Свойства стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Техникум железнодорожного транспорта - структурное подразделение федерального бюджетного государственного образовательного учреждения высшего професионального образования "Петербургский государственный университет путей сообщения"

Реферат

На тему: «Сталь»

По Дисциплине: Техническая механика и материаловедение

Выполнил:

Студент группы 141-Т

Божедомов Игнат

Проверил:

Чуркин Ю.С.

СПБ

2012 год

Сталь -- сплав железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением. Содержание углерода в стали не более 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харалуг» и «Уклад». В некоторых славянских языках и сегодня сталь называется «Оцел», например в чешском.

Сталь -- важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.

Стали с 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.

Сталь классифицируют по способу производства, химическому со­ставу, структуре и назначению.

По способу производства различают мартеновскую, бессемеров­скую, томасовскую, кислородно-конверторную, тигельную и электро­сталь. По характеру футеровки плавильных агрегатов различают сталь основную и кислую. По химическому составу -- углеродистые и легированные стали*. По назначению углеродистые стали разделяют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные. Строительные стали содержат до 0,3% С; машиностроительные цемен­тируемые -- от 0,025 до 0,3% С, улучшаемые термообработкой от 0,3 до 0,5% С, пружинные -- от 0,5 до 0,8% С; инструментальные -- от 0,7 до 1,3% С.

Углеродистые стали

Углеродистые стали разделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные

В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик сталь обыкновенного качества согласно ГОСТ 380-71, разделяют на три группы А, Б, В, учитывающие поставки:

сталь группы А - поставляют потребителям по механическим свойствам;

сталь группы Б - по химическому составу;

сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

Углеродистую сталь обыкновенного качества группы А изготов­ляют следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст7. По мере увеличения номера стали повышается содержание углерода, а так­же прочность и твердость, но снижается пластичность и ударная вяз­кость.

Сталь группы Б изготовляют тех же марок, но перед маркой стали ставят букву Б (БСт0, БСт1кп). Сталь группы В изготовляют следую­щих марок: ВСт2, ВСт3, ВСт4 и ВСт5._|

Стали обыкновенного качества применяют для строительных кон­струкций и неответственных деталей машин. Если из этой стали из­готовляют сварные строительные конструкции, то в ней ограничива­ется содержание углерода, серы, фосфора, азота и других примесей, ухудшающих качество сварки.

Углеродистая конструкционная сталь обычного качества выпуска­ется в виде проката -- листов, уголков, балок, прутков и т. д. Углеродистые стали специального назначения имеют дополни­тельные индексы, например стали для мостовых конструкций -- СТЗ мост.

Как уже отмечалось в зависимости от степени раскисления сталь может быть кипящей, спокойной и полуспокойной. Кипящую сталь обозначают индексом «кп», спокойную «сп» и полуспокойную «пс». Спокойная сталь обладает более высокими показателями сопротивле­ния динамическому нагружению и ударной вязкости. Буквы М (мар­теновская) и Б (бессемеровская) в марках стали означают способ вы­плавки. Так, мартеновскую спокойную сталь обозначают МСт. 2сп, бессемеровскую кипящую -- БСт. Зкп.

Качественные конструкционные углеродистые стали в зависимости от содержания марганца разделяют на две группы (ГОСТ 1050--74):

I группа -- стали с нормальным содержанием марганца (0,5кп, 0,8кп,…, 20, 25,…, 85, где цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента);

II группа -- стали с повышенным содержанием марганца (15Г, 20Г,...

70Г, где буква Г означает, что сталь содержит 0,7--1,2% Мп).

Содержание серы и фосфора должно быть не больше 0,04% (каж­дого).

Малоуглеродистые стали 08кп и 05кп широко применяют в виде листов для штамповки различных деталей (кузова, фары и т. д.).

Малоуглеродистые качественные стали 10, 15, 20, 25 применяют для сварных и клепаных конструкций, а также для деталей, подвер­гающихся цементации или цианированию (втулки, пальцы, шестерни, и т. д.).

