25843

Структура и свойства сталей и чугунов

Лекция

Производство и промышленные технологии

В углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.

Русский

2014-10-16

74 KB

10 чел.

Лекция 10

Структура и свойства сталей и чугунов.

1.1. Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства сталей.

В углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость. При содержании в стали свыше 1 % углерода твердость ее возрастает, а предел прочности уменьшается. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен сетка вторичного цементита, который является хрупкой составляющей, уменьшает прочность стали. С увеличением содержания углерода снижаются технологические свойства стали (ухудшается свариваемость, затрудняется механическая обработка), возрастают электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость. Поэтому практическое применение имеют стали с содержанием углерода не более 1,5 %.

Марганец содержится в стали в качестве примеси в количестве от 0,4 до 0,8 %. Марганец, растворяясь в феррите, повышает прочность и значительно увеличивает прокаливаемость стали. Он устраняет вредное действие серы, образуя сульфид марганца (MnS), значительное количество которого удаляется вместе со шлаком при выплавке стали. Образующийся сульфид марганца с температурой плавления 1620 СС является пластичным и при горячей обработке не вызывает в стали трещин, т. е. марганец уменьшает красноломкость стали. Кроме того, марганец способствует уменьшению в стали сульфида железа (FeS). Данный химический элемент широко используется при производстве мебельной фурнитуры. Марганец делает фурнитуру устойчивой к загрязнению и окислению.

Кремний является полезной примесью и может присутствовать в стали до 0,5 %. Являясь эффективным раскислителем, кремний способствует получению плотных слитков стали с улучшенными свойствами. Кремний очень повышает прочность стали за счет образования с ферритом твердого раствора. Это снижает способность стали к вытяжке и холодной штамповке. В связи с этим в сталях, предназначенных для такой обработки, содержание кремния должно быть пониженным.

Фосфор для большинства сталей является вредной примесью, и содержание его не должно превышать 0,05 %. Фосфор увеличивает прочность и снижает пластичность и вязкость сталей. Он обладает повышенной склонностью к ликвации и, располагаясь вблизи границ зерен, вызывает хладноломкость стали. В ряде случаев фосфор может быть полезным; например, содержание фосфора 0,06-0,15 % улучшает обрабатываемость автоматных сталей режущим инструментом.

Сера является вредной примесью. Она образует сернистое железо FeS, которое взаимодействует с чистым железом, образуя легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 °С. Эвтектика, располагаясь после затвердевания по границам зерен, при нагреве до 1000-1200 °С оплавляется и приводит к трещинам при деформации стали, т. е. вызывает ее красноломкость. Содержание серы в стали не должно превышать 0,06 %. Вредное влияние серы, как уже указывалось, ослабляет марганец, который практически исключает явление красноломкости. В автоматных сталях содержание серы допускается до 0,08-0,30 %, так как она облегчает обработку стали резанием.

Кислород, азот и водород являются вредными примесями. Кислород и азот находятся в стали в виде оксидов FeO, SiO2, MnO или нитридов Fe4N и др. Эти неметаллические включения нарушают сплошность стали и, являясь концентраторами напряжений, приводят к преждевременному выходу деталей из строя. Водород охрупчивает сталь и приводит к образованию флокенов, которые представляют собой тонкие трещины овальной или округлой формы. Флокены резко ухудшают свойства стали и делают ее непригодной для применения.

Классификация углеродистых сталей. Углеродистые стали классифицируют по назначению и качеству.

1.2. Структура и свойства чугунов, область применения.

К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14%, В этих сплавах обычно присутствует также кремний и некоторые количества марганца, серы и фосфора, а иногда и другие элементы, вводимые как легирующие добавки для придания чугуну определенных свойств. К числу таких легирующих элементов можно отнести никель, хром, магний и др.

В зависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые. В белых чугунах весь углерод связан в химическое соединение карбид железа Fe3C – цементит. В серых чугунах значительная часть углерода находится в структурно-свободном состоянии в виде графита. Если серые чугуны хорошо поддаются механической обработке, то белые обладают очень высокой твердостью и режущим инструментом обрабатываться не могут. Поэтому белые чугуны для изготовления изделий применяют крайне редко, их используют главным образом в виде полупродукта для получения так называемых ковких чугунов. Получение белого или серого чугуна зависит от его состава и скорости охлаждения.

В зависимости от структуры чугуны классифицируют на высокопрочные (с шаровидным графитом) и ковкие. По степени легирования чугуны подразделяют на простые, низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5- 10% легирующих элементов) и высоколегированные (свыше 10% легирующих элементов). Шире всего используют простые и низколегированные серые литейные чугуны.

Чугун получил широкое распространение как конструкционный материал в машиностроительной, металлургической и других отраслях промышленности в связи с рядом преимуществ перед Другими материалами, среди которых в первую очередь следует упомянуть следующие: невысокая стоимость, хорошие литейные свойства. Изделия, изготовленные из него, имеют достаточно высокую прочность и износостойкость при работе на трение и характеризуются меньшей, чем сталь чувствительностью к концентраторам напряжений. Наряду с перечисленными преимуществами изделия из серого литейного чугуна хорошо обрабатываются режущим инструментом. Последнее вместе с хорошими литейными свойствами позволяет оценить чугун как весьма технологичный материал.

