Шпаргалка по "Материаловедению"

10. Примеси в  стали. Влияние углерода и примесей  на свойства сталей.

Стали являются наиболее распространенными  материалами. Обладают хорошими технологическими свойствами. Изделия получают в результате обработки давлением и резанием. Достоинством является возможность, получать нужный комплекс свойств, изменяя состав и вид обработки. Стали, подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали являются основными. Их свойства определяются количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют с железом и углеродом.                       

 Влияние углерода.   С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, а также к повышению прочности и твердости. Прочность повышается до содержания углерода около 1%, а затем она уменьшается, так как образуется грубая сетка цементита вторичного.                                                                                              Углерод влияет на вязкие свойства. Увеличение содержания углерода повышает порог хладоломкости(хрупкость при низких температурах) и снижает ударную вязкость(характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению)                                                                                                                                                           Углерод оказывает влияние и на технологические свойства. Повышение содержания углерода ухудшает литейные свойства стали (используются стали с содержанием углерода до 0,4 %), обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Следует учитывать, что стали с низким содержанием углерода также плохо обрабатываются резанием.

Влияние примесей.                                                                                                                                                                                                                                       1.Постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор.                                                                                       Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями – полезное влияние.                                                                                                                          Содержание марганца не превышает 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности, и резко снижает красноломкость(хрупкость при высоких температурах) стали, вызванную влиянием серы.                                                                                                                 Содержание кремния не превышает 0,35…0,4 %. Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, . Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке                                                                                                          Содержание фосфора(Р) в стали 0,025…0,045 %. Фосфор, растворяясь в феррите, искажает кристаллическую решетку и увеличивает предел прочности и предел текучести , но снижает пластичность и вязкость. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость( повышение хрупкости при низких температурах), уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС. Для некоторых сталей возможно увеличение содержания фосфора до 0,10…0,15 %, для улучшения обрабатываемости резанием.                                                                                                                            Содержание серы(S) в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости( повышение хрупкости при высоких температурах.  Сера снижает механические свойства, особенно ударную вязкость а и пластичность ( и ), а так же предел выносливости. Она ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.  Сера и фосфор– вредное воздействие.                                                                                                                                                                                                                                                     2. Скрытые примеси - газы (азот, кислород, водород) – попадают в сталь при выплавке.  Азот и кислород находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений: окислов (FeO, SiO₂, Al₂O₃ ) нитридов (Fe ₂N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии, располагаясь в дефектах (раковинах, трещинах).  Примеси внедрения (азот N, кислород О) повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Неметаллические включения (окислы, нитриды), являясь концентраторами напряжений, могут значительно понизить предел выносливости и вязкость. Очень вредным является растворенный в стали водород, который значительно охрупчивает сталь.                                            3. Специальные примеси – специально вводятся в сталь для получения заданных свойств. Примеси называются легирующими элементами, а стали - легированные сталями.   Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей - (0…-100)^oС.                                                         Дополнительные легирующие элементы. Бор - 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 ^oС. Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)^oС. Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали. Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120^oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель. Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость. Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств. Качество стали зависит от содержания серы и фосфора.

11. Классификация и маркировка  углеродистых сталей.

Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода до 2,14%.                                                            Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора. Основное отличие стали от чугуна – это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей.  В зависимости от химического состава стали делятся на углеродистые и легированные.     В состав углеродистой стали кроме углерода входит небольшое количество постоянных примесей (Si, Mn, S, Р), попадающих в нее при выплавке. Главным элементом, определяющим свойства углеродистой стали, является углерод. Он повышает твердость, упругость, прочность, уменьшает пластичность и сопротивление ударным нагрузкам. Углеродистая сталь, в свою очередь, подразделяется по назначению и качеству. По назначению она делится на конструкционную и инструментальную.

Стали классифицируются по множеству  признаков.                                                                                               1)По химическому составу: углеродистые и легированные(содержание легирующих элементов).                                                                                                                                          2)По качеству. Содержание фосфора(Р) в стали 0,025…0,045 %. Располагаясь вблизи зерен, увеличивает температуру перехода в хрупкое состояние, вызывает хладоломкость( повышение хрупкости при низких температурах), уменьшает работу распространения трещин, Повышение содержания фосфора на каждую 0,01 % повышает порог хладоломкости на 20…25^oС.                                                                                                                                          Содержание серы(S) в сталях составляет 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна. При нагреве под прокатку или ковку эвтектика плавится, нарушаются связи между зернами. При деформации в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины, заготовка разрушается – явление красноломкости( повышение хрупкости при высоких температурах)                                                                                                                                         Стали обыкновенно качества. S и Р не более 0,05%                                                                                                    Ст.0……6                                                                                                                                                               АСт.0…6 – при поставке гарантируются механические свойства                                                                         БСт.0….6 - при поставке гарантируются химические свойства

