Углеродистые конструкционные стали

8

Контрольная работа

по материаловедению

Углеродистые конструкциОННЫЕ стали

Пермь 2008 г.

Содержание

Введение

Углеродистые конструкции стали

Заключение

Список литературы

Введение

Главные задачи данной работы: рассмотреть теоретические аспекты углеродистых конструкционных сталей, разобрать их основные качества.

Работа состоит из одной главы, в которой проведен обзор теоретических аспектов темы.

На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объем. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали.

Однако углеродистые стали более технологичны при термической обработке, из-за высокой критичной скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воду, что вызывает значительные деформации и коробление деталей.

Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготавливаю из стали без термического упрочнения в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкции.

По статической прочности углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности.

Конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые конструкции стали

Сталь классифицируется по следующим признакам:

ь Способу производства (мартеновская, бессемеровская, конверторная, электросталь, тигельная и получаемая прямым восстановлением из обогащенной руды).

ь Химическому составу (углеродистая - не содержащая специально вводимых легирующих элементов; легированная - содержащая один или несколько элементов, специально введенных в нее для предания определенных свойств).

ь Назначению (конструкционная, инструментальная, с особыми свойствами).

ь Структуре (перлитная, аустенитная, ферритная, мартенситная, карбидная).

ь Качеству - по содержанию S и P: обыкновенного качества (S, P до 0,1%), качественная (S, P 0,035%), высококачественная (S, P 0,025%), особо качественная (S 0,015%, P 0,025%).

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на конструкционную, инструментальную, электротехническую, котельную и других специальных назначений. В соответствии с содержанием углерода стали делятся на доэвтектоидные (феррит и перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит и цементит).

Конструкционные - стали обыкновенного качества и качественные, имеют удовлетворительные механические свойства в сочетании с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, дешевы. Применяется для изготовления металлоконструкций и изделий машиностроения. [2, с. 542]

Стали обыкновенного качества, стали качественные и стали специального назначения:

I. Стали обыкновенного качества отливают в крупные слитки, вследствие чего в них сильно развита ликвация, нередко они содержат большое количество неметаллических включений. Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяются в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций. Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые.

В нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В. Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Ст4 - углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%. Для всех сталей, кроме Ст0, справедлива следующая формула:

С(%) 0,07 номер марки.

Так, в стали Ст3 содержание

С(%) 0,07 3 0,021% (фактически 0,14 - 0,22%).

Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода. 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.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (_в) и текучести (_0.2) и снижается пластичность (,).

Ст3сп имеет _в=380490МПа, _0.2=210250МПа, =2522%.

Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам.

Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях - «сп», полуспокойных - «пс», кипящих - «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 - Ст6, кипящими - Ст1 - Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют. Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства.

Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сваркой. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций.

Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали, используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации. С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Прокат подразделяют на три группы (I - III) и пять категорий (1-5). Группа проката оценивает количество поверхности как способ использования проката. Прокат первой группы используют без обработки поверхности. Второй группы - для изготовления деталей обработкой резанием. Третьей группы - для заготовок и деталей, получаемых горячей обработкой давлением.

Сортамент изделий из проката отличается большим разнообразием, его подразделяют на четыре группы: сорт стали (круглый, квадратный, полосовой, угловой прокат; швеллеры; двутавровые балки), листовая сталь, специальные профили, тубы. Форма, размеры, условия поставки проката регламентируются соответствующими стандартами.

Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность действий и конструкций определяется жесткостью. На выбор стали, большое влияние оказывают также технологические, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки.

В машиностроении углеродистые качественные стали, используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическим свойствами. Содержание S<=0.04%, P<=0.0350.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.

В машиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-74. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05, 08, 10, 15, 20, …, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7-1,0 %) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г, имеющих повышенную прокаливаемость. Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие - с индексом соответственно «пс» и «кп». Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные - 08пс, 10пс, 15пс, 20псталь

Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств. Инструментальную сталь используют для изготовления режущих, измерительных и других инструментов (зубил, молотков, отверток, ножей, ножниц, сверл, хирургических инструментов и др.).

Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая).

В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I - с нормальным содержанием марганца и II - с повышенным содержание марганца. Марки стали и требования к механическим свойствам стали I группы в состоянии нормализации. В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).

Качественные углеродистые стали подразделяются на следующие категории:

1) Без испытания на растяжение и ударную вязкость;

2) С испытанием на растяжение и ударную вязкость на образцах из нормализованных заготовок размером 25 мм (диаметр или сторона);

3) С испытанием на растяжение на образцах из ненормализованных заготовок размером 100 мм. (диаметр или сторона);

4) С испытанием на растяжение и ударную вязкость на образцах из термически обработанных заготовок указанного в заказе размера, но не 100 мм.;

5) С испытанием на растяжение на образцах из сталей в нагартованном или термически обработанном состоянии (отожженной или высокотпущенной).

Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп по назначению подразделяю на две группы:

- малопрочные и высокопластичные из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповке различных изделий. Без термической обработке в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и др. деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

_в=330340МПа, _0.2=230280МПа, =3331%.

- цементуемые - стали 15, 20 ,25. предназначены они для сталей небольшого размера (кулачные, толкатели, малонагруженные шестерни и т.д.), от которых требуется твердая износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностные слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемости упрочняется слабо.

Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (_в=500600МПа, _0.2=300360МПа, =2116%). После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости.

Для деталей, работающих на растяжение - сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и как следствие сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается до 12 мм. Для деталей (валы, оси и т.д.) испытывающих главным образом напряжение изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного на закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей - 30 мм.

В высококачественной стали содержится меньше серы, фосфора и других вредных примесей. Она лучше сопротивляется действию ударных нагрузок, имеет большую прочность. Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.

Стали специального назначения. Автоматная сталь ( с повышенным содержанием серы и фосфора) - углеродистая сталь специального назначения - маркируют буквой А, после которой следует цифра, показывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента; буква Г - повышенное содержание марганца, Например, А12, А20, А30, А35, А40Г. Так как сера и фосфор придают стали хрупкость, поэтому она идет на изготовление малоответственных деталей, главным образом крепежных (втулки, болты и др.). Использование этих сталей приводит к снижению износа металлорежущего инструмента, образованию ломкой, легкосходящей и легкоудаляемой стружки и как результат - к возможности использования автоматического оборудования, работающего без постоянного обслуживания.

Заключение

Актуальность данной темы очевидна - в металлургический комплекс входят черная и цветная металлургия охватывающие все стадии технологических процессов: от добычи и обогащения сырья до получения готовой продукции в виде черных и цветных металлов и их сплавов. Сталь - важнейший продукт чёрной металлургии, которая является материальной основой практически всех отраслей промышленности.

Производства полного цикла, которые представлены, как правило, комбинатами, в которых одновременно действуют все названные стадии технологического процесса.

Производство неполного цикла - это предприятия, в которых осуществляются не все стадии технологического процесса, например, в черной металлургии производится только сталь и прокат, но отсутствует выпуск чугуна, или производится только прокат. К неполному циклу относятся также электротермия ферросплавов, электрометаллургия и др. Предприятия неполного цикла, или “малой металлургии” называются передельными, представлены в виде отдельных подразделений по производству литейного чугуна, стали или проката в составе крупных машиностроительных предприятий страны.

В данной работе были рассмотрены теоретические аспекты темы: углеродистые конструкции стали. Сталь различают по признакам - структуре, способу производства, степени раскисления, качеству, применению.

К стали, как важнейшему материалу современной техники предъявляются различные требования, что обусловливает большое число марок стали, отличающихся по химическому составу, структуре, свойствам. Основной компонент стали -- железо. Свойственный железу полиморфизм, т. е. способность кристаллической решётки менять своё строение при нагреве и охлаждении, присущ и стали. Для чистого железа известны 2 кристаллические решётки -- кубическая, объемно-центрированная (б-железо, при более высоких температурах д-железо) и кубическая гранецентрированная (г-железо). Температуры перехода одной модификации железа в другую (910 °С и 1400 °С) называются критическими точками. Углерод и др. компоненты и примеси стали меняют положение критических точек на температурной шкале. Взаимодействие углерода с модификациями железа приводит к образованию т. н. твёрдых растворов.

Металлургический комплекс - это основа индустрии Он является фундаментом машиностроения, обеспечивающего вместе с электроэнергетикой и химической промышленностью развитие научно-технического прогресса во всех звеньях народного хозяйства страны. Металлургия относится к числу базовых отраслей народного хозяйства и отличается высокой материалоемкостью и капиталоемкостью производства.

Список литературы

1) «Материаловедение и технология металлов». Учебник / под редакцией Г.П. Фетисова, М.: Высшая школа, 2001, 638 сталь

2) «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»/ под редакцией В.С. Чередниченко, М.: Омега-Л, 2006, 752 сталь

3) «Материаловедение». Учебник для вузов/ под редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина, М.: Издательство МГТУ имени И.Э. Баумана, 2001, 648 сталь

4) «Материаловедение и технология материалов». Учебник для вузов, М.: Металлургия, 1994, 624 сталь

5) «Материаловедение и конструкционные материалы». Учебник / под редакцией В.А. Белого, Мн: Высшая тшкола, 1990, 461 сталь