Главный процесс, формирующий структуру чугуна, - процесс графитизации (выделение углерода в структурно-свободном виде), так как от него зависит не только количество, форма и распределение графита в структуре, но и вид металлической основы (матрицы) чугуна. В зависимости от степени графитизации матрица может быть перлитно-цементитной (П-f-Ц), перлитной (П), перлитно-ферритной (П-Ч-Ф) и ферритной (Ф). Цементит перлита называют эвтектоидным, остальной цементит - структурно-свободным. Некоторые элементы, вводимые в чугун(в порядке силы действия: С, Si, Ni, Co, Cu ), способствуют графитизации, другие - препятствуют(S, V, Cr, Sn, Mo, Mn). Наибольшее графитизирующее действие оказывают углерод и кремнии, наименьшее - кобальт и медь.

Наиболее сильно задерживают процесс графитизации (оказывают отбеливающее действие) сера, ванадий, олово. Поэтому в серых литейных чугунах всегда содержится значительное количество кремния.

Серый чугун можно рассматривать как структуру, которая состоит из металлической основы с графитными включениями. Свойства чугуна зависят от свойств металлической основы и характера графитных включений.
Металлическая основа может быть: перлитной, когда 0,8 % С находится в виде цементита, а остальной углерод в виде графита; феррито-перлитной, когда количество углерода в виде цементита менее 0,8 % С; ферритной, когда углерод находится практически в виде графита.

В зависимости от формы графитных включений серые чугуны классифицируются на:

  •  чугун с пластинчатым графитом;
  •  чугун с хлопьевидным графитом (ковкий чугун);
  •  чугун с шаровидным графитом (высокопрочный чугун);
  •  чугун с вермикулярным графитом.

На рисунке дана обобщенная классификация чугунов по строению металлической основы и форме графитовых включений.

 

 

Ниже на рисунке представлены различные формы графита в чугуне:
а) пластинчатый графит; б) хлопьевидный графит; в) шаровидный графит; г) вермикулярный графит.

 

  Чугун с шаровидным графитом для отливок   

  При введении в чугун перед разливкой магния или церия графит кристаллизуется в шаровидной или близкой к нему форме. Этот процесс называется модифицированием. Шаровидный графит в меньшей степени, чем пластинчатый, ослабляет сечение металлической матрицы и, главное, не является таким сильным концентратором напряжений. Это обстоятельство в сочетании с возможностью формировать необходимую структуру металлической матрицы позволяет придавать чугунам высокую прочность, пластичность и повышенную ударную вязкость. Чугуны с шаровидным графитом, используемые в промышленности с 40-х годов, называют высокопрочными и, в соответствии с ГОСТ 7293–85, маркируются буквами ВЧ, за которыми следует число, указывающее значение временного сопротивления при растяжении в МПа • 10-1(например ВЧ 50).

Высокопрочные чугуны с шаровидным графитом используют для замены литой стали в изделиях ответственного назначения (валки горячей прокатки, станины и рамы прокатных станов, молотов и прессов). По сравнению со сталью они обладают несравненно более высокими литейными свойствами и на 8–10 % меньшей плотностью (последнее позволяет снизить массу машин). Даже поковки ответственного назначения из легированных сталей можно заменять на отливки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Классический пример этого — тяжелонагруженные коленчатые валы дизельных, в том числе автомобильных двигателей, к которым предъявляют высокие требования по статической и усталостной прочности.
Высокопрочный чугун используют и для замены серого чугуна с пластинчатым графитом, если необходимо увеличить срок службы изделия или снизить массу.  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

73266. Технология организации технического обслуживания и ремонта устройств автоматики и телемеханики на железной дороге 286 KB
  Основной задачей работников дистанции сигнализации и связи является обеспечение эксплуатационной надёжности устройств автоматики телемеханики и связи при безусловном соблюдении всех требований безопасности движения поездов. Это рекомендуется: Инструкцией по техническому обслуживанию устройств СЦБ ЦШ – 720. Инструкцией по обеспечению безопасности движения поездов при производстве работ по техническому обслуживанию и ремонту...
73269. Разработка автоматизированной информационной системы по учету сетевого и компьютерного оборудования и внешнего приложения к ней 1.4 MB
  Понятие АИС, освещение этапов (сбор требований к АИС, концептуальное проектирование, логическое проектирование, физическое проектирование), применяемого подхода к разработке АИС и др. Также должна быть изложена разработка автоматизированной информационной системы по учету сетевого и компьютерного оборудования с помощью СУБД MicrosoftAccess
73270. ОЧЕРКИ ПО ФИЗИОЛОГИИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ 29.5 KB
  Рассмотрев две самые важные сенсорные системы опишем вкратце проприоцепцию т. сенсорную систему которая доставляет информацию о положении и движениях тела и его различных частей. Как всем известно о положении и движениях головы конечностей и всего тела мы обычно узнаём без помощи зрения. Эти рецепторы получили название проприоцепторов; это значит что они информируют нас о состоянии нашего собственного тела от лат.
73271. ВИДЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ НЕОПРЕДЕЛЕННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ: КОЖНЫЕ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕЦЕПТОРЫ 33.5 KB
  Мы знали что волокна зрительного нерва образуют синапсы с клетками наружного коленчатого тела НКТ и что аксоны клеток НКТ оканчиваются в первичной зрительной коре. Было также ясно что эти связи от сетчатки к НКТ и от НКТ к коре имеют топографическую организацию. Говоря о топографическом отображении мы имеем в виду что предшествующая структура проецируется на последующую упорядоченным образом: если идти вдоль какойлибо линии на сетчатке то проекции последовательных точек этой линии в НКТ и в коре также образуют одну непрерывную...