Углеродистые стали, их свойства и применение. Материаловедение. Контрольная работа дисциплина Материаловедение Тема работы Углеродистые стали, их свойства и применение Студент Перепелкин Дмитрий Сергеевич Группа
 Скачать 31.58 Kb.
|
|
| | | | | | |
Если водорода в металле много, то это может привести к чрезвычайно опасным внутренним надрывам в металле - флокенам. Образованные азотом и кислородом хрупкие неметаллические включения ухудшают свойства металла. Т.к. содержание этих газов невелико, то их влияние на многие другие свойства незаметно. Однако они сильно влияют на вязкие свойства, уменьшают ударную вязкость и резко повышают порог хладноломкости.
2.Способы производства
В металлургии применяют различные способы производства стали. Как известно сталь производят (выплавляют) в различных печах. В соответствие с этим сталь подразделяют на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь. Самый прогрессивный способ получения стали - конверторный (продолжительность плавки - 30-60 мин.). Длительность мартеновской же плавки до 11 часов.
В бессемеровском конверторе жидкий чугун продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, и чугун превращается в сталь. Этот способ очень производителен, но при нем сера и фосфор не удаляются в достаточной степени (Таблица № 2), а металл насыщается газами, особенно азотом. Бессемеровский металл вследствие повышенного содержания газа, в первую очередь азота, отличается от мартеновской большей прочностью, но меньшей пластичностью, склонностью к старению, большей загрязненностью неметаллическими включениями.
Кислородно-конверторный способ отличается тем, что вместо воздуха используют технически чистый кислород с очень малым загрязнением азотом. В результате этого содержание азота в металле будет низким. Такой металл называется конверторным, и по свойствам он практически не отличается от мартеновского.
При конверторном и мартеновском способах производства подбором соответствующих шлаков и режимов ведения плавки можно удалить в значительной степени серу и частично фосфор. В зависимости от состава шлаков (основных (CaO и MgO) и кислых (SiO2) окислов) футеровка печи должна быть или основной (магнезит или хромомагнезит) или кислой (динас), чтобы избежать реакции между футеровкой и шлаком. Если шлак имеет основную реакцию, т.е. в избытке имеются окислы CaO и MgO, то он удаляет из металла большую часть фосфора и часть серы. Значит, при сравнительно не очень чистой шихте металл в основной мартеновской печи получается достаточно чистым по сере и фосфору, хотя и более насыщенным кислородом. При кислом процессе в шлаке имеется избыток кремнистая кислота SiO2, при наличии которой сера и фосфор из металла не удаляются, но насыщение металла кислородом происходит в меньшей степени. Поэтому для кислого мартеновского процесса требуются чистые по сере и фосфору исходные материалы, и если это обеспечено, то металл получается лучшего качества, т.к. содержит меньше кислорода.
Удаление из металлов серы, фосфора и кислорода достигается в наибольшей степени в электропечах (дуговых или индукционных). Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной. Т.к. практически полное отсутствие газов и связанное с этим улучшение свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах в вакууме, то стали и сплавы для наиболее ответственных назначений производят этим способом. Установки для вакуум-плавки очень сложны. Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем помещенная в вакуум. Этот способ дешевле, чем выплавка в вакууме.
| | | | | | | | |
В зависимости от способа раскисления стали подразделят на:
спокойную сталь (сп), раскисленную марганцем, кремнием и алюминием;
кипящую сталь (кп), раскисленная только марганцем;
полуспокойную сталь (пс), раскисленная марганцем и алюминием, т.е. характеризующуюся промежуточным раскислением.
Эти стали отличаются по химическому составу:
сп - 0,14 - 0,3% Si, 0,002% О2;
пс - 0,05 - 0,10% Si, 0,01% О2;
кп - <0,05% Si, 0,02% О2.
Стали различных способов раскисления характеризуются следующими показателями выхода годного: спокойная сталь - 85-90%; полуспокойная сталь - 90-95%; кипящая сталь - 95-100%.
Состав стального слитка неодинаков. В верхней и средней части слитка содержится больше примесей - серы, фосфора и углерода. Это явление носит название зональной ликвации, которая вследствие уменьшения растворимости примесей в железе при его переходе из жидкого состояния в твердое. В верхней части слитка из-за конвекции жидкого металла содержание серы, фосфора и углерода увеличивается в несколько раз, а в нижней части - уменьшается. Поэтому металл из верхней части слитка будет отличаться от нижней, и оба они будут отличаться от средней. В кипящей стали зональная ликвация больше, чем в спокойной. Чем крупнее слиток, тем сильнее выражена зональная ликвация. Поэтому при прокатке - прибыльную, подприбыльную, и донную части слитка отрезают.
