ВВЕДЕНИЕ
Современная металлургическая промышленность Украины производит широкий сортамент сталей для различных целей, начиная от деталей бытовой техники и заканчивая космической. Машиностроение и строительство являются основными потребителями сталей в виде проката, литья и поковок. Главным критерием качества стальных изделий является их прочность и пластичность, от значений которых зависит металлоемкость машин, зданий и сооружений. Правильный выбор сортамента сталей имеет исключительно важное экономическое значение для любого изделия современной промышленности, обеспечивая высокую надежность конструкции или сооружения при минимальных затратах на их строительство.
Металлургическая промышленность использует различные способы производства и обработки стали, накладывающие отпечаток на свойства готовой металлопродукции. Поэтому знание влияния способа производства стали так же существенно при выборе материала для данной конструкции, как и его химический состав.
Сортамент металлопродукции различается многообразием составов и широким спектром свойств, что осложняет выбор подходящего материала для конкретной ситуации.
В последние годы все более широкое применение находят внепечные методы обработки стали, позволяющие существенно повысить качественные характеристики металлопродукции, и в какой то мере снизить влияние способов производства стали.
При решении задачи повышения качества металлопродукции необходимо учитывать следующие постоянно действующие факторы:
1. Экологические: необходимость рационального использования природных ресурсов при ограниченности запасов руды, коксующихся углей, минералов и топлива, повторного использования в металлургической промышленности отходов других промышленных отраслей. Введение обязательной экологической Экспертизы новой техники, технологии и материалов, проектов на строительство, реконструкцию и техническое перевооружение народнохозяйственных объектов.
2. Технический прогресс: создание новых замкнутых, малоотходных и безотходных технологий металлургического производства стали и его внепечной обработки для повышения комплекса механический свойств и уменьшения металлоемкости изделий. Автоматизация металлургического производства.
3. Энергетические: создание непрерывного металлургического производства с повторным использование различного вида тепла с целью экономии топлива и улучшения состояния окружающей природной среды.
4. Технико-экономические: облегчение конструкций, повышение их долговечности и надежности, соблюдение государственных стандартов, рациональное использование шихтовых материалов, топлива, полуфабрикатов.
Надежность конструкции не может быть оценена одной какой-либо характеристикой механических свойств металла. Оценка производится на основании анализа комплекса служебных и технических свойств материалов.
Выбор и рациональное использование марки стали осуществляют в два этапа:
– выбор марки стали, соответствующей комплексу заданных механических и физико-химических свойств;
– анализ выбранной марки стали с точки зрения наименьших экономических затрат, при этом принимается во внимание технология выплавки, внепечной обработки и др. металлургические параметры.
Процесс выбора марки стали включает:
– первичные требования, которые задаются, исходя из основных условий службы разрабатываемого изделия (например, коррозионная стойкость для судостроительной стали);
– вторичные требования, которые задаются, исходя из технологических условий изготовления (например, возможность выполнения качественной сварки).
Важнейшие критерии, которые учитываются при выборе материала:
а) физические – структура; механические свойства; электрические свойства (например, электропроводность); магнитные свойства (например, коэрцитивная сила); термические свойства (например, линейное расширение);
б) технологические – тип сталеплавильного агрегата; прокатка; обработка давлением; обработка резанием; химико-термическая обработка;
в) химические – устойчивость против агрессивных сред (например, кислот); устойчивость против атмосферного влияния;
г) критерии связанные с доставкой – возможности доставки; формы доставки; масса доставки; состояние доставки;
д) экономические – цена; стоимость термической обработки; транспортные затраты.
Цель работы: изучить основные понятия структуры железоуглеродистого сплава (аустенит, феррит, перлит, цементит) и их механических свойств (твердость, прочность, пластичность); классификацию, маркировку и химический состав стали; основные механические свойства стали (предел текучести, временное сопротивление разрыву (предел прочности), относительное удлинение, относительное сужение, ударная вязкость, твердость), влияние основных легирующих элементов на структуру и свойства Fe–C сплавов; условные обозначения и единицы измерения.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Структура и свойства стали
Структуру сталей следует рассматривать как сложную систему, состоящую из иерархии подсистем и уровней. Каждый элемент верхнего уровня состоит из множества элементов смежного нижнего уровня. Элементы смежных уровней различаются по природе, механизмам формирования и размерам.
Структурные уровни стали (размерность, м):
– макроструктура (10–1¸10–2), зона первичной кристаллизации, макроскопические дефекты отливок;
– микроструктура (10–3¸10–5), зерна вторичной кристаллизации;
– субструктура (10–6¸10–7), блоки, выделения, границы зерен;
– мезоструктура (10–8¸10–10), фрагменты атомно-кристаллических решеток, дислокации и др. дефекты строения, кластеры;
– атомная структура (10–11¸10–12), ячейки атомно-кристаллической решетки, атомы, электронные оболочки атомов.
