М_Д становится выше 20ºС. При охлаждении, следовательно, аустенит становится метастабильным и при его дальнейшем деформировании происходит мартенситное превращение. Поэтому при испытании на растяжение участки аустенита, где локализуется деформация, претерпевают мартенситное превращение, что приводит к местному упрочнению, и деформация сосредотачивается в соседних (неупрочненных) объемах аустенита. Следовательно, превращение аустенита в мартенсит исключает возможность образования “шейки”, что объясняет высокую пластичность ПНП-сталей.

Механические свойства ПНП-сталей:

σ_0.2 = 1400…1500 Мпа; σ_в = 1500…1700 Мпа; δ = 50…60%.

Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости σ_-1 . При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие стали или легированные высокопрочные стали.

Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д.

Эти стали, используют для изготовления высоконагруженных деталей: проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Этим требованиям в значительной степени отвечают без углеродистые ( ≤0.03 % С ) мартенситно-стареющие стали, углерод и азот в составе которых – вредные примеси, снижающие пластичность и вязкость стали . Эти стали упрочняются закалкой и последующим старением .
Следует вспомнить, что мартенсит является упорядоченным пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe: содержание углерода в мартенсите может быть таким же, как и в исходном аустените, т. е. может достигнуть 2,14 %.
Мартенситное превращение происходит только в том случае, если быстрым охлаждением аустенит переохлаждён до низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными. Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением атомов углерода и железа в решетке аустенита.
Мартенситное превращение осуществляется путем сдвига и не сопровождается изменением состава твердого раствора. Сдвиговой механизм превращения отличается закономерным кооперативным направленным смещением атомов в процессе перестройки решетки. Отдельные атомы смещаются друг относительно друга на расстояния, не превышающие межатомные.
Пока на границе мартенсита и аустенита существует сопряженность решеток (когерентность), скорость образования и роста кристаллов мартенсита очень высока (~ 1000 м/с).
Вследствие разности удельных объемов мартенсита и аустенита увеличиваются упругие напряжения в области когерентного сопряжения, что, в конечном счете, приводит к пластической деформации и образованию межфазной границы с неупорядоченным расположением атомов.
При переохлаждении аустенита до температуры, соответствующей точке М_Н (М_S в иностранной литературе) аустенит превращается в мартенсит. Таким образом, М_H – температура начала мартенситного превращения. Если непрерывное охлаждение стали прекратить, то превращение остановится. Чем ниже охладить аустенит, тем больше образуется мартенсита.
По достижения определенной для каждой стали температуры (M_K) превращение аустенита в мартенсит прекращается. Эту температуру окончания мартенситного превращения обозначают M_K. Положение M_H и M_K не зависит от скорости охлаждения, а обусловлено химическим составом аустенита : чем больше в аустените углерода, тем ниже M_H и M_K . Все легированные элементы, растворенные в аустените, за исключением Co и Al , понижают M_H и M_K (рис.1).
Если задержать на некоторое время охлаждение при температуре, лежащей ниже температуры, соответствующей M_H, например 20єC , то, аустенит, сохранившийся не превращенным при охлаждении до этой температуры, становится устойчивым (А_ост). Это явление стабилизации проявляется более сильно в интервале температур M_H…M_K и зависит от температуры, при которой задержалось охлаждение. Температура, ниже которой проявляется этот эффект стабилизации, обозначается M_С.

1.1Мартенситно – стареющие стали.

