Шпаргалка по "Материаловедению"

Кремний - вводится для раскисления. Полностью растворим в феррите. Увеличивает прочность, износостойкость  и придает антифрикционные и  упругие качества. Более 2% - снижает пластичность. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуры закалки, нормализации и отжига.

Фосфор - Растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали. При  совместном действии С и Р (Р не более 1.2%) вызывается фосфидная эвтектика, плавящаяся при Т менее 1100 С. Фосфор - вредная примесь стали. Однако повышает обрабатываемость резанием и в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.

Сера - нерастворима в железе, образует с Fe соединение FeS сульфид железа. Последний входит в состав эвтектик, плавящихся при 988 С. Наличие зерен хрупкой и легкоплавящейся эвтектики по границам зерен стали делает ее при температурах 800 С и выше (в районе температур красного каления) - красноломкой. В т.ж. время, сера повышает обрабатываемость резанием. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца, образующего с ней сульфид MnS. MnS при горячей обработке давлением деформируется и создает продолговатые линзы - строчки. Их присутствие стали, как и других включений, в стали не допустимо для ответственных изделий. MnS стремятся перевести в шлак при плавке стали.

Водород, азот, кислород - растворяются в стали. Кислород и азот образуют твердые труднодеформирующиеся  вредные включения. Водород вызывает флокены. А газы вообще - эффекты деформационного старения, снижающие усталостные характеристики (вязкость и порог хладноломкости). Неметаллические включения после обработки давлением создают - полосчатость (или строчечность), вызывающую сильную анизотропию свойств. Для устранения вредного влияния растворяющихся газов применяют вакуумную разливку стали и специальные приемы раскисления.

 

 

 

11. Классификация углеродистых  сталей. Общая характеристика. Маркировка

Углеродистые  стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству.

По структуре различают: 1) доэвтектоидную сталь, содержащую до 0,8 % С, структура  которой состоит из феррита и  перлита; 2) эвтектоидную, содержащую около 0,8 % С, структура которой состоит  только из перлита; 3) заэвтектоидную, содержащую 0,8–2,14 % С; ее структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита.

По  способу производства различают  стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом.

По  способу раскисления различают  кипящие, полуспокойные и спокойные стали.

Кипящая сталь наиболее дешевая, так как  при ее выплавке расходуется минимальное  количество специальных добавок  и обеспечивается максимальный выход  годного продукта. Пониженное содержание кремния и марганца обусловливает  меньшую прочность и большую пластичность, чем у спокойной стали. Недостатками кипящей стали являются развитая ликвация, в головной части слитка неоднородность содержания углерода достигает 400 %, серы — 900 % от их среднего содержания.

Спокойная сталь гораздо однороднее по химическому составу, чем кипящая сталь. Благодаря присутствию в спокойной стали остаточного (кислоторастворимого) алюминия у нее ниже склонность к росту зерна, чем у кипящей стали. Поэтому прочность и хладостойкость более однородного и мелкозернистого проката из спокойной стали выше, чем проката из кипящей стали.

Но  при затвердевании спокойной  стали в изложницах образуется большая  усадочная раковина, для удаления которой прибегают к обрезанию  слитка (12–16 % по массе).

Существует  сталь с промежуточной степенью раскисления — полуспокойная. В отличие от кипящей она обрабатывается перед разливкой небольшим количеством раскислителей.

Стали обыкновенного качества изготавливают  по ГОСТ 380–94. Выплавка их обычно производится в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Обозначают их буквами «Ст» и цифрами от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст6. Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры — условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. В конце обозначения марки стоят буквы «кп», «пс», «сп», которые указывают на способ раскисления: «кп» — кипящая, «пс» — полуспокойная, «сп» — спокойная.

Качественные  углеродистые стали выплавляются в  электропечах, кислородных конвертерах  и мартеновских печах по ГОСТ 1050–88. К ним предъявляются более  жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы — не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %). Для стали марок 11кп и 18кп, применяемой для плакирования, содержание серы и фосфора должно быть не более 0,035 %.

Качественные  углеродистые стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, ..., 60, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента

При обозначении кипящей или полуспокойной  стали в конце марки указывается  степень раскисленности: кп, пс. В  случае спокойной стали степень  раскисленности не указывается.

По  содержанию углерода качественные углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) и высокоуглеродистые конструкционные (до 0,65 % С).

Высококачественные  стали – это стали в которых содержание серы и фосфора сведено к минимальным показателям.