3. Классификация углеродистых сталей
В зависимости от назначения стали делят на:
конструкционные (детали машин, механизмов и различных конструкций, болты, гайки, мосты, краны);
инструментальные стали (режущий инструмент, мерительный инструмент, штампы).
По содержанию углерода:
малоуглеродистые (0,025ч0,25%С);
среднеуглеродистые (0,25ч0,6%С);
высокоуглеродистые (> 0,6%С).
По качеству:
обыкновенного качества (<0,05%S; <0,04%Р);
качественные (<0,04%S; <0,035%Р);
высококачественные (<0,03%S; <0,03%Р).
Качество сталей определяется содержанием в них вредных примесей: серы и фосфора. Конструкционные стали изготавливают обыкновенного качества и качественными; инструментальные стали - качественными и высококачественными.
4. Стали обыкновенного качества
Данные стали в процессе выплавки меньше очищаются от вредных примесей и содержат больше серы и фосфора, большое количество неметаллических включений, значительно развита ликвация. Содержание серы до 0,05%, фосфора до 0,04%.
Маркируются: Cт0, Cт 1, Cт2, Cт3, Cт4, Cт5, Cт6.
Все эти стали по структуре доэвтектоидные - 0,06-0,49% углерода.
Указание способа раскисления: Cт1кп, Cт1пс, Cт1сп, Cт3кп, Ст3пс, Cт3сп. Начиная со стали 4 выпускают только стали спокойные и полуспокойные: Cт6сп, Cт6пс.
Каждая марка стали выполняется в 14 вариантах, которые гарантируют определенные механические и химические свойства.
Рассмотрим в качестве примера сталь - Cт3сп4. Первая цифра «3» - указывает только порядковый номер марки стали по ГОСТ 380-94, а не содержание углерода. Но с увеличением номера содержание углерода увеличивается. Чем больше содержится в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Вторая цифра «4» (может изменяться от 1 до 5) - гарантирует определенные механические свойства и химический состав стали (категория поставки). Стали первой категории имеют гарантию по механическим свойствам, временное сопротивление, относительное удлинение. Стали второй категории имеют гарантию по механическим свойствам и химическому составу. Стали третей категории - по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при +20?C. Стали четвертой категории - по механическим свойствам, химическому составу и ударной вязкости при -20?C. Стали пятой категории - по механическим свойствам, химическому составу, ударной вязкости при -200С и после старения.
В таблице № 3 указаны состав сталей и механические свойства сталей обыкновенного качества по ГОСТ 380-94
| | | | | | | | |
Области применения сталей обыкновенного качества: Ст0 - ограждения, перила, кожухи, обшивка (т.е. детали неответственные); Ст1 - детали с высокой вязкостью и низкой твердостью (анкерные (фундаментные) болты, связывающие обшивки); Ст2 - неответственные детали требующие высокой пластичности или глубокой вытяжки; Ст3 - несущие элементы сварных и не сварных конструкций или деталей; фасонные швеллеры для рамы тракторов, обода колес автомобилей, фасонные профили для сельскохозяйственного машиностроения; арматура гладкого профиля для армирования железобетонных конструкций; Ст5 - болты, гайки, тяги, трубные решетки, клинья, рычаги, упоры, штыри, стержни, пальцы; Ст6 - бабы молотов (ударная часть), шпиндели (вращающая часть на станке), ломы строительные; от Ст0 до Ст6 - балки двутавровые, швеллеры, угловая сталь.
Стали обыкновенного качества поставляются по гарантированному химическому составу и механическим свойствам. Спокойная сталь по температуре перехода в хрупкое состояние значительно лучше, чем кипящая.
5. Качественные конструкционные углеродистые стали
Эти стали выплавляют кислородно-конверторным способом, в мартеновских печах или электропечах. В зависимости от раскисления они могут быть спокойными или кипящими. К стали этой группы предъявляются более высокие требования относительно химического состава:
меньше содержание серы - 0,04%,
фосфора - 0,035%;
меньше количество неметаллических включений;
повышенные требования к макро- и микроструктуре сплава.
Поставляются стали по гарантированному химическому составу и механическим свойствам.