ВСт.0….6 - при поставке гарантируются  и механические свойства и мех. состав                                           0…..6 – условный номер                                                                                                                                                                             Ст. 0….6 СП –спокойное(если сталь раскисляется)                                                                                                      КП - кипящее (раскисление происходит в ковше)                                                                                                      ПС -полуспокойное                                                                                                                                                                                                                                     Качественные стали. S и Р не более 0,035%                                                                                                          3)По назначению:                                                                                                                                  конструкционные - применяются для изготовления деталей машин и механизмов. 20=0,2%;40=0,4%;60=0,6%. Цифры показывают содержание углерода в сотых долях процентов.                                                                                                                                инструментальные - применяются для изготовления различных инструментов.   У10=1%;У12=1,2%;У8=0,8%. Содержание углерода в десятых долях.                                                                                                       специальные – стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.                                                                                                         Высококачественные стали. S и Р не более 0,025% .                                                                                                 В конце марки ставится буква А.                                                                                                                             Стали особовысококачественные . S и Р не более 0,015% .                                                                                    В конце марки стоят буквы, которые показывают способ переплава .                                                                        Ш – электрошлаковый переплав                                                                                                                          ВДП(ВД) –вакуумно-дуговой переплав                                                                                                                                                    ЭЛП – электронно-лучевой переплав                                                                                                                                                                                                                                                4)По содержанию углерода:                                                                                                                низкоуглеродистые, с содержанием углерода от 0,02 до 0,2 %;                                                        среднеуглеродистые, с содержанием углерода  от 0,3 до 0,6 %;                                                  высокоуглеродистые, с содержанием углерода от 0,7  до 2,14%                                                                                5)По равновесной структуре:                                                                                                                      доэвтектоидные( от 0,02 до 0,8) феррит+перлит                                                                                                  эвтектоидная( 0,8) перлит                                                                                                                                  заэвтектоидные( от 0,8 до 2,14) фементит вторичный+перлит.                                                                               Еще по назначению:                                                                                                                     строительные(рельсовые, котельные, судостроительные)                                                  машиностроительные(цементуемые, улучшаемые, шарикоподшипниковые, ресоропружинные, коррозионно- стойкие,    инструментальные

12.Классификация  чугунов. Факторы, влияющие на  графитизацию. Получение ковкого и высокопрочного чугунов. Маркировка чугунов.

Белые чугуны — получаются при ускоренном охлаждении и при переохлаждении жидкого чугуна ниже 1147 °С, когда в силу структурных и кинетических особенностей будет образовываться метастабильная фаза Fe₃C(цементит), а не графит. Белые чугуны, содержащие связанный углерод в виде Fe₃C, отличаются высокой твердостью, хрупкостью и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому они как конструкционный материал не применяются, а используются для получения ковкого чугуна путем графитизирующего отжига. Серые чугуны — образуются только при малых скоростях охлаждения в узком интервале температур, когда мала степень переохлаждения жидкой фазы. В этих условиях весь углерод или его большая часть графитизируется в виде пластинчатого графита, а содержание углерода в виде цементита составляет не более 0,8 %. У серых чугунов хорошие технологические и прочностные свойства, что определяет широкое применение их как конструкционного материала.

Половинчатые  чугуны(чугуны с отбеленной поверхностью) — занимают промежуточное положение между белыми и серыми чугунами, и в них основное количество углерода (более 0,8 %) находится в виде Fe₃C(цементита). Чугун имеет структуру перлита, ледебурита и пластинчатого графита.

Графитизацией называется процесс выделения графита при кристаллизации или охлаждении чугунов. Графит может образовываться как из жидкой фазы при кристаллизации, так и из твердой фазы.

Графитизация чугуна и ее полнота зависит от скорости охлаждения, химического состава и наличия центров графитизации.

Влияние скорости охлаждения обусловлено тем, что графитизация чугуна протекает очень медленно и включает несколько стадий:

- бразование центров графитизации в жидкой фазе или аустените;

-диффузия атомов углерода  к центрам графитизации;

-рост выделения графита.

Чем медленнее охлаждение чугуна, тем большее развитие получает процесс графитизации.

Промышленные чугуны содержат 2,0–4,5 % С, 1,0–3,5 % Si, 0,5–1,0 % Mn, до 03 % Р и до 0,2 % S. Наиболее сильное положительное влияние на графитизацию оказывает кремний(способствует). Меняя содержание кремния, можно получать чугуны с различной структурой и свойствами.

