МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт природных ресурсов
Кафедра бурения скважин
Направление – Нефтегазовое дело
Специальность 210301
Оценка ресурсо эффективности стали
Студент гр. З-2Б22Т ___________ Андрющин Д.А.
(подпись)
________________
(дата)
Преподаватель ___________ Вершкова Е.М
(подпись)
________________
(дата)
Томск - 2016
Оглавление
1. Стали, общие сведения…………………………………………………3
2. Свойства стали………………….………………………………………8
3. Влияние различных факторов на свойства стали……………………10
4. Области применения стали……………………………………………19
Вывод……………………………………………………………………...20
Список используемой литературы……………………………………....22
Введение
Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства. Так же важную роль в жизни человечества занимают стали.
Сплав железа с углеродом называется сталью, если содержание углерода будет не более 1,7%. Как и в чугуне, кроме углерода, в стали всегда имеются следующие примеси: марганец, кремний, сера и фосфор. Сталь имеет более высокие физико-механические свойства по сравнению с чугуном: ее можно закаливать, ковать, прокатывать; она имеет высокую прочность и значительную пластичность, хорошо обрабатывается. В расплавленном состоянии сталь обладает достаточной текучесть для получения отливок. Сталь с малым содержанием углерода (такую сталь раньше ошибочно называли железом) мягкая, не закаливается, обладает высокой пластичностью, хорошо сваривается, легко куется и прокатывается в горячем и холодном состоянии.
По данным Международного института чугуна и стали (IISI) в производстве стали в 2008 году, лидирует Азия (56,1% доля в мировом пространстве). В рейтинге ведущих мировых производителей стали в 2008 году, российская компания «Северсталь» занимает 15 место, с годовой добычей 16,8 млн.тонн (По данным Metal Bulletin’s Top Steelmakers of 2008).
Стали, общие сведения
Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 1,7% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств специально (легирующие элементы). Стали, классифицируют по самым различным признакам. Рассмотрим следующие:
1.Химический состав стали.
В зависимости от химического состава различают, стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79). В свою очередь углеродистые стали могут быть:
а) малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;
б) среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%
в) высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%. Легированные стали подразделяют на: а) низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%; б) среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов; в) высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.
2. Назначение сталей.
По назначению стали бывают:
1) Конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.
2) Инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.
3) С особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения. С особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.
3. Качество стали.
В зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на: 1) Стали обыкновенного качества, содержание до 0.06% серы и до 0,07% фосфора. 2) Качественные стали - до 0,035% серы и фосфора каждого отдельно. 3) Высококачественные стали - до 0.025% серы и фосфора. 4) Особовысококачественные стали, до 0,025% фосфора и до 0,015% серы.
4. Степень раскисления стали.
По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют: 1) спокойные стали, т. е., полностью раскисленные, такие стали обозначаются буквами “сп” в конце марки (иногда буквы опускаются); 2) кипящие стали - слабо раскисленные, маркируются буквами "кп"; 3) полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".
Сталь обыкновенного качества подразделяется еще и по поставкам на 3 группы:
1) сталь группы А поставляется потребителям по механическим свойствам (такая сталь может иметь повышенное содержание серы или фосфора)
2)Сталь группы Б – по химическому составу 3) сталь группы В - с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. В зависимости от нормируемых показателей (предел прочности σ, относительное удлинение δ%, предел текучести δт, изгиб в холодном состоянии) сталь каждой группы делится на категории, которые обозначаются арабскими цифрами. Стали обыкновенного качества обозначают буквами "Ст" и условным номером марки (от 0 до 6) в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем выше содержание углерода и прочностные свойства стали, тем больше её номер. Буква "Г" после номера марки указывает на повышенное содержание марганца в стали. Перед маркой указывают, группу стали, причем группа "А" в обозначении марки стали, не ставится. Для указания категории стали, к обозначению марки добавляют номер в конце соответствующий категории, первую категорию обычно не указывают. Например: Ст1кп2 - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А); ВСт5Г - углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В); Вст0 - углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и Бст0 по степени раскисления не разделяют).