Среднеуглеродистые качественные стали 30, 35, 40, 45 и 50 хуже свариваются, чем стали, указанные выше. Стали 30, 35 и 40 исполь­зуют для деталей, подвергающихся большим нагрузкам. Стали 45 и 50 применяют для изготовления деталей, также подвергающихся боль­шим нагрузкам, но после нормализации (коленчатые валы автомобильного двигателя), а также для изготовления мелких деталей с последующей улучшающей термической обработкой.

Высокоуглеродистые качественные стали 55,60, 65 и 70 применяют для изготовления пружин, рессор и зубчатых колес. Высокие эксплу­атационные свойства достигаются закалкой с последующим отпуском в интервале 300--400° С.

Инструментальные качественные углеро­дистые стали предназначены для изготовления режущего, ме­рительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Мар­ки этих сталей обозначаются так: буква У и цифры показывают со­держание углерода в десятых долях процента (У7, У8, .... У13).

Высококачественные стали содержат более низкое количество серы (до 0,02%) и фосфора (до 0,03%), имеют меньшее содержание неметал­лических включений, обладают повышенными механическими свой­ствами.

В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А.

Строительные стали

Наиболее широко в строительстве применяют основную мартенов­скую сталь. Для элементов строительных конструкций, не подвержен­ных динамической нагрузке и влиянию низких температур, ранее при­меняли бессемеровскую сталь. В сварных конструкциях эту сталь применяли только для малоответственных назначений. Применение кислорода в конверторном производстве позволило практически пол­ностью заменить бессемеровскую сталь и значительно расширить об­ласть применения стали в строительной технике.

Строительные конструкционные стали в основном предназначены для работы в атмосферных условиях при обычных и пониженных тем­пературах.

Строительные стали должны обладать хорошей свариваемостью (не образовывать трещин в процессе сварки и не снижать ударную вязкость металла вблизи сварного шва), пластичностью, хорошей обра­батываемостью резанием.

Малоуглеродистую сталь обыкновенного качества применяют для изготовления строительных конструкций. По данным институтов электросварки им. Патона и Проектстальконструкции, оптимальный химический состав строительной малоуглеродистой стали следующий: 0,13--0,18% С; 0,1% 51; 0,4-0,6% Мп; до 0,035% 5; до 0.04% Р.

Сталь обычного назначения (ГОСТ 380--71) широко применяется в строительной технике; поэтому остановимся на ней более подробно.

Сталь группы А подразделяют на три категории. Первая категория этой стали нормирует показатели временного сопротивления разрыву и относительного удлинения. Вторая категория кроме первых двух показателей учитывает также изгибе холодном состоянии, а третья еще и предел текучести стали.

Сталь группы В гарантирует не только механические свойства, но и химический состав, что очень важно для строительных сварных конструкции.

В строительстве применяют также низколегированные стали (см. ниже).

Стальные фасонные гнутые профили изготавливают из стали марок Ст0, Ст1, Ст2, Ст3 по ГОСТ 380--71 и стали марок от 08 до 25 включи­тельно по ГОСТ 1050--74.

Стали, предназначенные для изготовления ответственных металло­конструкций, подвергают испытанию на чувствительность к старению после наклепа. Для этого образцы деформируют на 10%. Один образец испытывают на ударную вязкость до старения, другой -- после. Старение производят в течение 1 ч при 250°С с последующим охлаж­дением на воздухе.

Показатель чувствительности стали к деформационному старению определяют по формуле

где аи - ударная вязкость образца в исходном состоянии;

ас' -- то же, после старения.

Если этот показатель более 0,5, из такой стали не разрешают из­готовлять металлоконструкции.

Несущие (расчетные) сварные и клепаные конструкции зданий и сооружений изготовляют из мартеновской и кислородно-конверторной стали. Для конструкций, не имеющих сварных соединений, и для свар­ных конструкций, воспринимающих только статические нагрузки, применяют в основном мартеновскую сталь.

Нерасчетные элементы конструкций (не несущие большие нагруз­ки) изготовляют из мартеновской и бессемеровской стали. В случае применения сварки следует использовать стали этих марок по группе Б (ГОСТ 380--71). Сталь группы Б, предназначаемую для изготовле­ния строительных конструкций, проверяют на свариваемость по спе­циальному стандарту.

Стали группы А (ГОСТ 380--71) применяют для неответственных элементов строительных конструкций.