1.2. Высокопрочные стали с высокой пластичностью.
Метастабильные высокопрочные аустенитные стали называют ТRIP – сталями (TRIP – от начальных букв слов Transformation Induced Plasticity) или ПНП – сталями (пластичность, наведенная превращением). Эти стали содержат 8…14% Cr, 8…32% Ni, 0,5…2,5%Mn, 2…6%Mo, до 2% Si. Пример марочного состава: 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1. Отличительной особенностью сталей является то, что после аустенизации при 980…1200єС температуры мартенситного превращения М_Н и М_Д (начало образования мартенсита деформации), находятся ниже 20єС, т.е. стали имеют аустенитную структуру.
Для придания стали высоких механических свойств после аустенизации ее подвергают 80%-ной деформации (прокатка, волочение, гидроэкструзия и т.д.) при 250…550єС (ниже температуры рекристаллизации). При деформации аустенит претерпевает наклеп и обедняется углеродом, что приводит к повышению точек М_Н и М_Д. При этом точка М_Д становится выше 20єС. При охлаждении, следовательно, аустенит становится метастабильным и при его дальнейшем деформировании происходит мартенситное превращение. Поэтому при испытании на растяжение участки аустенита, где локализуется деформация, претерпевают мартенситное превращение, что приводит к местному упрочнению, и деформация сосредотачивается в соседних (неупрочненных) объемах аустенита. Следовательно, превращение аустенита в мартенсит исключает возможность образования “шейки”, что объясняет высокую пластичность ПНП-сталей.
Механические свойства ПНП-сталей:
σ_0.2 = 1400…1500 Мпа; σ_в = 1500…1700 Мпа; δ = 50…60%.
Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости σ_-1. При одинаковой или близкой прочности ПНП-стали пластичнее, а при равной пластичности имеют более высокий предел текучести, чем мартенситно-стареющие стали или легированные высокопрочные стали.
Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки, анизотропия свойств деформированного металла и т.д.
Эти стали, используют для изготовления высоконагруженных деталей: проволоки, тросов, крепежных деталей и др.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Министерство образования науки и молодежной политики Нижегородской области

Исследовательская работа

студенты II курса

Тагаева Кристина

Волкова Витория

Руководитель:

Преподаватель дисциплин специального цикла

Стенякина Ю.С

г. Первомайск

I. Понятие стали. 4

II. Преимущества и недостатки…………………………………..………..…….5

III. Виды стали. 6

IV. Классификация стали. 10

V . Характеристики сталей. 12

Список литературы. 18

История развития человечества напрямую связано с изобретением металла. Еще в каменном веке, когда оружие и орудия труда были из камней, был замечен рыжий камень – железная руда. Однажды, кусочек такого камня попал в костёр и люди заметили его необычное свойство – при нагреве он мягкий и эластичный, а когда остывает, становится твердый. Так появился металл, и железная руда стала добываться массово. Со временем возникло кузнечное ремесло и люди стали изготавливать инструменты и оружие.

Цель работы: изучить сталь , ее виды, классификацию и характеристики сталей.

– рассмотреть понятие стали;

– изучить виды стали;

– изучить классификацию стали;

– проанализировать характеристики сталей.

Объект исследования: Сталь.

Актуальность темы: металлургия сегодня, это целый комплекс мер и действий для получения стали и чугуна требуемых качеств. Многие могут не знать, что сталь бывает разной - для пищевой промышленности используется металл одного качества, а для инструментов - другого. Самыми крепкими считаются сплавы железа с углеродом и добавлением легированного металла. Для токарного ремесла, где происходит обработка металла, используется инструментальная сталь. Из нее сделаны резаки, свёрла, протяжки и метчики. Сплав инструментальной стали состоит из железа, углерода и кремния. В таких сталях отсутствуют вредные примеси, такие как сера и фосфор, потому, что это компоненты делают металл мягким. В инструментальной стали количество углерода очень мало.

I . Понятие стали

Сталь — сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержащий не менее 45 % железа и в котором содержание углерода находится в диапазоне от 0,02 до 2,14 % , причём содержанию от 0,6 % до 2,14 % соответствует высокоуглеродистая сталь . Если содержание углерода в сплаве превышает 2,14 %, то такой сплав называется чугуном . Углерод придаёт сплавам прочность и твёрдость , снижая пластичность и вязкость .

Стали с очень высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор , амортизаторов , силовых пружин различного назначения, в приборостроении — для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле , сильфонов , растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям.

В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении — релаксационной стойкостью.

II. Преимущества и недостатки

Описывать плюсы и минусы материала довольно сложно. На практике мы имеем дело с продукцией из стали, причем из сплава самых разных марок, а, значит, и свойств. А одна из особенностей материала как раз и состоит в том, что метод изготовления изделий из него тоже влияет на его свойства. Качества сварной трубы не сравнить с характеристиками трубопровода из холоднокатаной стали.

В общем, можно говорить о следующих преимуществах стали:

высокая прочность и твердость – свойственно всем видам;

огромное разнообразие свойства, обусловленное разным составом и разными методами обработки;

вязкость и упругость, достаточные для применения на всех участках, где требуется стойкость к ударным, статическим и динамическим нагрузкам при отсутствии остаточной деформации;

легкость механической обработки – сварка, нарезка, сгибание;

очень высокая износостойкость по сравнению с другими конструкционными материалами и, соответственно, долговечность;

распространенность сырья и экономически выгодный метод производства, что обуславливает доступную стоимость сплавов.