Качественные стали маркируют следующим образом:
1) в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации: а) в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода 05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С 60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С б) в десятых долях процента для индустриальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой "У":
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены)
У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С
2) легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами: А – азот, К – кобальт, Т – титан, Б – ниобий, М – молибден, Ф- ванадий, В – вольфрам Н – никель, Х – хром, Г – марганец, П – фосфор Ц – цирконий Д – медь Р – бор Ю – алюминий, Е – селен С – кремний Ч – редкоземельные металлы.
Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).Примеры: 14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 14% углерода и до 2,0% марганца. 03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до З,0% Мо, до 1,0% Nb.
Высококачественные и особовысококачественные стали, маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву "Ш". Например: У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь, содержащая 0,8% углерода 30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.
Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе:
1) Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами "ШХ", после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:
ШХ6 - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;
ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5% марганца и кремния.2) Быстрорежущие стали (сложнолегированные) обозначают буквой "Р", следующая за ней цифра указывает на процентное содержание в ней вольфрама: Р18 - быстрорежущая сталь, содержащая 18,0% вольфрама Р6М5К5 - быстрорежущая сталь, содержащая 6,0% вольфрама 5,0% молибдена 5,0% кобольта. 3) Автоматные стали обозначают буквой "А" и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента: А12 - автоматная сталь, содержащая 0,12% углерода (все автоматные стали имеют повышенное содержание серы и фосфора);
А40Г - автоматная сталь с 0,40% углерода и повышенным до 1,5% содержанием марганца.
Свойства стали
В металлургии, для конструктора имеют в первую очередь значение механические и физические свойства стали. Только когда нужно обеспечить определенные эксплуатационные показатели, например жаростойкость или окалиностойкость, наиболее важное значение имеет химический состав, т. е. конкретная группа специальных металлов. Предел текучести согласно стандарту определяется как напряжение, при котором растягивающее усилие, несмотря на удлинение образца, впервые остается постоянным или даже снижается.
Временное сопротивление разрыву определяется как напряжение, получающееся при применении наибольшего растягивающего усилия на первоначальную площадь поперечного сечения образца. Предел ползучести при какой-либо температуре согласно стандарту DIN 50119 определяется как статическая нагрузка (Н/мм2 или МПа), отнесенная к начальному сечению образца при комнатной температуре, которая по истечении определенной продолжительности испытания (например, через 104 или 105 ч) вызывает определенную деформацию растяжения (например, 1%). Такие свойства стали как предел длительной прочности представляет собой статическую нагрузку, которая при тех же условиях вызывает разрушение образца. Этот показатель зависит от продолжительности испытаний.
Постоянный предел длительной прочности определяется как наивысшее статическое напряжение, которое образец может выдержать бесконечно долго без разрушения. Этот показатель имеет скорее теоретическое, чем практическое значение. Относительное удлинение согласно стандарту DIN 50145 представляет собой остаточное изменение длины после разрушения разрывного образца, отнесенное к его начальной рабочей длине. Эти, как и некоторые другие механические и физические свойства стали измеряются в процентах.
Относительное сужение согласно стандарту DIN 50145 определяется как наибольшее остаточное изменение площади сечения после разрушения образца, отнесенное к его начальной площади. Для определения способности материала к деформации применяют способы испытания на загиб и на холодный изгиб. Различие между обоими методами испытания заключается в том, что при испытании на загиб образец, опирающийся на два подвижных ролика с определенным расстоянием между ними, выгибается вокруг оправки заданного диаметра, тогда как при испытании свойств стали на холодный изгиб вследствие жесткой опоры образца течение материала в зоне его растяжения исключается.
Испытание на циклическую прочность предназначается для определения характеристик механического поведения материала или конструктивных деталей при длительном или часто повторяющемся пульсирующем или знакопеременном нагружении. Такое свойство стали, как ударная вязкость по стандарту DIN 50115 представляет собой работу разрушения, поглощаемую образцом при испытании на ударный изгиб с надрезом, отнесенную к площади поперечного сечения образца в месте надреза (Дж/см2). В стандартах поясняются различные формы образцов для определения ударной вязкости.
