Материаловедение. Лекция Материаловедение и технология конструкторских материалов.. И технология конструкционных материалов металлы и сплавы железоуглеродистые сплавы
 Скачать 1.88 Mb.
|
|
вводить известь, конвертор должен иметь основную футеровку, которая не могла бы реагировать с известью при высоких температурах. При этом способе образуется много шлака (до 25 % массы готовой стали). МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ В настоящее время наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами являются электрические печи , в которых плавление металла осуществляют с помощью электрической энергии. Особенности производства стали в электропечах: - отсутствие реакции горения топлива, облегчающее получение в печи восстановительной атмосферы, что способствует значительному сокращению угара стали и уменьшению расхода легирующих добавок; - в плавильном пространстве можно достигнуть более высокой температуры, позволяющей получать специальные легированные стали; - может быть точно отрегулирован химический состав стали; - в основных электропечах достаточно полно удаляются вредные примеси фосфора и серы. Различают два вида электрических печей: - дуговые; - индукционные . Наиболее широко применяют дуговые печи (рис.10). Вместимость дуговых печей 3…270 т. В последнее время получают распространение индукционные печи , работающие на принципе трансформатора: в загруженном металле, являющемся вторичной цепью, наводится переменный ток (токи Фуко), в результате металл нагревается и расплавляется. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Схема дуговой электрической печи: 1 – электроды; 2 – ванна расплавленного металла; 3 – поворотный механизм; 4 – электропровод МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ Термической обработкой называют процессы нагрева и охлаждения стальных изделий, проведенные по определенному режиму с целью повышения качества связанного с изменением структуры. Большое влияние на структуру металла оказывает скорость ее охлаждения. При медленном охлаждении, аустенит полностью превращается в перлит, и получаются равновесные структуры (феррит + перлит, перлит и перлит + цементит). Размер зерна перлита более 10 –6 м. При быстром охлаждении образуются мелкозернистая смесь цементита с ферритом, получившая название сорбит. Размер зерен сорбита 10 –7 …10 –8 м. При более быстром охлаждении зерна металла получаются еще более мелкими (10 –9 …10 –10 м), образуется высокодисперсная смесь цементита с ферритом, получившая название троостит. При резком охлаждении происходит перестройка кристаллической решетки γ –Fe в α –Fe, однако атомы углерода не успевают выделиться из образовавшейся решетки. Получается пересыщенный раствор углерода в α –Fe с искаженной кристаллической решеткой, называемый мартенситом. Мартенсит является наиболее неустойчивой и в то же время, наиболее твердой и хрупкой структурой стали. Под микроскопом мартенсит выявляется в виде характерных очень тонких игольчатых образований. При нагреве мартенситовая структура переходит в более устойчивые структуры: троостит, сорбит и перлит. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Основные виды термической обработки: - отжиг, - нормализация, - закалка, - отпуск. Отжиг производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании. Различают полный отжиг, неполный отжиг и нормализацию. – полный отжиг производится путем нагрева стального изделия до температуры выше верхних критических точек на 30…50 °С, выдержки при этих температурах до полного прогрева с последующим очень медленным охлаждением (вместе с охлаждаемой печью, под слоем песка, золы, шлака и т.п.); – неполный отжиг нагрев производится до температуры выше нижних критических точек на 30…50 °С с выдержкой при этих температурах и последующем медленном охлаждении. При неполном отжиге происходит только частичная перекристаллизация. – нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить однородную мелкозернистую структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации производят нагрев стального изделия до температуры выше верхних критических точек на 30…50 °С, выдержка при этих температурах и последующем охлаждении на воздухе. Закалка – процесс нагрева металла выше верхних критических точек на 30…50 °С с выдерживанием при этих температурах до полного прогрева слитка и последующим очень быстрым его охлаждением. Из аустенита образуется мартенсит. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже нижних критических точек. Различают три вида отпуска: низкий , средний и высокий . В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки превращается в более устойчивые структуры (мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит). Мартенсит отпуска имеет измененную кристаллическую решетку. Процесс его образования сопровождается объемными изменениями, выделением тепла и частичным снятием внутренних напряжений. При более высоком нагреве стальных изделий образуется сорбит, троостит и перлит. При неправильном проведении термообработки , то есть отклонении от установленного режима, можно только ухудшить качество стали. Причинами брака могут быть недостаточность нагрева стали, малая скорость охлаждения, перегрев, коробление, закалочные трещины, обезуглероживание. Термической обработкой можно улучшить качество чугунных отливок, которые часто имеют линейные напряжения. Напряжения эти снимаются при низкотемпературном отжиге до 500 °С в течение 3…5 ч, а для больших деталей – «старением», т. е. выдержкой в течение 3…12 месяцев при нормальной температуре. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Химико-термическая обработка сталей Наряду с термической обработкой широко применяется химико-термическая обработка сталей. Химико-термическая обработка стальных изделий заключается в изменении химического состава на поверхности изделия с последующим проведением термической обработки. От поверхностной закалки данный вид обработки отличается тем, что предварительно производится насыщение поверхности различными элементами (С, N, Al, Si, Сг и др.) путем их диффузии. Проникая в основную решетку металла, атом вводимого элемента образует твердый раствор внедрения или замещения либо химическое соединение. Процесс химико-термической обработки включает: – образование во внешней среде активных атомов диффундирующего вещества; – поглощение поверхностью основного металла атомов активного вещества (адсорбция); – перемещение активных атомов с поверхности внутрь основного металла (диффузия). На качество процесса влияют вид внедряемого вещества, температура, при которой происходит процесс, и его продолжительность. Цементация — поверхностное насыщение малоуглеродистой стали (С < 0,2 %) углеродом с целью получения детали с твердой поверхностью и вязкой сердцевиной. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали Согласно действующей классификации сталь по составу делится на: - углеродистую; - легированную . При обозначении марок сталей могут быть указаны: – группы, по которым сталь поставляется (А – по механическим свойствам, Б – по химическому составу, В – по механическим свойствам и дополнительному требованию в отношении химического состава); – метод производства (М – мартеновский, Б – бессемеровский, К – кислородно-конверторный); – дополнительные индексы (сп – спокойная сталь, пс – полуспокойная сталь, кп – кипящая сталь). В группе А обозначение «М» часто опускается, однако имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии обозначений сп, пс, кп подразумевается сталь спокойная. Механические характеристики сталей зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяются без термообработки. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7 . По мере увеличения номера повышается содержание углерода, а также прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вязкость. Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но перед маркой стали ставят букву Б ( БСт0, БСт1кп ). Сталь группы В изготовляют следующих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5 . Качественная конструкционная углеродистая сталь поставляется по химическому составу и механическим свойствам и выплавляется в кислородных конверторах и мартенах. Установлены следующие марки качественной конструкционной углеродистой стали: 05кп, 08кп, 08сп, 08, 10кп, 10сп, 10пс, 15, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60 . Две цифры в марках показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали Инструментальные углеродистые стали содержат углерода более 0,65 %. В зависимости от содержания примесей серы и фосфора, а также способа производства они делятся на качественные и высококачественные (с содержанием серы не более 0,03 % и фосфора не более 0,035 %. Инструментальные стали могут быть качественные: У7, У8, У9, У10, У И, У12, У13 ; высококачественные, с той же маркировкой и добавлением буквы А , например, У7А, У8А и т. д. В строительстве инструментальная сталь применяется с обязательной термической обработкой (закалкой с последующим низким или средним отпуском). Легированная сталь в зависимости от содержания легирующих элементов делится на: - низколегированную (с содержанием легирующих элементов в сумме не более 2 %), - легированную (с содержанием легирующих элементов 2…10 %), - высоколегированную (с содержанием легирующих элементов свыше 10 %). МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стальных изделий. Хром повышает твердость и коррозионную стойкость. Никель придает прочность, пластичность и повышает коррозионную стойкость. Вольфрам увеличивает твердость и красностойкость. Ванадий повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию. Кобальт повышает жаропрочность, магнитопроницаемость. Молибден увеличивает красностойкость, прочность, сопротивление окислению при высоких температурах. Марганец при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок. Титан повышает прочность и сопротивление коррозии. Алюминий повышает окалиностойкость; Ниобий повышает кислотостойкость. Медь повышает коррозионную стойкость. В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали По назначению легирования сталь делится на три группы: - конструкционная , - инструментальная, - сталь с особыми физическими и химическими свойствами . В маркировке легированных сталей приняты следующие буквенные обозначения легирующих элементов: X – хром, Н – никель, А – азот, В – вольфрам, Е – селен, Г – марганец, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, П – фосфор, Ю – алюминий, М – молибден, К – кобальт, Ц – цирконий, Ф – ванадий. Эти буквы в сочетании с цифрами образуют ее марку. Если впереди марки стоят две цифры, они указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Одна цифра в начале марки означает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если в начале марки нет цифры, то количество углерода составляет 1 % и выше. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали Цифры, следующие за буквами, показывают среднее содержание данного элемента в процентах. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1 %. Буква А в конце марки обозначает высококачественную сталь, содержащую меньше серы и фосфора. Например, 12Х2Н4А – это легированная сталь, высококачественная, с содержанием углерода 0,12 %, хрома 2 %, никеля 4 %; Г13 – легированная сталь с содержанием углерода 1 % и более, марганца 13 %. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ Основные виды металлов, применяемых в строительстве Углеродистые и легированные стали К легированным сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся: - жаростойкие, - жаропрочные, - коррозионностойкие, - износоустойчивые, - магнитные стали. Жаростойкой (окалиностойкими) считается сталь , которая способна сопротивляться химическому разрушению (окислению) в газовых средах при температуре выше 550 °С. Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые изменяют состав и строение окалины, образуя тонкие защитные пленки. Жаропрочной является сталь , способная противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. В настоящее время жаропрочность материала оценивается пределом ползучести (напряжением, вызывающим заданную скорость деформации при данной температуре) и длительной прочностью (способностью материала сопротивляться напряжению, вызывающему разрушение при определенной температуре за определенный промежуток времени). |