Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей

      * Механические свойства после закалки и отпуска.

      Примечание: В таблице приведены только некоторые марки сталей. 

      Инструментальные  качественные углеродистые стали предназначены  для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента  небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,..., У13). Высококачественные стали имеют низкое содержание серы (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03%), меньше неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствами. В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А (например, У7А,У8Аит. д.). /2, стр.320-321/

      Сталь легированная.

      При введении в углеродистые стали специальных  легирующих добавок (Cr, Mn, Ni, Si, W, Mo, Ti, Co, V и др.) достигается значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).

      Легирующие  добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас₃, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость, стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения, и снижается опасность появления закалочных трещин.

      Согласно  существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.

      По  назначению легированные стали разделяют на три класса: конструкционные (машиноподелочные и строительные), инструментальные и стали с особыми физико-химическими свойствами.

      Для обозначения марок сталей принята  буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначаются буквами: С –  кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,3. % С, 1 % Сr, 3 % Ni, 1 % Mo.

      По  химическому составу  легированные стали делят на три класса: низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %; среднелегированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов, например нержавеющая сталь 1Х18Н9.

      В зависимости от структуры, которую получают легированные стали после нормализации, их делят на пять классов: перлитная, мартенситная, аустенитная, ферритная и карбидная (ледебуритная). Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием.

      После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.

      Основным  преимуществом легированных сталей по, сравнению со сталью марки СтЗ является их большая прочность при сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения и уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии. /2, стр. 321-323/ 

      4.2.2 Основы получения стали

      Конвертерный  способ получения стали.

      Этот  способ позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50% металлического лома, руду, флюс (рис.6). Сжатый воздух под давлением (0,3…0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева стали, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.  

        

          1-вращающийся грушевидный сосуд; 2-футеровка; 3-фурменные отверстия  для подачи воздуха; 4-поворотные  механизм. Рис.6

         Особенностями конверторного способа производства стали являются: быстрота процесса, применение чугуна с минимальным содержанием фосфора и серы, трудность управления процессом, так как продолжительность плавки не превышает 15…25 мин, большой угар металла, повышенное содержание азота.

      Производство  стали в конверторах постепенно вытесняет ее в мартеновских печах. Емкость современных конверторов достигает 600т. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как дополнительное использование кислорода обеспечивает резкое повышение производительности (на 25…30%), а также уменьшение содержания вредных примесей в стали, особенно азота, и увеличивает стойкость футеровки. Себестоимость конверторной стали на 3…5% ниже мартеновской, а производительность труда на 40% выше. Недостатки способа: повышенный расход огнеупоров и высокий угар металлов.

      Мартеновский  способ производства.

      Мартеновский  способ осуществляется в специальных  мартеновских печах, в которых чугун  сплавляется вместе с железной рудой  и металлоломом (скрапом). Выгорание  примесей происходит за счет кислорода воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами и железной рудой в составе оксидов. Состав стали хорошо поддается регулированию, чсто позволяет получать в мартеновских печах высококачественные стали для ответственных конструкций.

      В мартеновских печах может быть произведена переплавка металлического лома(до 60…70%), возможны автоматизация процесса плавки, повышенная точность химического состава стали. Недостатки плавки стали в мартеновских печах: периодичность процесса плавки(одна плавка 8…12 ч), сложность оборудования, более высокая стоимость выплавляемой стали.

          

      1-под; 2-свод; 3-регенераторы. Рис.7-схема мартеновской печи.

      Электроплавление.

      Производство  стали в электрических печах - наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных видов сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи емкостью до270 т (рис.8).

      

      1-электроды; 2-ванна расплавленного металла; 3-поворотный механизм; 4-электропровод. Рис.8-схема дуговой электропечи.

      При электроплавке стали используют как стальной скрап и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера. В состав шихты вводят флюсы и легирующие добавки. Источником теплоты является электродуга, образующаяся между вертикально установленными угольными электродами и расплавленным металлом. Особенности производства стали в электропечах: восстановительная атмосфера, что способствует значительному сокращению угара стали и уменьшению расхода легирующих добавок; возможность достижения более высокой температуры, позволяющей получать специальные легированные стали; точное регулирование химического состава стали; более полно удаляются вредные примеси фосфора и серы. Применение электропечей пока ограничено достаточно высокой стоимостью электроэнергии.

      Разливка  стали

      Выплавленную  в печи сталь выпускают в ковши. Из ковшей сталь разливают в изложницы, где она кристаллизуется. Образовавшиеся слитки извлекают из изложниц, нагревают  и прокатывают на обжимных станках (блюмингах, слябингах). Таким образом, переработка жидкой стали в заготовки складывается из многих операций, каждая из которых выполняется периодически и связана с большими затратами труда. При этом расходуется много топлива и теряется немало стали.