Также одно из основных свойств стали - стойкость к старению. Согласно стандарту DIN 17135 такими качествами обладает металл, вязкость которого даже и после длительного вылеживания лишь незначительно изменяется по сравнению с ее уровнем в исходном состоянии. По принятому соглашению признаком стойкости к старению материалов, сдаваемых по вышеупомянутому стандарту, считается получение ударной вязкости (измеряемой на образцах при 20 °С) после искусственного старения с холодным растяжением на 5 или 10 % и отпуска в течение 0,5 ч при 250 °С не ниже некоторого заданного значения. Для оценки чувствительности к хрупкому разрушению применяют, как правило, испытание на описанную выше ударную вязкость при определенных температурах. В качестве критериев оценки используют работу ударного разрушения (Дж), удельную работу разрушения, наклон кривой, площадь кристаллической части в изломе разрушенного образа, угол изгиба и рабочую диаграмму.
Влияние различных факторов на свойства стали
Старение
Под старением понимают изменение свойств низкоуглеродистой стали без заметного изменения ее микроструктуры, Старение снижает пластичность листовой стали немного повышает прочность, но снижает, сопротивление хрупкому разрушению и порог хладноломкости.
Различают термическое и деформационное (иногда термодеформационное) старение. Термическое старение вызвано понижением растворимости углерода и азота в малоуглеродистых сталях, резко охлажденных с температур 650...700 °С (после прокатки, сварки и т.п.) до комнатной температуры. Во время последующей выдержки при комнатной температуре (естественное старение) или небольшом на, нагреве (50...150 °С) (искусственное старение) из феррита выделяются третичный цементит, иногда нитриты Fe6N2, Fc4N. Образуются также атмосферы Коттрелла, т.е. группы атомов углерода и азота вокруг дислокаций.
Деформационное старение происходит в сталях, подвергавшихся холодной деформации (холодная гибка, правка и т.п.), и связано в основном с образованием атмосфер Коттрелла у скоплений дислокаций. Процесс развивается в течение 15...16 суток при 20 °С и за несколько минут при 200...350 °С.
Образование дисперсных атмосфер Коттрелла затрудняет движение дислокаций. Старение малоуглеродистых строительных сталей может стать причиной разрушения конструкции, особенно при низких температурах. Чтобы уменьшить склонность стали к старению, при выплавке применяют дегазацию и модифицирование алюминием, титаном и ванадием. которые связывают азот и нитриды. Для ряда сталей предусмотрены специальные испытания на определение склонности к старению.
Влияние температуры
Механические свойства стали при нагревании ее до температуры t = 200…250 °С практически не меняются. При температуре 250...300°С прочность стали несколько повышается, пластичность снижается. Сталь в изломе имеет крупнозернистое строение и становится более хрупкой (синеломкость). Не следует при этой температуре деформировать сталь или подвергать ее ударным воздействиям.
Нагрев выше 400°С приводит к резкому падению предела текучести и временного сопротивления, а при t = 600...650°С наступает температурная пластичность и сталь теряет свою несущую способность.
При отрицательных температурах прочность стали возрастает, ударная вязкость падает и сталь становится более хрупкой.
Зависимость ударной вязкости от температуры характерна тем, что переход от вязкого разрушения к хрупкому происходит, как правило, скачкообразно, в узком температурном диапазоне, называемом порогом хладноломкости. Ударная вязкость, определенная при испытании образцов с надрезами типа U, обозначается KCU, а образцов с надрезами типа V и трещиной - соответственно KCV и КСТ. Обычно в качестве порога хладноломкости принимают температуру, при которой ударная вязкость становится меньше определенного значения: KCU, KCV и КСТ соответственно 30...40, 20 и 15 Дж/см2. Температуру, при которой ударная вязкость снижается до этого установленного значения, принимают за порог хладноломкости или критическую температуру перехода стали в хрупкое состояние Тcr. Данные о критических температурах хрупкости позволяют установить температурный интервал, при котором рекомендуется использовать в конструкциях ту или иную сталь.
В соответствии с действующими нормами проектирования стальных конструкций повышение их надежности против хрупкого разрушения достигается в основном выбором марки стали с гарантией ударной вязкости при пониженной температуре, а также специальными мероприятиями на стадиях конструирования и изготовления. Однако такой подход не всегда гарантирует от хрупких разрушений стальных конструкций. В настоящее время ведутся разработки по созданию более объективных методов оценки сопротивляемости конструкций хрупкому разрушению. Для сталей, используемых в строительных конструкциях, среди факторов, вызывающих хрупкое разрушение, одним из доминирующих является снижение температуры. В связи с этим сопротивление элементов стальных конструкций хрупкому разрушению отождествляют с понятием их хладостойкости.