Кровельное железо изготовляют из стали марок МСт1кп, КСт1кп. Поставляют его в виде отожженных листов толщиной 0,38--0,82 мм. Листы испытывают на перегиб с образованием двойного кровельного замка; при этом не должны появляться отслаивания, трещины, на­дрывы и изломы.

Конструкции из листовой стали: резервуары, газгольдеры, трубопроводы и другие изделия изготовляют из стали различных марок: мартеновской или конверторной, кипящей или полуспокойной. Эти ста­ли малочувствительны к концентрации напряжений, не склонны к хрупкому разрушению и старению после наклепа, обладают хорошей свариваемостью, достаточно высокой ударной вязкостью.

Арматурная сталь для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций подразделяется на четыре класса: А-1, А-II, А-III и А-IV. Стержни класса А-1 изготовляют из стали: СтЗкп, СтЗсп, СтЗпс, ВСтЗкп2, КСтЗпс2: стержни класса А-II диаметром от 10 до 40 мм -- из стали марки ВСт5сп2.

Мостовые металлические конструкции изготовляют из горяче­катаной малоуглеродистой мартеновской стали (ГОСТ 6713--53). Сварные конструкции мостов изготовляют из стали марки М16С. Клепаные конструкции мостов изготовляют из стали марки МСтЗмост. Структура мостовых сталей должна быть мелкозернистой, однород­ной, без внешних дефектов (раковины, пористость, трещины, воло­совины).

Прочностные характеристики (предел прочности, предел теку­чести, относительное удлинение, ударная вязкость) имеют решающее значение при выборе марки стали для элементов мостовых конструк­ций.

До последнего времени строительные стали не подвергали упроч­нению термической обработкой. Однако исследования показали, что термическое упрочнение малоуглеродистой стали повышает ее меха­нические свойства [предел прочности и предел текучести стали марки МСтЗкп увеличился на 20-30%; ударная вязкость при температуре -20°С составляет не менее 40 Дж/см2 (4 кгсм/м2). Термическую обработку осуществляют после прокатки; такая обработка, упрочняя сталь, позволяет уменьшить массу конструкции на 15-20%.

Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой дав­лением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой при прокатке.

Конструкционная сталь -- сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора (P) и серы (S). Фосфор -- придат стали хладноломкость (хрупкость). Сера -- самая вредная примесь -- придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

* Обыкновенного качества -- P и S -- до 0.05 % (маркировка Ст).

* Качественная -- P и S -- до 0.035 % (маркировка Сталь).

* Высококачественная -- P и S -- до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

* Особовысококачественная -- Р и S -- до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).

Широко применяются в строительстве и машиностроении, как наиболее дешёвые, технологичные, обладающие необходимыми свойствами при изготовлении конструкций массового назначения. В основном эти стали используют в горячекатанном состоянии без дополнительной термической обработки с ферритно-перлитной структурой. В зависимости от последующего назначения конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют на три группы: А, Б, В.

Стали группы А

Поставляются с определёнными регламентированными механическими свойствами. Их химический состав не регламентируется. Эти стали применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке -- ковке, горячей штамповке, термической обработке и т. д. В связи с этим механические свойства горячекатаной стали сохраняются.

Стали группы Б

Поставляются с определённым регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Эти стали применяются в изделиях, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от их химического состава, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.

Стали группы В

Поставляются с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Эти стали применяются для изготовления сварных конструкций. Их свариваемость определяется химическим составом, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Такие стали применяют для более ответственных деталей.

По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества подразделяются на спокойные (СП), полуспокойные (ПС), кипящие (КП). Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. Спокойные -- 0.012-0.03 % (Si), полуспокойные -- 0.05-0.07 % (Si), кипящие -- менее 0.07 % (Si).

Маркировка

Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1КП2; БСт2ПС; ВСт3ГПС; Ст4-2; … ВСт6СП3.

* Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А -- буквой не обозначается.

* Ст -- показывает, что сталь обыкновенного качества.

* Первая цифра -- номер по ГОСТу (от 0 до 6).

* Буква Г после первой цифры -- повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали).

* СП; ПС; КП -- степень раскисления стали.

* Вторая цифра -- номер категории стали (от 1 до 6 -- основные механические свойства). Сталь 1-ой категории цифрой не обозначается.

* Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение

* Ст1; Ст2 -- проволока, гвозди, заклёпки.

* Ст3; Ст4 -- крепёжные детали, фасонный прокат.

* Ст5; Ст6 -- слабонагруженные валы, оси.

Стали углеродистые качественные

Качественными углеродистыми сталями являются стали марок: Сталь08; Сталь10; Сталь15 …; Сталь78; Сталь80; Сталь85. Также к этому классу относятся с повышенным содержанием марганца (Mn -- 0.7-1.0 %): Сталь 15Г; 20Г … 65Г, имеющие повышенную прокаливаемость.

Маркировка

* Сталь -- слово «Сталь» указывает, что данная углеродистая сталь качественная. (В настоящее время слово "Сталь" не пишется, указывается только индекс и последующие буквы)

* Цифра -- указывает на содержание в стали углерода (С) в сотых долях процента.

Применение

Низкоуглеродистые стали марок Сталь08, Сталь08КП, Сталь08ПС относятся к мягким сталям, применяемым чаще всего в отожжённом состоянии для изготовления деталей методом холодной штамповки - глубокой вытяжки. стали марок Сталь10, Сталь15, Сталь20, Сталь25 обычно используют как цементируемые, а высокоуглеродистые Сталь60 … Сталь85 -- для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью.

Сталь30 … Сталь50 и аналогичные стали с повышенным содержанием марганца Сталь30Г, Сталь40Г, Сталь50Г применяют для изготовления самых разнообразных деталей машин.

Стали повышенной обрабатываемости (автоматные)

К сталям с повышенной обрабатываемостью или автоматным сталям относят стали с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали, специально легированные селеном (Se), теллуром (Те) или свинцом (Pb). Указанные элементы способствуют повышению скорости резания, уменьшают усилие резания и изнашиваемость инструмента улучшают чистоту и размерную точность обработанной поверхности, облегчают отвод стружки из зоны резания и т. д. Эти стали используют в массовом производстве для изготовления деталей на станках-автоматах.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора обладают пониженными механическими свойствами и их используют для изготовления малонагруженных деталей (например, метизов).

Маркировка

Вначале марки автоматной стали всегда стоит буква А.

Легированные конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжелонагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке -- закалке с последующим высоким отпуском в районе 550--680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность. Легирующие элементы -- химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях -- в пределах 0.25-0.50 %.

Маркировка

14ХН4А, 38Х2Н5М, 20ХН3А.

* Две цифры вначале маркировки указывают на конструкционные стали (одна цифра -- на инструментальные). Это содержание в стали углерода в сотых долях процента.

* Буква без цифры -- определённый легирующий элемент с содержанием в стали менее 1 %.(А-азот, Р-бор, Ф-ванадий, Г-марганец, Д-медь, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, С-кремний, Х-хром, П-фосфор, Ч-редкоземельные металлы, В-вольфрам, Т-титан, Ю-алюминий, Б-ниобий)

* Буква и цифра после неё -- определённый легирующий элемент с содержанием в процентах (цифра).

* Буква А в конце маркировки -- указывает на высококачественную сталь.

* Например 38Х2Н5МА -- это среднелегированная высококачественная хромоникелевая конструкционная сталь. Химический состав: углерод -- около 0,38 %; хром -- около 2 %; никель -- около 5 %; молибден -- около 1 %.

Стали конструкционные теплоустойчивые

К теплоустойчивым конструкционным относятся стали, используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов, сосудов, паронагревателей, паропроводов, а также в других отраслях промышленности для работы при повышенных температурах. Рабочие температуры теплоустойчивых сталей достигают 600--650 °C, причём детали из них должны работать без замены длительное время (до 100000-200000 ч.).

При давлениях 6 МПа и температурах до 400 °C используются углеродистые котельные стали (12К, 15К, 18К, 20К). Для деталей энергоблоков, работающих при давлении до 25.5 МПа и температурой до 585 °C применяются стали, легированные хромом, молибденом, ванадием. Содержание углерода 0.08-0.27 %. Термообработка этих сталей заключается в закалке или нормализации с обязательным высоким отпуском.

