ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 25.07.2024
Просмотров: 32
Скачиваний: 0
Лабораторная работа №1 «Общее знакомство с металлическими сплавами (стали)»
Цель работы: ознакомиться с классификацией, принципами маркировки и назначением сталей.
Задание к работе: определить химический состав, свойства и область применения заданных сплавов.
К работе допущен:
Работу выполнил:
Работу защитил:
Сталь широко применяется в промышленности как основной машиностроительный материал. Под сталью понимают сложные по химическому составу сплавы железа с углеродом, содержащие от 0,02 до 2,14% С, а также постоянные примеси Mn, Si, S, P, О, N, Н и др., которые попадают в сплав в процессе выплавки из руд, металлического лома, и оказывают влияние на свойства сталей. Элементы, специально вводимые в сталь с целью улучшения ее физико-химических свойств, называются легирующими, а сталь, содержащая такие элементы ‑ легированной сталью. Стали классифицируются по химическому составу, по качеству (способу производства) и по применению (назначению).
Классификация сталей по химическому составу
По химическому составу различают углеродистые и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79) стали. По содержанию углерода те и другие подразделяют на низко- (менее 0,25% С), средне- (0,30 – 0,70% С) и высокоуглеродистые (более 0,7% С). В зависимости от суммарного содержания легирующих элементов различают низко- (менее 5%), средне- (5,0 ‑ 10,0%) и высоколегированные (более 10,0%) стали.
Классификация сталей по качеству
По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Эта классификация определяет условия металлургического производства сталей и, прежде всего, содержание в них вредных примесей, которыми являются сера S и фосфор P.
К сталям обыкновенного качества относят углеродистые, содержащие до 0,6% С, до 0,06% S и до 0,07% P. В этих сталях допускается наиболее высокое содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, т.к. они выплавляются по нормам массовой технологии. Из них изготавливают горячекатаный сортовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки, трубы и т.п., а также холоднокатаную листовую сталь.
В соответствии с ГОСТ 380-88 выпускаются три группы (А, Б и В) сталей обыкновенного качества. В соответствии с ГОСТ 380-94 (ГОСТ 380-2005) к сталям обыкновенного качества первой категории отнесены стали групп В и Б, второй категории – стали группы А. Кроме того, стали обыкновенного качества распределяются на спокойные, полуспокойные и кипящие. Примеры маркировок: Ст1, ВСт5сп, Ст2кп, Ст2пс.
Качественные стали (ГОСТ 1050-88) характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. По химическому составу это углеродистые и легированные стали, содержание серы и фосфора в которых не должно превышать 0,035% каждого. Колебания в содержании углерода в пределах марки не должно превышать 0,08%. Примеры маркировок: 12ХН, 30Х3МФ, 03Х16Н15М3Б и т.д.
Высококачественные стали. Это углеродистые и легированные стали, выплавляемые преимущественно в электрических и кислых мартеновских печах. Содержание серы и фосфора не более 0,025% каждого, а колебания углерода в пределах марки не более 0,07%. Чтобы показать, что сталь относится к группе высококачественных в конце ее обозначения ставят букву А, например, 20Х2Н4А 12ХН3А и др.
Стали особовысококачественные – это легированные стали, выплавляемые в электрических печах с электрошлаковым переплавом, обеспечивающим эффективную очистку от сульфидов и оксидов, содержат серу и фосфор не более 0,015% каждого. Чтобы показать, что сталь относится к группе особовысококачественных, в конце ее обозначения через тире ставят букву Ш, например, 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш и др.
Классификация сталей по применению
По применению различают следующие классы сталей:
машиностроительные, которые, в свою очередь, подразделяются на строительные, конструкционные, предназначенные для изготовления машиностроительных изделий, а также стали с особыми свойствами: химическими (нержавеющие, криогенные, жаростойкие или жаропрочные стали и пр.) и физическими (с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения и т.д.);
инструментальные, из которых изготавливают режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты.
Машиностроительные стали.
Строительные стали применяются для сварных конструкций, магистральных нефтегазопроводов, для армирования железобетонных конструкций и т.п. Для этих целей широко используются низкоуглеродистые качественные стали, и стали обыкновенного качества (ВСт3сп, ВСт3Гпс, ВСт5Гпс, 14Г2, 17ГС, 15ХСНД и др.)
Конструкционные стали предназначены для изготовления машиностроительных изделий и делятся на шесть групп: стали, используемые без упрочняющей термической обработки (С<0,2%); цементируемые низкоуглеродистые (до 0,25% С), улучшаемые среднеуглеродистые (0,30 – 0,50% С), рессорно-пружинные (0,6 – 0,8% С), автоматные низкоуглеродистые, шарикоподшипниковые (С ≥ 1%) стали.
Стали, используемые без упрочняющей термической обработки. Это стали, поставляемые в листах для последующей штамповки, глубокой вытяжки и т.п. По химическому составу это стали низкоуглеродистые с пониженным содержанием кремния (кп, пс) и низколегированные (08кп, 08пс, 15кп, 20Хкп и др.).
