Химический состав углеродистых сталей

Химический состав углеродистых сталей (низкоуглеродистых, среднеуглеродистых, высокоуглеродистых).

В сварке в зависимости от содержания углерода конструкционные углеродистые стали условно разделяют на три группы: низко-, средне- и высоко- углеродистые с содержанием соответственно до 0,25; 0,26...0,45 и 0,46...0,75 % С. Они широко применяются при производстве машиностроительных конструкций, работающих при температурах -40...+425оС. Технология сварки этих сталей различна. Даже для сталей одной марки в зависимости от ее плавочного состава и условий эксплуатации сварной конструкции технология сварки может существенно разниться. Углерод - это основной легирующий элемент в углеродистых конструкционных сталях, он определяет механические свойства углеродистых сталей. Повышение содержания углерода усложняет технологию сварки, затрудняет получение равнопрочного сварного соединения бeз дефектов. Углеродистые стали по качественному признаку разделяют на две группы: стали обыкновенного качества и качественные. По степени раскисления сталь обыкновенного качества обозначают следующим образом: кипящую - кп, полуспокойную - пс и спокойную - сп.

Кипящая сталь, содержащая ≤0,07 % Si, получается пpи неполном раскислении металла марганцем. Кипящая сталь характеризуется резко выраженной неравномерностью распределения серы и фосфора пo толщине проката. Местнaя повышенная концентрация серы может привеcти к образованию кристаллизационных трещин в околошовной зоне (ОШЗ) и шве. Кипящая сталь в околошовной зоне склоннa к старению, к переходу в хрупкое состояние пpи отрицательных температураx.

Спокойные стали получают пpи раскислении марганцем, алюминием, кремнием. Они содержат ≥0,12 % кремния; сера и фосфор распределены в них более равномерно, чем в кипящих углеродистых сталях. Спокойные стали менее склонны к старению, они слабее реагируют нa сварочный нагрев.

Полуспокойные стали пo склонности к старению занимает положение промежуточное между кипящими и спокойными сталями.

Сталь обыкновенного качества поставляют без термообработки в горячекатаном состоянии. Изготовленныe из неё конструкции такжe не подвергают последующей термообработке. Эти стали производят по ГОСТ 380-94, 4543-71,5520-79 и 5521-93.

Углеродистая сталь обыкновенного качества подразделяется на три группы в соответствии c ГОСТ 380-94:

- Углеродистая сталь группы А поставляется пo механическим свойствам и для производствa сварных конструкций нe используют (группа А в обозначении стали нe указывается, например Ст3).

- Углеродистая сталь группы Б поставляется по химическому составу,

- Сталь группы В - пo химсоставу и механическим свойствам.

Свойства:

Свойства стали в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении с легирующими элементами, в результате термической обработки. Основными структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, перлит, ледебурит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит. Легирующие элементы присутствуют в сталях в виде твердого раствора в железе, в виде карбидной фазы, в форме интерметаллидных соединений с железом, бором, азотом, кремнием и углеродом или между собой. Каждая структура определяется химическим составом и технологией стали, т.ж. зависят ее свойства. Обычно, сталь имеет плотность 7.6 -7.9 г/см. куб., временное сопротивление растяжению от 800 до 3000 МПа, относительное удлинение от 5 до 12 %, ударную вязкость от 10 до 160 Дж/см. кв.

Применение качественных углеродистых сталей:

Углеродистые стали, которые содержат от 0,7 до 1,3 % углерода, в основном используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Маркировка их отличается наличием буквы У, где "У" означает углеродистую сталь, а цифра после буквы говорит о содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У13, сталь У7.

Также многостороннее применение находят качественные стали в технике. В зависимости от содержания углерода и термической обработки они обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами, поэтому применяются для различных элементов тех или иных металлических конструкций.

Так низкоуглеродистые стали делят по назначению на две подгруппы.

1. Стали марки 05, 08, 10 - это малопрочные, но высокопластичныестали, которые благодаря способности к глубокой вытяжке применяются для холодной штамповки различных изделий. В горячекатаном состоянии без термической обработки их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, которые изготавливают методом холодной деформации и сварки.

2. Стали марки 15, 20, 25 - это цементуемые стали, которые предназначаются для деталей небольшого размера, например, кулачков, толкателей, малонагруженных шестерней. В процессе эксплуатации от них требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. После цементации поверхностный слой необходимо подвергнуть упрочнению закалкой в воде, которая должна сочетаться с низким отпуском. При этом получается, что сердцевина изделия упрочняется слабо из-за низкой прокаливаемости.