Стали конструкционные подшипниковые

Особенностью эксплуатации подшипников являются высокие локальные нагрузки. В связи с этим к чистоте стали предъявляются чрезвычайно высокие требования, особенно по неметаллическим включениям карбидной неоднородности. Обеспечение высокой статической грузоподъёмности достигается применением в качестве материала для подшипников заэвтектоидных легированных хромом сталей, обработанных на высокую твёрдость.

Маркировка

ШХ9, ШХ15.

* Содержание углерода -- около 1 %;

* Содержание хрома в десятых долях процента (например: ШХ15 -- хром -- около 1.5 %)

Стали конструкционные рессорно-пружинные

Общее требование, предъявляемое к рессорно-пружинным сталям, -- обеспечение высокого сопротивления малым пластическим деформациям (предел упругости) и релаксационной стойкости (сопротивление релаксации напряжений). Эти характеристики обеспечивают точность и надёжность работы пружин и постоянство во времени таких эксплуатационных свойств, как крутящий момент, силовые параметры. Пружинные стали в виде проволоки и ленты упрочняют холодной пластической деформацией и закалкой на мартенсит с последующим отпуском. Готовые пружины подвергают стабилизирующему отпуску.

Характеристики стали

- Плотность: 7700--7900 кг/м,

- Удельный вес: 75500--77500 Н/м (7700--7900 кгс/м в системе МКГСС),

- Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)),

- Температура плавления: 1450--1520 °C,

- Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг),

- Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C[5]

Хромоникельвольфрамовая сталь 15,5 Вт/(м·К)

Хромистая сталь 22,4 Вт/(м·К)

Молибденовая сталь 41,9 Вт/(м·К)

Углеродистая сталь (марка 30) 50,2 Вт/(м·К)

Углеродистая сталь (марка 15) 54,4 Вт/(м·К)

- Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций 373--412 МПа

сталь кремнехромомарганцовистая 1,52 ГПа

сталь машиностроительная (углеродистая) 314--785 МПа

сталь рельсовая 690--785 МПа

Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые стали, в них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.

Стали обыкновенного качества выпускаются в виде проката: балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры, а также поковок.

В зависимости от гарантированных свойств их поставляют трех групп:

1) Стали группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами. Химический состав не указывается. С повышением номера марки повышается прочность и снижается пластичность стали.

2) Стали группы Б поставляют с гарантируемым химическим составом. Механические свойства не гарантируются. Стали этой группы предназначены для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковки, сварки и термической обработки) при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе для определения режимов горячей обработки.

3) Стали группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Их широко применяют для сварных конструкций. В этом случае важно знать исходные механические свойства, т.к. они сохраняются неизменными на участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки же свариваемости, важны сведения о химическом составе стали. Именно стали группы В используются в котлостроении (ВСт2кп, ВСт3кп, ВСт2сп, ВСт4пс).

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготавливают следующих марок:

-Ст0, Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп, Ст4кп, Ст5пс, Ст6пс

- Ст1пс, Ст2пс, Ст3пс, Ст4пс, Ст5сп, Ст6сп

- Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп, Ст4сп, Ст5Гпс

- Ст3Гпс

- Ст3Гсп

Буквы «Ст» обозначают - сталь, цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава стали (с увеличением номера марки возрастает содержание углерода в стали). 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. Например: Ст3сп, БСт3пс, ВСт2кп.

Стали с повышенным содержанием Mn (0,8ч1,1%) имеют в марке стали букву «Г», например, Ст3Гпс, Ст5Гпс.

С повышением номера марки предел прочности и предел текучести повышаются, а характеристики пластичности снижаются. Повышение содержания углерода в стали ухудшает свариваемость, поэтому для сталей Ст5 и Ст6 сварку не применяют.

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп) содержат повышенное количество кислорода и имеют порог хладноломкости на 30ч40°С выше, чем спокойные тех же марок. Поэтому для конструкций, работающих при низких температурах, применяют спокойные стали.

Хладноломкость - склонность материала к появлению (или значительному возрастанию) хрупкости при понижении температуры. Критерием оценки служит температура, при которой значение ударной вязкости равно минимально допустимому значению - порог хладноломкости.4.Качественная углеродистая сталь

Качественные углеродистые стали поставляются в виде проката, поковок, и других полуфабрикатов с гарантированными химическим составом и механическими свойствами.