К недостаткам можно отнести следующее:

самый большой недостаток материала – нестойкость к коррозии. Чтобы избежать повреждений, выпускают специальные виды металла стали – нержавеющие, однако их стоимость заметно выше. Чаще проблему решают за счет покрытия стальных изделий защитным слоем металла или полимера;

сплав накапливает электричество, что заметно усиливает электрохимическую коррозию. Сколько-нибудь объемные конструкции – корпуса машин, трубопроводы, нуждаются в специальной защите;

сплав не отличается легкостью, стальные конструкции имеют большой вес и заметно утяжеляют объекты;

III. Виды стали

Существует более 3500 различных типов стали, которые можно разделить на четыре группы в зависимости от химического состава или содержания металлических сплавов.

Сталь - это сплав, но именно уровень примесей и элементов, таких как никель, магний, молибден, кремний, медь, ванадий , помогает определить марку каждой стали.

1. Углеродистая сталь

Углеродистые стали содержат железо , углерод и другие легирующие элементы, такие как марганец, кремний и медь .

Углерод, однако, является основным легирующим компонентом углеродистых сталей, на которые приходится примерно 90 процентов всех сталелитейных производств.

Углерод является самым твердым элементом, поэтому изделия из углеродистой стали также очень твердые. Варьирование процентного содержания углерода дает сталь с различными качествами. Однако более высокое содержание углерода часто приводит к более прочной, но более хрупкой стали.

В зависимости от уровня содержания углерода углеродистые стали можно разделить на следующие группы:

Мягкие или низкоуглеродистые стали, содержат до 0,32% C

Среднеуглеродистые стали , содержащие 0,30-0,59% С

Высокоуглеродистые стали , содержащие более 0,6-0,99% С

Сверхвысокие углеродистые стали, которые обычно содержат около 1,0–2,0% С

Также известная как Сварочное железо , низкоуглеродистая сталь является наиболее распространенной и наиболее экономически эффективной формой. Легко работать, что делает его подходящим для декоративных изделий, таких как фонарные столбы и ограждения.

В качестве одного из более прочных вариантов, среднеуглеродистая сталь часто используется для ковки крупных конструкций и автомобильных компонентов, а высокоуглеродистая сталь в основном используется для высокопрочных проволок и пружин.

Также известная как чугун , сверхвысокая углеродистая сталь является самой твердой формой их всех и часто используется для ножей, осей, штампов и других специальных целей. Поскольку углеродистые стали не содержат хрома, они подвержены коррозии быстрее, чем почти все другие типы сталей.

2. Легированная сталь

Легированные стали содержат обычные легированные металлы в различных пропорциях, что делает этот тип стали подходящим для конкретных применений.

Эти легирующие металлы включают алюминий, марганец, никель, титан, кремний, медь и хром, добавление которых приводит к свойствам, которые отличаются от свойств, встречающихся в обычных углеродистых сталях.

При добавлении легирующие элементы могут изменять такие свойства, как прочность, пластичность, формуемость, прокаливаемость и способность противостоять коррозии.

Например, нержавеющая сталь производится путем добавления хрома и никеля, тогда как добавление алюминия приводит к более однородному внешнему виду.

С другой стороны, известно, что добавление марганца делает сталь чрезвычайно твердой и прочной.

Легированные стали могут иметь различные механические свойства благодаря широкому диапазону возможных составов. Из-за этих свойств легированные стали служат широкому спектру применений, включая производство трубопроводов, трансформаторов, автозапчастей, электродвигателей и генераторов энергии.

3. Инструментальные стали

Этот тип стали легируется при очень высоких температурах и часто содержит твердые металлы, такие как вольфрам, кобальт, молибден и ванадий . Поскольку инструментальные стали не только жаростойкие, но и долговечные, их часто используют для резки и сверления оборудования .

Тем не менее, существуют различные типы инструментальных сталей, каждый из которых содержит различные количества различных легированных металлов. В результате каждый тип инструментальной стали предлагает разный уровень термостойкости и долговечности.

4. Нержавеющая сталь

Хотя нержавеющие стали состоят из нескольких металлических сплавов, они обычно содержат 10-20 процентов хрома, что делает его основным легирующим элементом. По сравнению с другими видами стали нержавеющие стали примерно в 200 раз более устойчивы к коррозии, особенно в тех, которые содержат не менее 11 процентов хрома. В результате нержавеющая сталь высоко ценится за свою способность противостоять коррозии. По своей кристаллической структуре нержавеющие стали делятся на одну из следующих категорий:

Аустенитные стали

Хотя аустенитные стали содержат следовые количества никеля (восемь процентов) и углерода (0,08 процента), в них много хрома. Как правило, аустенитные стали имеют содержание хрома около 18 процентов.