В России принята буквенно-цифровая система  маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначаются буквами русского алфавита: Х — хром, Н — никель, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, Г — марганец, С — кремний, К — кобальт, Ц — цирконий, Р — бор, Ц — ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце марки — то, что сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали  первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается  его среднее значение в целых  процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в  конструкционных сталях применяют  хром до 2 %, никель 1–4 %, марганец до 2 %, кремний 0,6–1,2 %. Такие легирующие элементы, как Мо, W, V, Ti, обычно вводят в сталь в сочетании с Cr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, %: Мо 0,2–0,4; W 0,5–1,2; V 0,l–0,3; Ti 0,1–0,2.

Например, сталь 18ХГТ содержит, %: 0,17–0,23 С; 1,0–1,3 Cr, 0,8–1,1 Mn, около 0,1 Ti;

Сталь 38ХН3МФА (%) — 0,33–0,40 С; 1,2–1,5 Cr; 3,0–3,5 Ni; 0,35–0,45 Мо; 0,1–0,18 V; сталь ЗОХГСА — 0,32–0,39 С; 1,0–1,4 Cr; 0,8–1,1 Mn; 1,1–1,4 Si.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную  цифру опускают, если содержание углерода около 1% или более.

Например, сталь 3Х2В8Ф содержит, %: 0,3–0,4 С; 2,2–2,7 Cr; 7,5–8,5 W; 0,2–0,5 V; сталь 5ХНМ — 0,5–0,5 С; 0,5–0,8 Сr; 1,4–1,8 Ni; 0,19–0,30 Мо; ХВГ — 0,90–1,05 С; 0,9–1,2 Cr; 1,2–1,6 W; 0,8–1,1 Mn.

В обозначении марки подшипниковой  стали входят: буква «Ш» и буквы, обозначающие легирующие элементы. За буквой «Х» (легированная хромом) приводят цифры, соответствующие массовой доле хрома в десятых долях процента (например, ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ).

Особовысококачественную сталь обозначают добавлением через тире в конце  марки буквы «Ш» или других букв (табл. 5.6). Это означает, что стал подвергалась электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов.

В конце марки конструкционной  стали могут быть дополнительные буквенные обозначения: ПП — сталь  пониженной прокаливаемости, Л — литейная, К — сталь для котлов и др.

Строительную  сталь обозначают буквой «С» (строительная) и цифрами, условно соответствующими пределу текучести проката. Буква  «К» в конце марки — вариант  химического состава стали с  повышенной коррозионной стойкостью в атмосфере, а буква «Т» — термоупрочненный прокат (например, С245, С345Т, С390К).

 

12. Чугуны. Разновидности  чугунов. Маркировка

Чугун отличается от стали: по составу – более высокое  содержание углерода(2.14-6.67%) и примесей; по технологическим свойствам – более высокие литейные свойства, малая способность к пластической деформации, почти не используется в сварных конструкциях.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

• белый чугун – углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск;
• серый чугун – весь углерод или большая часть находится в свободном состоянии в виде графита, а в связанном состоянии находится не более 0,8 % углерода. Из-за большого количества графита его излом имеет серый цвет;
• половинчатый – часть углерода находится в свободном состоянии в форме графита, но не менее 2 % углерода находится в форме цементита. Мало используется в технике.
• ковкий чугун- получают длительным отжигом белого чугуна, в результате которого образуется графит хлопьевидной формы. По структуре он феррит и реже перлит.
• высокопрочный чугун -имеет в своей структуре шаровидный графит, который образуется в процессе кристаллизации.

Чугун маркируется буквами СЧ и  цифрами, первая из которых характеризует  предел прочности чугуна данной марки при растяжении, вторая - при изгибе (кг/мм2). Наибольшее распространение получили чугуны марок: СЧ12-28; СЧ15-32; СЧ18-36; СЧ 21-40; СЧ 24-44; СЧ 28-48; СЧ 32-52; СЧ 38-60, причем первые пять марок имеют перлитно-ферритную металлическую основу, последние три - перлитную. Прочность серых чугунов всех марок при сжатии значительно превышает прочность при растяжении. Например, для чугуна марки СЧ 24-44, имеющего предел прочности при растяжении 24 кгс/мм2, предел прочности при сжатии составляет 85 кгс/мм2. Для увеличения прочности чугуна графитовым включением придают шарообразную форму путем введения магния в ковш перед разливкой. При этом чугун приобретает и некоторую пластичность. Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрами, первая из которых характеризует временное сопротивление чугуна при растяжении (кгс/мм2), вторая - относительное удлинение (%). Например, ВЧ 60-2 или ВЧ 40-10.

Ковкие  чугуны маркируют буквами КЧ и  цифрами, обозначающими временные  сопротивления при растяжении (кгс/мм2) и относительное удлинение (%). Примерами марок ковких чугунов могут служить КЧ 38-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12; КЧ 30-6 с ферритной металлической основой и КЧ 45-6; КЧ 50-4 и КЧ 60-3, имеющие ферритно-перлитную основу.