Маркировка производится цифрами по ГОСТ1050-88: 05, 08, 10, 11, 15, 18, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58, 60. Цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Выпускают стали в соответствии с ГОСТ 1050-88. Изготавливают горячекатаную и кованую сталь с термической обработкой (отжиг, нормализация, высокий отпуск), так и без нее. Сталь предназначается для горячей обработки давлением, механической обработки и для холодного волочения (подкат).
В таблице № 4 указаны химический состав и механические свойства углеродистой качественной стали по ГОСТ 1050-88
| | | | | | | | | | |
Области применения углеродистых качественных конструкционных сталей: 05кп, 08, 08кп - детали изготавливаемые холодной штамповкой и глубокой вытяжкой (кузова, крылья автомобилей, топливные баки, змеевики, элементы сварных конструкций); 10, 15 - используют для деталей, не испытывающих высоких нагрузок: кулачковые валики, рычаги, оси, втулки, болты, гайки, заклепки, муфты; 20, 25 - крепежный материал, соединительные муфты, шпиндели, толкатели клапанов, рамы и другие детали автотракторного сельскохозяйственного машиностроения; 30, 35 - слабонагруженные оси, валы различных машин и механизмов, шпиндели, шестерни, рычаги, звездочки, кольца, шатуны; 40, 45, 50 - средненагруженные оси, валы, шестерни, втулки, коленчатые валы, плунжеры, фрикционные диски; 55, 60 - пружины, рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки, железнодорожные рельсы, крановые колеса.
6. Инструментальные качественные углероды
Маркируются углеродистые инструментальные стали по ГОСТ1435-99: У7, У8, У10, У11, У12, У13, У14. Цифра показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента: У7 - 0,7% углерода; У11 - 1,1% углерода. Стали могут быть качественные (серы 0,028%, фосфора 0,03%) и высококачественные (серы 0,018%, фосфора 0,025%). Буква А в конце марки, указывает, что сталь высококачественная. Обозначаются углеродистые высококачественные инструментальные стали У7А, У8А, …, У13А. Эти стали не обладают теплостойкостью, рабочая температура не более 190-200?C (при нагреве выше происходит резкое снижение твердости режущей кромки с HRC62-63 до HRC15-18). Используют после термической обработки.
Области применения инструментальных сталей: У7, У7А - зубила, молотки, плоскогубцы, кусачки, пневмоинструмент; У8, У8А - фрезы, ножи, зенковки, штампы, матрицы, пуансоны, ножницы, деревообрабатывающий инструмент; У9, У9А, У10, У10А - сверла, метчики, развертки, плашки, матрицы для холодной штамповки; У11, У11А, У12, У12А, У13, У13А - резцы, напильники, сверла, измерительный инструмент, ножовочные полотна.
7. Автоматные стали (конструкционные)
Хорошо обрабатываются при больших скоростях резания, при этом получается высокое качество поверхности. Это достигается повышенным содержанием серы и фосфора. Сульфиды марганца MnS способствуют образованию короткой и ломкой стружки. Фосфор, повышая прочность, твердость и порог хладноломкости, способствует образованию ломкой стружки и получению гладкой и блестящей поверхности.
Маркировка: А12, где А - автоматная, «12» - среднее содержание углерода в сотых долях процента. А4ОГ - повышенное содержание марганца (1,2-1,55%). Содержание: серы 0,08 - 0,3%; фосфора 0,08 - 0,15%.
А12 - 0,12% углерода, А30 - 0,3% углерода, А20 - 0,2% углерода, А40Г - 0,4% углерода.
Для улучшения обрабатываемости можно добавлять свинец в количестве 0,15 - 0,3%.
АС11, АС 14, АС40 - 0,4% углерода.
Может быть проведено легирование селеном (? 0,1%).
А35Е - 0,35% углерода.
Обрабатываемость улучшается в 2 раза (по сравнению со сталями с повышенным содержанием серы и фосфора).
Из автоматных сталей изготавливают болты, гайки, винты, детали сложной конфигурации на станках автоматах.
Заключение
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.
Углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твёрдость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги. Углеродистые стали, благодаря этим достоинствам, стали основной металлический материал промышленности.
Примечание.