В таких областях, как производство труб, кухонной утвари и оборудования для пищевой промышленности , аустенитные стали являются наиболее распространенным видом нержавеющей стали. Хотя аустенитные стали не поддаются термической обработке, они ценятся за их немагнитные свойства.

Ферритные стали

Помимо содержания следовых количеств никеля, менее 0,1 процента углерода и около 12-17 процентов хрома, ферритные стали обычно содержат легкие металлы, такие как молибден, алюминий или титан, в небольших количествах.

Ферритные стали магнитные, прочные и очень прочные. Тем не менее, холодная обработка может быть использована для их дальнейшего укрепления. К сожалению, они не чувствительны к термообработке, а это значит, что для их закалки нельзя использовать нагревательную технику.

Мартенситные стали

В дополнение к содержанию умеренного количества углерода (около 1,2 процента) и никеля (менее 0,4 процента), мартенситные стали содержат 11-17 процентов хрома.

Помимо магнитных свойств, мартенситные стали также чувствительны к термообработке. Этот тип в основном используется для изготовления стоматологического и хирургического оборудования, лезвий, ножей и нескольких других режущих инструментов.

Нержавеющая сталь обладает способностью выдерживать большую часть износа, вызванного ежедневным использованием, что делает их очень долговечными. Кроме того, невидимый слой хрома служит для предотвращения окисления, что делает нержавеющие стали устойчивыми к царапинам и коррозии.

IV.Классификация стали

Классификация по раскислителю

При плавке металлов частой проблемой является растворенный в них газ – кислород, азот, водород, чтобы удалить его прибегают к раскислению. В зависимости от полноты процесса различают 3 вида:

спокойная – металл не содержит закиси железа. В сплаве полностью отсутствуют газы, так что его свойства наиболее стабильны и однородны. Применяется для ответственных конструкций, поскольку технология его получения дорогая;

полуспокойная – затвердевает без кипения, но сопровождается выделением газов. Какое-то количество газов остается, однако может быть удалено при прокатке сплава. Как правило, полуспокойная сталь используется как конструкционная;

кипящая – содержит растворенные газы. Это сказывается на свойствах: материал склонен к трещинообразованию при сварке, например, но, так как производство кипящей стали требует меньше всего затрат, производится и такой сплав для многих простых конструкций.

Классификация по назначению

Довольно условное разделение сталей по сферам применения стали.

Строительные – сплавы обычного качества и низколегированные, рассчитанные на высокие статические и в некоторых случаях динамические нагрузки. Главное требование к ним – хорошая свариваемость. На деле в зависимости от характера строительного объекта, применяется материал самого разного качества.

Инструментальные – как правило, высокоуглеродистые и высоколегированные, применяются при изготовлении инструментов. Различают штампованные сплавы, режущие и стали для измерительных инструментов. Режущие отличаются твердостью и теплостойкостью, материал для измерительных приборов – высокой износостойкостью.

Конструкционные – с низким содержанием марганца. Это цементируемые, высокопрочные, автоматные, шарико-подшипниковые, износостойкие и так далее, применяемые для изготовления самых разнообразных узлов и конструкций. Столь огромного разнообразия свойств добиваются за счет легирования.

Порой выделяют специальные стали – жаропрочные, жаростойкие, кислотоупорные, но на деле они являются разновидностью конструкционных.

V . Характеристики сталей

Различные виды стали производятся в соответствии с механическими и физическими свойствами, необходимыми для их применения. Различные системы классификации используются для различения сталей на основе этих свойств, которые включают плотность, упругость, температуру плавления, теплопроводность, прочность и твердость (среди прочих). Чтобы производить разные стали, производители варьируют тип и количество легированных металлов, производственный процесс и способ обработки сталей для производства определенных продуктов.

По данным Американского института чугуна и стали, стали можно разделить на четыре группы в зависимости от их химического состава:

Свойства углеродистых сталей

Углеродистые стали - это сплавы, изготовленные из комбинации железа и углерода. Изменяя процентное содержание углерода, можно производить сталь с различными качествами. В целом, чем выше уровень углерода, тем прочнее и хрупче сталь.