Сталь это пластичный многокомпонентный сплав на основе железа с углеродом, содержание которого изменяется в пределах 0,02 ¸ 2,06 % углерода в железе.
Общие сведения о температурных и концентрационных границах существования фаз (на уровне микроструктуры): феррита, цементита, перлита и аустенита, которыепредставлены в диаграмме состояния сплавов Fe – C [5].
Основные структурные составляющие стали:
– феррит, твердый раствор углерода (<0,02 % С) и легирующих элементов в a–железе (решеткакубическая объемноцентрированная (ОЦК));
– цементит, химическое соединение, карбид железа Fe3C;
– перлит – механическая смесь феррита и цементита;
– аустенит, твердый раствор углерода (до 2,06 % С) и легирующих элементов в g–железе (высокотемпературная модификация, решетка кубическая гранецентрированная (ГЦК)).
Структуры в зависимости от содержания углерода в стали подразделяются на:
– доэвтектоидные сплавы, содержание углеродаот 0,02 до 0,83 %, структура: феррит и перлит (светлый избыточный феррит и темнотравящийся перлит);
– эвтектоидный сплав (перестройка кристаллической решетки из ГЦК в ОЦК) содержание углерода 0,83 %, структура: перлит (без термической обработки имеет пластинчатое строение, перламутровая окраска шлифов после травления);
– заэвтектоидные сплавы, содержание углеродаот 0,83 до 2,06 %,структура: вторичный цементит (в виде тонкой сетки по границам зерен) и перлит.
Для феррита характерны относительно низкие прочность и твердость, но высокие пластичность и ударная вязкость. Цементит хрупок, но весьма тверд и прочен. Перлит обладает ценным сочетанием прочности, твердости, пластичности и вязкости. Соотношение между этими фазами в структуре стали определяется главным образом содержанием в ней углерода; различные свойства этих фаз и обуславливают многообразие свойств стали.
Классификация сталей
В современной металлургии сталь выплавляют главным образом из чугуна и стального лома. Существует несколько вариантов классификации сплавов железа.
По способу производства:
– кислородно-конверторная сталь (в конверторах с продувкой кислородом);
– электросталь (в электрических дуговых или индукционных печах);
– специальная сталь (вакуумно-дуговой переплав, плазменно-дуговой и др.);
– мартеновская сталь (в мартеновских печах).
По качеству стали подразделяются на:
– обыкновенные (содержание S до 0,055¸0,06 % и P до 0,05¸0,07 %);
– качественные (S и P не более 0,035 %);
– высококачественные (S и P не более 0,025 %);
– особо высококачественные (S и P менее 0,015 %).
Различие между ними заключается в количестве вредных примесей (S и P) и неметаллических включений (исключение составляет автоматная сталь, содержащая до 0,3 % S и до 0,16 % P). Сера снижает механические свойства стали, является причиной красноломкости, т.е. хрупкости в горячем состоянии. Фосфор усиливает хладноломкость – хрупкость при пониженных температурах.
По степени раскисления (характеру застывания металла в изложнице и в МНЛЗ) различают:
– спокойную (сп);
– полуспокойную (пс);
– кипящую сталь (кп).
Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,35¸0,15 %, в полуспокойной 0,15¸0,05 %, в кипящей стали <0,05 %.
Поведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности: чем полнее удален из жидкой стали растворенный атомарный кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания. При разливке малораскисленной стали в результате реакции [С] + [О] = СОг в изложнице происходит бурное выделение пузырьков окиси углерода – сталь как бы «кипит». Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей стали. Каждый из этих видов металла имеет достоинства и недостатки; выбор технологии раскисления и разливки стали определяется ее назначением и технико-экономическими показателями производства.
Кроме того, различают металл, выплавленный в основной или кислой футеровке (по характеру футеровки, в зависимости от количества основных (СаО, MgO, FeO и др.) или кислотных (SiO2, P2O5, Fe2O3 и др.) окислов в огнеупорной кладки печи); сталь при этом называют соответственно основной или кислой (например, кислая мартеновская сталь).
По назначению стали делят на следующие основные группы:
– конструкционные;
– инструментальные;
– котельные;
– шарикоподшипниковые;
– стали с особыми свойствами.
Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций (до 0,25 % С), деталей машин и механизмов, испытывающих нагрузку (0,30¸0,50 % С), судовых и вагонных корпусов, паровых котлов и др. изделий. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми (до 0,7 % С – для пружин и рессор), так и легированными (основные легирующие элементы – Mn, Cr и Ni). Название конструкционной стали может отражать её непосредственное назначение (листовая, трубная, профильная, котельная, клапанная, рессорно-пружинная, судостроительная и т.д.).