      Разработан  и широко применяется непрерывный  способ получения заготовок. Жидкую сталь заливают из ковша в охлаждаемый  водой кристаллизатор. Из нижней части  его вытягивают заготовку. После  затвердевания ее разрезают на куски  желательной длины. Способ непрерывной разливки стали требует значительно меньших капиталовложений, чем периодический. Весь процесс ускоряется, качество стали повышается.

          

      Рис.9-непревывная разливка стали. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      5 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 

      Механические свойства устанавливают по результатам статистических, динамических и усталостных (на выносливость) испытаний. 

      5.1 Статистические испытания

       

      Статистические  испытания характеризуются медленным  и плавным приложением нагрузки. Основными из них являются: испытания на растяжение, твердость и вязкость разрушения.

      Для испытания на растяжение используют стандартные образцы с расчетной  длиной l_p=10d и площадью 11,3 А_о, где d и А_о – соответственно диаметр и площадь поперечног7о сечения образца сортового проката круглого, квадратного или прямоугольного сечения.

      Испытания проводят на разрывных машинах с  автоматической записью диаграммы  растяжения. На рис. 10 представлена такая  диаграмма для средне углеродистой стали.

        

      Диаграмма растяжения металла: а) для условных (сплошные линии) и истинных (штриховые линии) напряжений; I-область упругой деформации; II- то же пластической; III- область развития трещин; б) условно истинных напряжений. Рис.10

      Кривая  l характеризует поведение металла под действием условных напряжений,σ = Р/А_о, а кривая 2 – под действием истинных напряжений, s = Р/А_х, ( где А_о и А_Х – соответственно площади поперечного сечения образца до испытания и на каждой ступени нагружения вплоть до разрушения). Обычно пользуются диаграммой условных напряжений. Хотя более объективной является кривая 2. Напряжение σ_у ( точка К на диграмме) характеризует предел пропорциональности. Его оценивают по отношению (tgα_о – tgα₁)/ tgα_о, которое не должно превышать 0,5 ( здесь α_о и α₁ – соответственно углы наклона касательных к начальному участку  диаграммы при линейной и нелинейной зависимости между напряжениями и деформациями).

      Предел  упругости определяют напряжением, при котором остаточная деформация удлинения не превышает 0,05%. Предел текучести характеризуется условным пределом текучести, σ_о,2, при котором остаточная деформация не превышает 0,2%. Физический предел текучести, σ_т соответствует напряжению, при котором образец деформируется без дальнейшего увеличения нагрузки. Напряжение σ_в ( точка М на диаграмме), отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется временным сопротивлением (пределом прочности). Начиная с этого момента деформация локализуется на одном участке образца, напряжение падает и происходит разрушение ( точка N на диаграмме). Истинное сопротивление разрушению S_к, как видно из диаграммы, больше σ_в, что свидетельствует об упрочнении (наклепе) металла при испытании. Различие больше для пластичных и незначительно для хрупких металлов.Для высокоуглеродистых сталей S_т=σ_т и S_т≈S_к, так как хрупкие металлы почти не испытывают пластических деформаций. S_k(S_т) при хрупком разрушении   характеризует сопротивление металлов отрыву. Для материалов хрупких при испытании на растяжение, применяют статистические испытания на сжатие (для чугуна), на кручение (для закаленных и конструкционных сталей) и изгиб (для отливок из серого и ковкого чугуна).

      Пластические  свойства металлов характеризуются  относительным удлинением, δ=[(l_k-lo)/l_o] 100% и сужением, ψ=[(А_о-А_К)/А_о] 100%, где l_o,l_K и А_о, А_к – соответственно длина и площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.

      Твердость металлов испытывают путем вдавливания  в него под определенной нагрузкой  стального шарика, алмазного конуса или пирамиды (рис.11) и оценивают  по величине произведенной пластической деформации (отпечатку). В зависимости от вида используемого наконечника и критерия оценки различают твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

        

       

а) по Бринеллю; б)по Роквеллу; в) по Виккерсу.

Рис.11- схема определения твердости.

      Твердость металлов по Бринеллю рассчитывают по формуле:

НВ=2Р/πD (D-√ D²-d²)10^-6 ,МПа,                                                               (1)

Где Р- нагрузка, (Н); D- диаметр стального  шарика, (м). В приборе принят D=1∙10^-2 м; d диаметр отпечатка (лунки), (м).