Низкоуглеродистую сталь иногда называют кованым железом. Он прост в работе и может использоваться для декоративных изделий, таких как ограждения или фонарные столбы.

Среднеуглеродистая сталь очень прочная и часто используется для крупных конструкций, таких как мосты.

Высокоуглеродистая сталь используется в основном для проволоки.

Чугун - это очень твердая сталь, но она также довольно хрупкая.

Свойства легированных сталей

Легированные стали названы так, потому что они сделаны с небольшим процентом одного или нескольких металлов, помимо железа. Добавление сплавов меняет свойства сталей. Например, сталь из железа, хрома и никеля производит нержавеющую сталь. Добавление алюминия может сделать сталь более однородной по внешнему виду. Сталь с добавлением марганца становится исключительно твердой и прочной.

Свойства нержавеющих сталей

Нержавеющая сталь содержит от 10 до 20% хрома, что делает сталь чрезвычайно устойчивой к коррозии (ржавлению). Когда сталь содержит более 11% хрома, она примерно в 200 раз более устойчива к коррозии, чем стали, не содержащие хрома. Существует три группы нержавеющих сталей:

Аустенитные стали с очень высоким содержанием хрома также содержат небольшое количество никеля и углерода. Они очень часто используются для обработки пищевых продуктов и трубопроводов. Они ценятся отчасти потому, что они немагнитные.

Ферритные стали содержат около 15% хрома, но только следовые количества углерода и металлических сплавов, таких как молибден, алюминий или титан. Эти стали магнитные, очень твердые и прочные, и их можно еще больше упрочнить холодной обработкой.

Мартенситные стали содержат умеренное количество хрома, никеля и углерода. Они являются магнитными и термообрабатываемыми. Мартенситные стали часто используются для режущих инструментов, таких как ножи и хирургическое оборудование.

Свойства инструментальных сталей

Инструментальные стали - это прочные жаропрочные металлы, содержащие вольфрам, молибден, кобальт и ванадий. Неудивительно, что они используются для изготовления таких инструментов, как дрели. Существует множество различных типов инструментальных сталей, содержащих различное количество различных легированных металлов.

Механические свойства стали обусловлены сочетанием химического состава, термической обработки и производственных процессов. Хотя основным компонентом стали является железо, добавление очень небольших количеств других элементов может оказать заметное влияние на свойства стали. Прочность стали может быть увеличена путем добавления сплавов, таких как марганец, ниобий и ванадий. Однако эти добавки сплава могут также отрицательно влиять на другие свойства, такие как пластичность, ударная вязкость и свариваемость.

Минимизация уровня серы может повысить пластичность, а ударную вязкость можно улучшить путем добавления никеля. Поэтому химический состав каждой спецификации стали тщательно сбалансирован и проверен в процессе ее производства, чтобы обеспечить достижение соответствующих свойств.

Легирующие элементы также вызывают различную реакцию, когда материал подвергается термообработке, включающей охлаждение с заданной скоростью от определенной пиковой температуры. Процесс производства может включать комбинации термической обработки и механической обработки, которые имеют решающее значение для характеристик стали.

Механическая обработка имеет место, когда сталь катится или формируется. Чем больше стали катится, тем сильнее она становится. Этот эффект проявляется в стандартах на материалы, которые, как правило, указывают на снижение уровней предела текучести при увеличении толщины материала.

Эффект термической обработки лучше всего объясняется со ссылкой на различные производственные процессы, которые можно использовать в производстве стали, основными из которых являются:

Термомеханически рулонная сталь

Закаленная и отпущенная сталь.

Использование высокопрочной стали может уменьшить объем необходимой стали, но сталь должна быть прочной при рабочих температурах, и она также должна обладать достаточной пластичностью, чтобы противостоять распространению вязких трещин. Следовательно, стали с более высокой прочностью требуют улучшенной ударной вязкости и пластичности, что может быть достигнуто только при использовании низкоуглеродистых чистых сталей и путем максимального измельчения зерна. Реализация термомеханического процесса прокатки является эффективным способом достижения этого.

Тушение включает быстрое охлаждение продукта путем погружения непосредственно в воду или масло. Он часто используется в сочетании с отпуском, который является второй стадией термообработки до температур ниже аустенизирующего диапазона. Эффект закалки заключается в том, чтобы смягчить ранее отвержденные структуры и сделать их более жесткими и пластичными.

Читайте также: