Как уже отмечалось выше, по сравнению со сталью, чугун имеет более высокое содержание углерода (более 2,14 и как правило до 4,5 %). Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: в связанном - в виде химического соединения Fе3С, которое называется цементит, либо в свободном - в виде графита.
В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии. Название он получил по цвету излома. Имеет высокую твердость, хрупкость, практически не поддается обработке резанием и поэтому не нашел применения в качестве конструкционного материала и используется для передела в сталь и ковкий чугун.
- серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы, а остальная часть - в связанном состоянии в виде карбида железа Fе3С. В изломе имеет темно-серый цвет. Серый чугун маркируется (ГОСТ 1412-85) буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении σв. Например, СЧ20 - серый чугун, имеющий σв=200МПа или 20кгс/мм2.
Серый чугун широко применяется в машиностроении как конструкционный материал для изготовления станин станков, тормозных барабанов, поршневых колец и т.д.
- ковкий чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун маркируют (ГОСТ 1215-79) буквами КЧ и двумя числами. Первое обозначает предел прочности при растяжении σв в кг/мм2, второе - относительное удлинение δ, %. Например, КЧ35-10 - ковкий чугун, имеющий σв =350МПа (35кгс/мм2) и δ =10%;
Ковкие чугуны имеют более высокие характеристики пластичности по сравнению с другими чугунами (но это не значит, что его можно ковать). Применяется ковкий чугун для изготовления деталей, работающих при средних и высоких статических нагрузках (картеры автомобиля, ступицы, кронштейны, муфты и т.д.).
- высокопрочный чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита шаровидной формы. Имеет самые высокие прочностные свойства по сравнению с другими чугунами. Применяется для деталей машин, работающих в тяжелых условиях (в тяжёлом машиностроении – шабот молота, траверс пресса, прокатные валки и т.д.). Высокопрочный чугун маркируется (ГОСТ 7293-85) буквами ВЧ и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна при растяжении σв, например, ВЧ50 - высокопрочный чугун, имеющий σв =500МПа (50кгс/мм2).
Таблица 1 – Варианты заданий на практическую работу
| Вариант | Марки сталей и чугунов |
| 1, 2, 3 | Ст2сп, 08кп, 09Г2С, У7А, 9ХС, Р6АМ5, СЧ10 |
| 4, 5, 6, | Ст2пс, 40, 38ХА, У13, ХВГ, А20, КЧ 63-2 |
| 7, 8, 9 | Ст5сп, 10кп, 60С2, У12А, Х12Ф1, ШХ15, ВЧ50 |
| 10, 11, 12 | Ст4пс, 05, 01ЮТБ, У10, Х, 35Л, СЧ 30 |
| 13, 14, 15 | Ст3кп, 80, 50ХФА, У8, Х6ВФ, Р12Ф3, КЧ 45-6 |
| 16, 17, 18 | Ст5пс, 15, 25Г2С, У9А, 5ХНМ, Р18, ВЧ60 |
| 19, 20, 21 | Ст1кп, 20пс, 12Х2Н4А, У11, Х12М, 50Л, КЧ 30-6 |
| 22, 23, 24 | Ст6сп, 60, 35ГС, У13А, 5ХВ2С, А15, СЧ40 |
| 25, 26, 27 | Ст3пс, 10пс, 38ХН3МА, У7, 9Х2, ШХ4, ВЧ45 |
| 28, 29, 30 | Ст1сп, 30, 20ХН3А, У9, Х12, 45ФЛ, КЧ 45-6 |
Отчёт о работе должен содержать название и цель работы, задание, в ходе работы должны быть отражены теоретические положения (перечисленные в порядке выполнения работы), расшифрованы марки сталей и чугунов, согласно вашего варианта, результаты выполнения задания занесены в таблицу 2. По результатам работы необходимо сделать выводы.
Таблица 2 – Результаты расшифровки марок сталей и чугунов
| Марка | Название сплава | Классификация | Химический состав или свойства (если зашифрованы в марке) | Назначение |
| сталь | углеродистая или легированная; обыкновенного качества, качественная или высококачественная;, спокойная, полуспокойная или кипящая | конструкционная, шарикоподшипниковая, инструментальная | ||
| чугун | серый, ковкий, высокопрочный | |||
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Как классифицируются стали по химическому составу?
2. Как классифицируются стали по содержанию углерода и степени легированности?
3. Как можно подразделить стали по назначению?
4. Как классифицируются стали по способу производства, степени раскисления?
5. Как маркируются углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные стали?
6. Как маркируются углеродистые инструментальные стали?
7. Что такое легированная сталь?
8. Как маркируются легированные стали?
9. Что такое белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны, их характеристики, назначение?
10. Как маркируются серые, высокопрочные и ковкие чугуны?
11. В чём заключается основное отличие структуры белых и серах чугунов, причины этого отличия?
Практическая работа №4
Тема: Выбор материалов для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации
Цель: Определять свойства сталей по их маркировке и выбирать марку стали для конкретных условий эксплуатации изделий из нее.
Порядок выполнения работы:
1. Изучить основные области применения различных видов стали и влияние химического состава на ее свойства.
2. Выбрать материал для изготовления изделий работающих в разных условиях эксплуатации. Задания на практическую работу приведены в таблице 1. Свой выбор обосновать. (При выполнении задания необходимо использовать справочную литературу- марочник сталей и сплавов).
Теоретическая часть
| Рисунок 1 - Зависимость механических свойств углеродистых сталей в равновесном состоянии от содержания углерода |
К лассификация сталей по назначению определяет возможность использования той или иной стали для конкретных изделий. Основой такой классификации является зависимость механических свойств сталей от содержания углерода, показанная на рис. 1.
Видно, что достоинством сталей с большим содержанием углерода (³ 0,7 %С) является высокая твердость, поэтому такие стали относятся к группе инструментальных (т.к. основное требование для большинства видов инструмента – именно высокая твердость) Кроме высокой твердости инструментальные стали должны быть износостойкими, в отдельных случаях красностойкими (сохранять высокую твердость при повышении температуры). Конструкционные стали используют для разнообразных по назначению изделий, работающих при сложных, в том числе, динамических нагрузках. Такие стали должны обладать оптимальным сочетанием прочности и ударной вязкости, поэтому, в основном, это мало – и среднеуглеродистые стали.
Содержание углерода в конструкционных углеродистых сталях обыкновенного качества (Ст1, Ст3пс, Ст6 и т.д) изменяется от » 0,1 % до 0,5 % и в среднем возрастает с увеличением цифры от 1 до 6 в марке (соответственно изменяются свойства согласно рис. 1). Эти стали применяют в сварных, клепаных, соединенных болтами металлических конструкциях и сооружениях, а также для изготовления слабонагруженных деталей машин.
Свариваемость — одно из главных технологических требований, предъявляемых к строительным сталям, так как большинство строительных конструкций сварные. Свариваемость зависит в первую очередь от содержания в стали углерода. С увеличением содержания углерода свариваемость ухудшается. Поэтому хорошо свариваются стали с низким содержанием углерода (С < 0,22—0,25 %).
Для строительных конструкций и машин, эксплуатируемых в северных районах, где температура зимой бывает ниже —40 °С, большое значение имеет температура перехода стали в хрупкое состояние (порог хладноломкости). Эта температура для кипящей стали выше, чем для спокойной (это объясняется повышенным содержанием вредных примесей Р, S, О, N в кипящей стали). Полуспокойная сталь занимает по склонности к хладноломкости промежуточное положение между кипящей и спокойной. Поэтому строительные конструкции и машины северного исполнения необходимо изготовлять из спокойной стали.