Марганец препятствует графитизации, увеличивая склонность чугуна к отбеливанию. Сера является вредной примесью. Ее отбеливающее влияние в 5–6 раз выше, чем марганца. Кроме того, сера снижает жидкотекучесть, способствует образованию газовых пузырей, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин. Фосфор не влияет на графитизацию и является полезной примесью, увеличивая жидкотекучесть серого чугуна за счет образования легкоплавкой фосфидной эвтектики.

Высокопрочный чугун получают присадкой в жидкий чугун небольших добавок некоторых щелочных или щелочноземельных металлов(модифицированием). Чаще применяют магний (Mg) в количестве 0,03-0,07% и церий (Ce). Под действием Mg графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму (способствует расторможению поперечного роста графитных включений).

Ковкий чугун получают длительным нагревом при высоких температурах (отжигом) отливок из белого чугуна. В результате отжига образуется графит хлопьевидной формы. Такой графит по сравнению с пластинчатым меньше снижает прочность и пластичность неметаллической основы структуры чугуна.

-Отливки выдерживаются  в печи при температуре 950…1000^оС в течении 15…20 часов. Происходит разложение цементита:

Fe₃C -> А + Г

Структура после выдержки состоит из аустенита и графита (углерод отжига).

При охлаждении 727 ^oС аустенит распадается на феррито-цементитную сместь

А -> Ф + Ц

И получается ковкий чугун на перлитной основе

При медленном охлаждении и выдержке(~20 часов) в интервале 760…720^oС, происходит разложение цементита, входящего в состав перлита, и структура после отжига состоит из феррита и углерода отжига (получается ферритный ковкий чугун).Маркировка серого чугуна. Такой чугун маркируется буквами «СЧ» и двумя цифрами, которые показывают минимально допустимое временное сопротивление чугуна(предел прочности). Например, обозначение чугуна СЧ 30 означает, что он относится к серым чугунам с пластинчатым графитом и его =300 МПа. Всего стандартом предусмотрен следующий ряд марок чугунов – от СЧ 10 до СЧ 35.Высокопрочный чугун. Марку высокопрочного чугуна обозначают буквами «ВЧ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление. Например, маркировка ВЧ 50 означает, что этот чугун является высокопрочным и его =500 МПаКовкий чугун обозначается буквами «КЧ» и двумя группами цифр, которые определяют минимальное временное сопротивление и относительное удлинение при растяжении в процентах – КЧ –b. Например, КЧ 37–12 означает, что эта марка ковкого чугуна с =370 МПа и относительным удлинением 12 %.Чугун с вермикулярным графитом. «ЧВГ» и двумя цифрами, которые показывают его минимальное временное сопротивление. Например, маркировка ЧВГ 45 означает, что этот чугун с вермикулярным графитом и его =450 МПа

13.Изменение структуры  и свойств металла при пластической  деформации.

Механизм упругой  и пластической деформации.

При пластическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой под действием  касательных напряжений. При снятии нагрузок сдвиг остается, т.е. происходит пластическая деформация.С ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость). Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла — образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например уменьшаются электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ориентировка (текстура) и анизотропия свойств, т. е. их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла. Так же происходит деформационное упрочнение или наклеп.(В результате пластической деформации происходит искажение кристаллической решетки, зерна металла деформируются и приобретают определенную форму)При неполной холодной пластической деформации с нагревом чистого металла до температур (0,25 ...0,30) T_пл, где T_пл – абсолютная температура плавления, одновременно с процессом упрочнения металла возникает явление, называемое отдыхом или возвратом. Оно обеспечивает частичное снятие остаточных напряжений, небольшое восстановление пластических свойств и повышает сопротивление металла коррозии.При неполной горячей пластической деформации с нагревом чистого металла до температуры свыше 0,47T_пл одновременно с процессом упрочнения протекает процесс рекристаллизации — зарождение и рост новых зерен взамен деформированных. После деформации в микроструктуре металла наблюдаются рекристаллизованные (равноосные) и нерекристаллизованные (вытянутые) зерна металла.При горячей пластической деформации, совершающейся при температуре, превышающей температуру рекристаллизации, в металле протекают одновременно процессы упрочнения и разупрочнения. Если за время деформации рекристаллизация произойдет полностью, то вызываемого упрочнением изменения свойств металла не произойдет. Скорость процесса разупрочнения, вызванного рекристаллизацией, значительно меньше скорости процесса упрочнения. В результате рекристаллизации металл в процессе горячей обработки несколько разупрочняется и стремится приобрести равноосную неориентированную структуру.