 

13. Микроструктура и  свойства чугуна

Конечно, по сравнению со сталью, серый  чугун является хрупким и менее  прочным материалом, так как графитные  включения создают своеобразные "надрезы" в металлической основе, что способствует концентрации напряжений. Чем больше графита в чугуне, тем в большей степени ослабляется металлическая основа и тем ниже механические свойства серого чугуна. В серых чугунах обычно содержится 2,8-4% углерода, из них 2-3% в виде графита.

На механические свойства чугуна при  одном и том же количестве графита  существенно влияют размеры и  форма графитных включений, а  также характер их распределения. Графит в металлической основе в виде мелких разобщенных включений повышает прочность чугунов и, наоборот, в виде крупных включений больше ослабляет металлическую основу и понижает прочность чугуна. При одинаковых количестве, размерах и характере графитных включений механические свойства чугуна определяются его металлической основой: наименьшую твердость имеют чугуны на ферритной основе, наибольшую при прочих равных условиях - чугуны на перлитной основе.

Имеют значение и примеси, входящие в состав чугуна: кремний, марганец, сера и фосфор. Кремний - необходимый  компонент серых чугунов, он вызывает образование графита при повышенной скорости охлаждения, например, в отливках малых сечений. Содержание кремния колеблется в пределах от 0,5 до 4,5%. Марганец присутствует в серых чугунах в количестве 0,5-1,2%, при большем содержании он отбеливает чугун и повышает его хрупкость. Сера ухудшает литейные свойства чугуна, повышает густоплавкость и усадку при затвердевании, увеличивает хрупкость и твердость, поэтому содержание серы в чугунах не должно превышать 0,06%. Фосфор улучшает литейные свойства серых чугунов: с повышением его содержания увеличивается жидкотекучесть чугунов и уменьшается усадка; содержание фосфора допускается в пределах от 6,1 до 1%.

Чугунные литые изделия изготовляют  различными способами, среди которых  самым простым является литье в формы. Наиболее прогрессивные способы литья чугуна - под давлением и центробежный. Из серого чугуна путем отливки получают элементы строительных конструкций (колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий). Его используют для литья труб печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники), а также изготовления архитектурно-художественных изделий.

Наиболее широкое распространение  получили чугуны с содержанием углерода 2,4…3,8%. Чем выше содержание углерода, тем больше образуется графита и тем ниже его механические свойства, следовательно, количество углерода не должно превышать 3,8 %. В то же время для обеспечения высоких литейных свойств (хорошей жидкотекучести) углерода должно быть не менее 2,4 %.

 

14. Серый  чугун. Струкрура, свойства, область применения.

Структура не оказывает влияние  на пластичность, она остается чрезвычайно  низкой. Но оказывает влияние на твердость. Механическая прочность  в основном определяется количеством, формой и размерами включений графита. Мелкие, завихренной формы чешуйки графита меньше снижают прочность. Такая форма достигается путем модифицирования. В качестве модификаторов применяют алюминий, силикокальций, ферросилиций.

Серый чугун широко применяется в машиностроении, так как легко обрабатывается и обладает хорошими свойствами.

В зависимости от прочности серый  чугун подразделяют на 10 марок (ГОСТ 1412).

Серые чугуны при малом сопротивлении  растяжению имеют достаточно высокое  сопротивление сжатию.

Серые чугуны содержат углерода – 3,2…3,5 %; кремния – 1,9…2,5 %; марганца –0,5…0,8 %; фосфора – 0,1…0,3 %; серы – < 0,12 %.

Структура металлической основы зависит от количества углерода и кремния. С  увеличением содержания углерода и  кремния увеличивается степень  графитизации и склонность к образованию ферритвой структуры металлической основы. Это ведет к разупрочнению чугуна без повышения пластичности. Лучшими прочностными свойствами и износостойкостью обладают перлитные серые чугуны.

Учитывая  малое сопротивление отливок из серого чугуна растягивающим и ударным нагрузкам, следует использовать этот материал для деталей, которые подвергаются сжимающим или изгибающим нагрузкам. В станкостроении это – базовые, корпусные детали, кронштейны, зубчатые колеса, направляющие; в автостроении - блоки цилиндров, поршневые кольца, распределительные валы, диски сцепления. Отливки из серого чугуна также используются в электромашиностроении, для изготовления товаров народного потребления.

Обозначаются  индексом СЧ (серый чугун) и числом, которое показывает значение предела прочности, умноженное на СЧ 15.