Химический состав - нормируемый показатель для стали всех марок, цифры в которых означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Например: 20 - сталь с содержанием С 0,17ч0,24%.

Кроме железа и углерода стали большинства марок содержат:

Si - 0,17ч0,37%;

Mn - 0,35ч0,8%;

Cr < 0,15ч0.25%;

S < 0,04%;

P < 0,035%.

По степени раскисления сталь может быть:

* кипящая (обозначается "кп", например: 20кп);

* полуспокойная (обозначается "пс", например: 20пс);

* спокойная (без индекса, например: 20).

Прокат без термообработки обозначается буквой "Н", прокат термически обработанный (отожженный, высокоотпущенный, нормализованный с отпуском, закаленный с отпуском) - обозначается буквой "Т".

Существует две группы качества поверхности:

* а - предназначенные для горячей обработки давлением;

* б - предназначенные для холодной обработки.

Для листовой стали стандартом предусмотрено изготовление следующих марок: 15К, 16К, 18К, 20К, 22К. "К" - обозначает котельная.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, т.к. в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами. Так стали 15, 20 25 применяются для изготовления элементов котлов (трубы пароперегревателей), работающих под давлением при температурах от 40 до 425 °С.

Повышение содержания углерода в стали сопровождается повышением кратковременных прочностных характеристик и снижением деформационных.

Легированные стали

Легированными называются стали, содержащие в своем составе один или несколько специальных элементов в количестве заметно изменяющим ее свойства, или содержащая повышенное против углеродистых сталей количество марганца (более 1%) и кремния (более 0,5%).

Наименование марок легированных сталей состоит из буквенного обозначения элементов и следующих за ним цифр.

Цифры обозначают среднее содержание легирующего элемента в %. При содержании элемента в количестве менее 1,5%, цифра не ставится.

Цифры перед первым буквенным обозначением указывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

Химические элементы в марках стали обозначают следующими буквами:

Г марганец Ю алюминий

С кремний Д Медь

Х хром Б Ниобий

Н никель К Кобальт

М молибден Р Бор

В вольфрам П Фосфор

Ф ванадий Ц Цирконий

Т титан Е Селен

Конструкционные стали делятся на:

* качественные (например: 30ХГС);

* высококачественные (в конце марки ставится буква «А»,

например: 30ХГСА);

* особовысококачественные (в конце марки через «-» буква 2Ш»,

например: 30ХГСА-Ш).

По микроструктуре после нормализации легированные стали делятся на три основные класса:

* перлитный;

* мартенситный;

* аустенитный.

Образование той или иной структуры легированных сталей после нормализации можно объяснить с помощью диаграммы изотермического распада аустенита. Большинство легирующих элементов сдвигает линии начала и конца распада аустенита вправо, увеличивая его устойчивость, и снижает температуру мартенситного превращения.

Легирующие элементы, вводимые в сталь, определяют ее физико-химические и прочностные свойства.

Углерод (С) - строго говоря, не относится к легирующим элементам, увеличивает ув, ут, снижает д и ударную вязкость.

Кремний (Si) - в количестве 0,3% остается после раскисления, при содержании > 0,3% легирующий элемент, увеличивает ув, снижает д, увеличивает жаростойкость (окалиностройкость).

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под воздействием воздушной или газовой среды при высоких температурах. Критерием окалиностойкости служит потеря массы при окислении металла за определенный период.

Марганец (Mn) - в количестве до 0,8% остается после раскисления, при содержании > 0,8% легирующий элемент. Способствует стабилизации аустенитной структуры. Увеличивает ув, снижает д.

Алюминий (Al) - уменьшает склонность к росту зерна аустенита в высоколегированных сталях, применяется для повышения жаропрочности и жаростойкости.

Жаропрочность - способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации и разрушении при повышенных температурах.

Хром (Cr) - увеличивает прочность, сопротивление ползучести (до 2% без снижения пластичности), при содержании > 12% сталь становится коррозионно-стойкой.

Никель (Ni) - повышает прочность, пластичность, ударную вязкость, снижает температуру перехода в хрупкое состояние, уменьшает склонность к перегреву, в высоколегированных сталях обеспечивает устойчивую аустенитную структуру с повышенной жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

Молибден (Mo) - повышает жаропрочность, коррозионную стойкость аустенитных сталей.