Инструментальные стали служат для изготовления резцов, фрез, штампов, калибров и другого режущего, ударно–штамповочного и мерительного инструмента. Стали этой группы также могут быть углеродистыми (обычно 0,7¸1,5 % С) или легированными (главным образом Cr, Mn, Si, W, Mo, V). Среди инструментальных сталей широкое распространение получила быстрорежущая сталь (например, Р6М5).
К сталям с особыми физическими и химическими свойствами относятся электротехнические стали, нержавеющие стали, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные, стали для постоянных магнитов и др. Для многих сталей этой группы характерно низкое содержание углерода и высокая степень легирования.
По химическому составу:
– углеродистые;
– легированные.
Углеродистая сталь наряду с Fe и С содержит Mn (0,1¸1,0 %) и Si (до 0,4 %), а также вредные примеси – S и P; эти элементы попадают в сталь в связи с технологией её изготовления (главным образом из шихтовых материалов).
В состав легированных сталей, помимо указанных компонентов, входят легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, Zr, Co и др.), которые намеренно вводят в сталь для улучшения её технологических и эксплуатационных характеристик или для придания ей особых свойств. Легирующими элементами могут служить также Mn (при содержании более 1 %) и Si (более 0,8 %).
В зависимости от содержания углерода:
– низкоуглеродистая (до 0,25 % С);
– среднеуглеродистая (0,25¸0,6 % С);
– высокоуглеродистая (более 0,6 % С) сталь.
По степени легирования (т.е. по суммарному содержанию легирующих элементов):
– низколегированные (менее 2,5 %);
– среднелегированные (2,5¸10 %);
– высоколегированные (более 10 %) стали.
Легированные стали часто называют по преобладающим в ней компонентам (например, вольфрамовая, высокохромистая, хромомолибденовая, хромомарганцевоникелевая, хромоникелемолибденованадиевая и т.д.).
Маркировка сталей
Марки углеродистой стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) обозначаются буквами Ст, цифры от 0 до 6 – условный номер марки.
В зависимости от назначения сталь подразделяется на 3 группы:
А – поставляемая по механическим свойствам (в обозначении не указывается);
Б – по химическому составу (например: Б Ст3);
В – по механическим свойствам и химическому составу (например: В Ст3).
В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы подразделяют на категории (первую категорию в обозначении не указывают):
группы А – 1, 2, 3 (например: А Ст3сп 2);
Б – 1, 2;
В – 1, 2, 3, 4, 5, 6.
В зависимости от степени раскисленности обозначают буквами сп – спокойная (индекс не ставиться) пс – полуспокойная, кп – кипящая. Полуспокойная сталь с условными номерами 3 и 5 выплавляется с обычным и повышенным содержанием марганца. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют.
Сталь всех групп с номерами марок 1, 2, 3 и 4 по степени раскисления изготавливают сп, пс и кп, с номерами 5 и 6 – сп и пс (например: кипящие Ст0кп–Ст4кп, полуспокойные и спокойные: Ст5пс, Ст6сп). Для обозначения полуспокойной марки стали с повышенным содержанием марганца к обозначению марки стали после номера ставят букву Г, например: ВСт3Гпс3.
Качественные углеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержание С в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25сп, 40кп и т.д.
Высококачественные стали – в конце обозначения марки стали ставят букву А.
Особовысококачественные стали – в конце обозначения марки стали ставят букву Ш.
Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), АС – автоматная свинец содержащая.
Углеродистые инструментальные стали – буквой У (У8, У10, У12 и т.д. – здесь цифры означают содержание углерода в десятых долях процента).
Обозначение марки легированной стали, состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр характеризующих их среднее содержание. В настоящее время приняты единые условные обозначения химического состава стали:
| Азот | А | Кобальт | К | Празеодим | П |
| Алюминий | Ю | Кремний | С | Титан | Т |
| Бор | Р | Магний | Ш | Углерод | У |
| Ванадий | Ф | Марганец | Г | Хром | Х |
| Висмут | Ви | Медь | Д | Цирконий | Ц |
| Вольфрам | В | Молибден | М | Селен | Е |
| Галлий | Гл | Никель | Н | ||
| Кадмий | Кд | Ниобий | Б |
Первые цифры марки стали обозначают среднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквой указан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой – его среднее содержание. Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3 % С и 13 % Cr, сталь марки 2Х17Н2 – 0,2 % С, 17 % Cr и 2 % Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5% цифры за соответствующей буквой не ставятся: так сталь марки 12ХН3А содержит менее 1,5 % Cr (т.е. в среднем порядка 1 %). Обозначение марки некоторых легированных сталей включает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 – шарикоподшипниковая сталь с 0,9¸1,2 % Cr; Э3 – электротехническая сталь с 3 % Si). Стали проходящие промышленные испытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (буква Э – завод «Электросталь», Россия; буквы И и П – исследовательская или пробная, соответственно), ДИ (завод «Днепроспецсталь»), или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующим очередным номером (ЭИ268).