Таблица № 1
| | | | | | |
| Газ | Содержание газов, %, при способах производства стали | | | | |
| | В электропечах | Мартеновский основной | Кислородно-конверторный | Бессемеровский | |
| Водород | 0,0004-0,0006 | 0,0003-0,0007 | 0,0001-0,0003 | 0,0004-0,0007 | |
| Азот | 0,007-0,010 | 0,004-0,006 | 0,002-0,005 | 0,010-0,015 | |
| Кислород | 0,002-0,004 | 0,005-0,008 | 0,005-0,008 | 0,01-0,03 | |
Таблица № 2
| | | | | | | | |
| Способ изготовления | Содержание S и P, % | В процессе плавки удаляются | Порядок | | | | |
| | S | P | S | P | По качеству | По стоимости | |
| Мартеновский (основной) | 0,05 | 0,04 | Частично | Удаляется | 4 | 3 | |
| Кислородно-конверторный (основной) | 0,05 | 0,04 | Частично | Удаляется | 3 | 2 | |
| Бессемеровский | 0,,07 | 0,09 | Не удаляется | Не удаляется | 5 | 1 | |
| Мартеновский (кислый) | 0,05 | 0,05 | Не удаляется | Не удаляется | 2 | 4 | |
| В электропечах | 0,3 | 0,03 | Удаляется | Удаляется | 1 | 5 | |
Таблица № 3
| | | | | | | | |
| Массовая доля | Механические свойства | | | | | | |
| Марка стали | С, % | Si, % | Mn, % | ув, кгс/мм2 | ут, кгс/мм2 (не менее) | д, % (не менее) | |
| Ст0 | 0,23 | - | - | 32 | - | 22 | |
| Ст1 | 0,06-0,12 | 0,05-0,30 | 0,25-0,50 | 32-40 | - | 33 | |
| Ст2 | 0,09-0,15 | 0,05-0,30 | 0,25-0,50 | 34-42 | 22 | 31 | |
| Ст3 | 0,14 - 0,22 | 0,05-0,30 | 0,4-0,65 | 38-47 | 24 | 21-27 | |
| Ст4 | 0,18-0,27 | 0,05-0,30 | 0,40-0,70 | 42-52 | 26 | 25 | |
| Ст5 | 0,28-0,37 | 0,05-0,30 | 0,50-0,80 | 50-62 | 28 | 15-21 | |
| Ст6 | 0,38-0,49 | 0,05-0,30 | 0,50-0,80 | 60-72 | 31 | 11-16 | |
Таблица № 4
| | | | | | | | | | |
| Марка стали | Механические свойства, не менее | Массовая доля | | | | | | | |
| | ут, кгс/мм2 | ув, кгс/мм2 | д, % | Ш, % | C, % | Si, % | Mn, % | Cr, % | |
| 08 | 20 | 33 | 33 | 60 | 0,05-0,12 | 0,03 | 0,25-0,65 | 0,10 | |
| 10 | 21 | 34 | 31 | 55 | 0,07-0,14 | 0,05-0,37 | 0,25-0,65 | 0,15 | |
| 15 | 23 | 38 | 27 | 55 | 0,12-0,19 | 0,05-0,37 | 0,25-0,65 | 0,25 | |
| 20 | 25 | 42 | 26 | 55 | 0,17-0,24 | 0,05-0,37 | 0,25-0,65 | 0,25 | |
| 25 | 28 | 46 | 23 | 50 | 0,22-0,30 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 30 | 30 | 50 | 21 | 50 | 0,27-0,35 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 35 | 32 | 54 | 20 | 45 | 0,32-0,40 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 40 | 34 | 58 | 19 | 45 | 0,37- 0,45 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 45 | 36 | 61 | 16 | 40 | 0,42- 0,50 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 50 | 38 | 64 | 14 | 40 | 0,47-0,55 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 55 | 39 | 66 | 13 | 35 | 0,52-0,60 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
| 58 | 42 | 61 | 12 | 28 | 0,55-0,63 | 0,05-0,30 | 0,20 | 0,20 | |
| 60 | 41 | 69 | 12 | 35 | 0,57-0,65 | 0,05-0,37 | 0,50-0,80 | 0,25 | |
Список литературы:
Основные источники:
1. Брандон Д. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. – Техносфера, 2006.
2. Вишневский Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей. Учебник. – Дашков и К, 2008.
3. Зуев В.М. Материаловедение. Учебник для ссузов. – Высшая школа, 2008.
4. Оськин В.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. – Колос, 2007.
5. Сильман Г.И. Материаловедение. Учебное пособие для вузов. – Высшая школа, 2008.
6. Чередниченко В.С. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. – Омега-Л, 2008.
Справочники:
1. Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработке). Учебное пособие. – Академия, 2008.
2. Матюшев И.И. Справочник конструктора. – Политехника, 2006.
3. Сетков В.И. Сборник задач по технической механике. – Академия, 2009.
Дополнительные источники: Интернет