Вольфрам (W) - повышает жаропрочность высоколегированных сталей и сплавов.

Ванадий (V) - увеличивает прочность и жаропрочность, уменьшает склонность к росту зерна аустенита. Микродобавки V уменьшают содержание азота в твердом растворе.

Титан и ниобий (Ti и Nb) - действие аналогично ванадию, в высоколегированных сталях уменьшают склонность к межкристаллитной коррозии и повышают жаропрочность.

Медь (Cu) - в количестве 0,15ч0,25% повышает сопротивление стали атмосферной коррозии; при содержании 1,5ч2% несколько повышает твердость и прочность отожженной стали.

Бор (B) - повышает прокаливаемость и жаропрочность высоколегированных сталей.

Инструментальная сталь

Инструментальная углеродистая сталь -- сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали -- 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной -- 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У13; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А; У13А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А(в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов -- марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У -- углеродистая, следующая за ней цифра -- среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г -- повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.

Инструментальные стали делятся на четыре категории

- Пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые)

- Повышенной прокаливаемости (легированные)

- Штамповые стали

- Быстрорежущие

Применение инструментальной углеродистой стали

* У7, У7А Для обработки дерева: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.

* У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

* У10А, У12А Для сердечников.

* У10, У10А Для игольной проволоки.

* У10, У10А, У11, У11А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

* У12, У12А Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.

* У13, У13А Для инструментов с повышенной износостойкостью при умеренных и значительных удельных давлениях (без разогрева режущей кромки); напильников, бритвенных лезвий и ножей, острых хирургических инструментов, шаберов, гравировальных инструментов.

Старение углеродистой стали

Под старением понимают изменение свойств стали, протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры.

Старение сталей можно условно разделить на три вида: термическое, деформационное (механическое) и термодеформационное. Термодеформационное старение связано с возможностью одновременного протекания термического и деформационного старения.

Термическое старение протекает в результате изменения растворимости углерода и азота в a-железе при повышении температуры. Если в сталях при предшествующей термической обработке был зафиксирован пересыщенный a-раствор (как, например, при сварке, охлаждении тонкого листа после прокатки и др.), то при последующей ее выдержке при нормальной температуре (естественное старение) или при повышенной (50...100°С) температуре (искусственное старение) происходит распад твердого раствора с выделением третичного цементита в виде дисперсных частиц. Старение технического железа может быть связано также и с выделением из твердого раствора частичек нитридов Fe10N2 или Fe4N.

Термическое старение заметно протекает в низкоуглеродистых сталях. При более высоком содержании углерода вследствие зародышевого воздействия большого количества цементитных частиц, образовавшихся при перлитном превращении, самостоятельного выделения третичного цементита не наблюдается.

Деформационное старение протекает после пластической деформации, если она происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, и особенно при 20°С. Деформационное старение развивается в течение 15... 16 суток при 20°С и в течение нескольких минут при 200...350°С. При деформационном старении происходит упрочнение, что связано, в основном, с ухудшением условий движения дислокаций и образованием карбидных и нитридных фаз при нагреве.

Термическое и деформационное старение повышают прочность и твердость, но одновременно резко снижают ударную вязкость и повышают порог хладноломкости.

Старение отрицательно сказывается на эксплуатационных и технологических свойствах многих сталей. Оно может протекать в строительных и мостовых сталях, подвергаемых пластической деформации при гибке, монтаже, сварке, и, усиливаясь охрупчиванием при низких температурах, явиться причиной разрушения конструкции. Развитие деформационного старения резко ухудшает штампуемость листовой стали.

Склонность стали к старению снижается при модифицировании ее алюминием, титаном и ванадием.

углеродистый сталь сплав

Вывод

Конструкционные 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.

Благодаря этим достоинствам стали -- основной металлический материал промышленности.

Список литературы

1. Колесов, С.Н. «Материаловедение и технология конструкционных материалов»: - М.: Высш шк., 2004.

2. Б.Н. Арзамасов « Материаловедение». М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.

3. Ройтман И.А., Кузьменко В.И. «Основы машиностроения в черчении» М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000.

Размещено на Allbest.ru