Цементуемые стали могут применяться как горячекатаными, так и после нормализации. Эти марки стали очень пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Они применяются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (например, крепежные детали, втулки, штуцеры и т. п.), а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), которые работают под давлением при температуре от минус 40 до 425 °С.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 менее пласчтичные в отличии отот низкоуглеродистых, зато они обладают большей прочностью. Их используют после проведения таких операций как улучшение, нормализация и поверхностная закалка. В таком улучшенном состоянии (после того как сталь закалили и подвергли высокому отпуску на структуре сорбита) у стали повышается вязкость и пластичность, за счет этого у стали проявляется малая чувствительность к концентраторам напряжений.

Однако когда увеличивается сечение деталей механические свойства сталей снижаются из-за несквозной прокаливаемости. Среднеуглеродистые стали после улучшения могут применяться для изготовления деталей небольшого размера, у которых работоспособность определяется сопротивлением усталости (например, шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.).

Высокоуглеродистые стали с концентрацией углерода 60, 65, 70, 75, 80, 85 и увеличенным содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г применяют в основном для рессор и пружин. Они обязательно должны быть подвергнуты закалке и среднему отпуску, чтобы получить более высокие упругие и прочностные свойства.

Классификация и маркировка углеродистых сталей:

По способу производства:

а) мартеновская(М);

б) конверторная(К);

в) бессемеровская(Б);

По степени раскисления:

а) кипящая(КП);

б) полуспокойная(ПС);

в) спокойная(СП);

По назначению и гарантируемым характеристикам (группы):

А - по механическим свойствам;

Б - по химическому составу;

В - по механическим свойствам и отдельным требованиям к химическому составу.

Сталь группы В не может быть изготовлена бессемеровским способом.

Примеры марок сталей: Ст.0, МСт.2, КСт.1, БСт.6, ВКСт.4.

Буквы "Ст." означают сталь; цифры от 0 до 7 - условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава стали и механических свойств.

Буквы "М", "К", "Б" добавляют перед обозначением марок стали групп Б и В в зависимости от способа выплавки.

При обозначении марок стали группы В добавляется буква "В".

Для изготовления болтов, гаек, винтов применяют автоматные стали. Они хорошо обрабатываются резанием на больших скоростях. Автоматные стали имеют повышенное содержание S и P. В марке буква "А" означает "сталь автоматная", цифра - среднее содержание С в сотых долях процента. Пример А12, А20.

3.Опишите легированные стали. Поясните состав, классификацию, свойства, применение.

Легированная сталь — сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают опасность хрупкого разрушения. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %), среднелегированную (от 2,5 до 10 %), высоколегированную (от 10 до 50 %).

Состав:

Легированными называются стали, в составе которых есть легирующие компоненты. Данные компоненты оказывают влияние на структуру и свойства стали. Производство легированных сталей занимает значительную долю среди общего объема выплавляемых сталей. А именно четвертую часть. При этом особое значение придается рациональному выбору легирующих компонентов.

Для чего нужно легирующие элементы и для чего они нужны?

Легирующие элементы – это химические элементы, используемые для улучшения механических свойств стали. Благодаря легированию сталь становится более износостойкой в различных условиях эксплуатации.

Классификация:

Легированная сталь подразделяется по следующим характеристикам: по своему назначению, по методу последующей обработки, по качеству производства, по способу обработки поверхности, по самому производителю и структуре изделия.

По составным элементам легированная сталь бывает:

высоко-, средне- и низколегированной.

Они различаются по массе легирующих частиц: от 2,5% до 10%.

По назначению легированная сталь бывает:

- конструкционной (используется в создании несущих конструкций, таких как каркасы, балки, опоры),

- инструментальные (для производства материалов с пониженной плотностью: резцы, сверла)

- и с набором особых свойств и характеристик (жаропрочные, износоустойчивые и т.д.).

По стандарту и классам производства выделяют классы: обычный и высокачественный.

К первому относят изделия со стандартным набором элементов, а ко второму - с более широким набором технических характеристик, что помечается буквой «А» рядом с изделием.

На отдельных производствах существуют специализированные классификационные характеристики, которые еще более расширяют вариативный ряд изделий данной линейки.

Свойства:

В легированной стали наряду с обычными примесями имеются легирующие элементы: хром, вольфрам, молибден, никель, а также кремний и марганец в большом количестве. Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали экономит металл, повышает долговечность изделий, увеличивает производительность. В прогрессивной технике эта сталь имеет решающее значение. Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, уменьшает ржавление; никель дает высокую прочность и пластичность, коррозионную стойкость; вольфрам увеличивает твердость и красностойкость; ванадий повышает плотность, прочность, сопротивление удару, истиранию; кобальт повышает жаропрочность, магни-топроницаемость; молибден увеличивает красностойкость, прочность, сопротивление окислению при высоких температурах; марганец при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок; титан повышает прочность, сопротивление коррозии; алюминий повышает окали-ностойкость; ниобий повышает кислотостойкость; медь уменьшает коррозию. В сталь вводят также бор, селен, азот, цирконий. В легированной стали может находиться одновременно несколько легирующих элементов. По назначению легирования сталь делится на три группы: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физическими и химическими свойствами. По содержанию легирующих элементов легированная сталь делится на низколегированную—не более 3% легирующих элементов; среднелегированную—3—10%; высоколегированную — свыше 10%.

Применение:

Где используются легированные стали?

Легированные стали используются, в основном, для ответственных сооружений различного назначения. Например, для изготовления деталей машин, подвергающихся большой нагрузке, для изготовления оборудования, сложных конструкций. Строительство – основная область применения легированных сталей.

4.Опишите чугуны. Поясните строение чугуна, свойства, применение.

Чугу́н — сплав железа с углеродом с содержанием более 2,14 % (точка предельной растворимости углерода в аустените на диаграмме состояний). Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют: белый, серый, ковкий и высокопрочные чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун хрупок.

Строение чугуна:

Наименование	Состав (%)
Чугун	C – 2-5, Fe – 95-98

Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4,3%), марганца (до 2%), серы (до 0,07%) и фосфора (до 1,2%).

Углерод — один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна. С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом — в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.

Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким.

Марганец повышает прочность чугуна.

Сера в чугуне — вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках). В зависимости от состояния, в котором углерод находится в чугуне, чугун подразделяется на белый (углерод в химическом соединении с железом в виде цементита FeC) и серый (свободный углерод в виде графита).

Свойства:

Свойства чугуна зависят от его вида:

Белый чугун имеет высокую твердость и прочность, плохо обрабатывается резанием, хрупок. Используется в качестве передельного на сталь или ковкий чугун.

Ковкий чугун получают длительным нагревом (отжигом) отливок из белого чугуна. Отжиг проводят в две стадии — на каждой из них до полного распада ледебурита стадия, аустенита и цементита (II стадия) и образования феррита и графита. Последний выделяется в виде хлопьев, придающих чугуну высокую пластичность. Излом его бархатисто-черный. Если охлаждение ускорить, то образуется ковкий чугун с перлитной основой, снижающей пластичность и придающей излому светлый (сталистый) вид.

Маркируют его так же, как и высокопрочный чугун. Термин «ковкий чугун» является условным и характеризует пластические, а не технологические свойства чугуна, так как изделия из него, как и из других чугунов, получают литьем, а не ковкой.

Серый чугун — это сплав на основе железа, в котором углерод частично или полностью содержится в виде структурно свободного графита и который по структуре разделяется на перлитный, феррито-перлитный и ферритный.

Перлитный чугун в отливках отличается наибольшей прочностью и хорошей обрабатываемостью, ферритоперлитный по сравнению с перлитным обладает меньшей прочностью, но лучшей обрабатываемостью. Ферритный чугун самый непрочный и легко обрабатываемый резанием.

В строительстве находят применение все виды рассмотренных чугунов с графитным включением. Серые чугуны используются в конструкциях, работающих на статическую сжимающую нагрузку (колонны, фундаментные плиты, опорные плиты под фермы, балки, канализационные трубы, люки, задвижки); высокопрочные и ковкие чугуны, обладающие повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью, используют в конструкциях, подвергающихся динамической и вибрационной нагрузке и износу (полы промышленных зданий, фундаменты тяжелого кузнечно-прессового оборудования, подферменные опоры железнодорожных и автодорожных мостов, тюбинги для крепления ответственных транспортных туннелей под землей, в горах).

Применение:

Принято считать, что чугун сегодня используются, в основном, в бытовых целях. Из него отливают посуду и формы для выпечки, а также всевозможные детали декора помещений. Чугун обладает достаточно большой массой, но при этом легко крошится, поэтому в чистом виде применять этот сплав для промышленных нужд нецелесообразно.

Между тем, различные химические добавки позволяют значительно улучшить физико-механические свойства чугуна, и одним из таких компонентов на сегодняшний день является кремний.

5.Опишите твердые сплавы. Поясните состав, свойства, применение, классификацию.

Твёрдые сплавы — твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900—1150 °C. В основном изготовляются из высокотвердых и тугоплавких материалов на основе карбидов вольфрама, титана, тантала, хрома, связанные кобальтовой металлической связкой, при различном содержании кобальта или никеля.

Состав:

Дата добавления: 2015-07-16