Цементируемые стали применяются для изделий, подвергаемых поверхностному насыщению углеродом. После цементации, закалки и низкого отпуска детали из этих сталей имеют твёрдую поверхность (HRC 58-62), хорошо работающую на износ, и вязкую прочную сердцевину (HRC 20-30). Для мелких неответственных изделий широко применяют стали марок 10, 15, 20, 15Х, 20Х. Для более ответственных и крупных изделий применяют легированные качественные и высококачественные стали, например, 18ХГТ, 12ХН3А, 20Х2Н4А, 20ХГР, 18Х2Н4ВА и т.п.
Улучшаемые машиностроительные стали применяют после закалки и высокого отпуска (улучшения). Для изделий небольшого сечения или работающих при невысоких нагрузках используют стали марок 35, 40, 45, 50. Для деталей более крупного сечения применяют низко- и среднелегированные стали, обладающие большой прокаливаемостью и обеспечивающие высокие механические свойства по всему сечению, например, 40Х, 30ХГТ, 50Г2, 40ХН, 40ХНМА, 30ХН2ВФ и др.
Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления упругих элементов. К этой группе относятся углеродистые (ГОСТ 1050-88) и легированные (ГОСТ 14959-79) стали, подвергаемые закалке и среднему отпуску, такие как 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 60СГА, 65Г, 70Г, служащие для изготовления плоских и спиральных пружин, рессор, упругих колец и т.п., а также стали 50ХФА, 50ХГФА (для пружин ответственного назначения, работающих при температурах до 300оС), 60С2ХА, 60С2Н2А, 70С3А (для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор).
Автоматные стали (ГОСТ 1414-75) отличаются хорошей обрабатываемостью резанием благодаря повышенному содержанию серы и фосфора и применяются для изготовления на станках-автоматах деталей массового производства (гаек, винтов и др. крепежных и мелких деталей сложной формы, не испытывающих высокие напряжения). Стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (А12, А20, А30). Чтобы не появлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца, если сталь легирована свинцом, то ее наименование начинается с букв АС. Для отражения содержания в сталях остальных элементов используются те же правила, что и для легированных конструкционных сталей: А40Г, АС11, АС12НХ, АС20ХГНМ, АС40, А40ХЕ. Для улучшения прочностных свойств автоматные стали подвергают холодному пластическому деформированию.
Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-78) применяются для изготовления колец, шариков и роликов подшипников и обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью. Такие стали содержат примерно 1% С и маркируются буквами «ШХ», после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента. Для сталей, подвергнутых электрошлаковому переплаву (т.е. особовысококачественных), буква Ш добавляется также и в конце их наименований через тире. Например: ШХ15, ШХ20СГ, ШХ4-Ш.
Инструментальные стали.
Инструментальные стали имеют высокие твердость, прочность, износостойкость и предназначены для изготовления режущего, мерительного, холодноштамповочного и горячештамповочного инструмента. Это, как правило, высокоуглеродистые стали, содержащие свыше 0,70% С (исключение составляют стали для горячештамповочного инструмента, которые относятся к среднеуглеродистым сталям). К ним относятся качественные и высококачественные стали, углеродистые, легированные и быстрорежущие. Они имеют соответствующую маркировку.
Для режущего инструмента применяют углеродистые стали У8, У10, У8А, У12 (ГОСТ 1435-99), легированные 9ХС, ХВГ, Х (ГОСТ 5950-2000), а также быстрорежущие высоколегированные стали марок Р18, Р12, Р6М3, Р6М5, Р10К5 (ГОСТ 19265-73). Отличительная особенность инструментальных сталей для режущего инструмента – высокое содержание углерода (от 0,70 до 1,5%), что позволяет получать после закалки и отпуска высокую твёрдость HRC 60-65.
Для изготовления холодноштамповочного инструмента часто используют стали для режущего инструмента углеродистые и легированные (ГОСТ 5950-2000). Это объясняется тем, что условия работы вырубных штампов и режущего инструмента очень близки. Лучше стали для холодноштамповочного инструмента – Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ и т.п.
Стали для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства (прочность, вязкость) при повышенных температурах и обладать разгаростойкостью, т.е. выдерживать многократные нагревы и охлаждения (термоциклы) без образования трещин. Это, как правило, низко- и среднелегированные стали, содержащие углерод от 0,35 до 0,60%, такие как 5ХНМ, 5ХНМА, 4Х5В2ФС, 3Х2В8Ф и др.
Стали для измерительного инструмента должны обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и сохранять постоянство размеров. Для этой цели обычно применяют высокоуглеродистые низколегированные стали марок Х, 9ХС, ХВГ и др. Кроме того, для плоского инструмента (линейки, скобы, шаблоны и др.) часто используют низкоуглеродистые конструкционные стали 15, 15Х, 20Х и др., подвергаемые поверхностному насыщению углеродом с последующей закалкой (см. таблицу классификации сталей).
Стали и сплавы с особыми химическими и физическими свойствами.
Сплавы с особыми химическими и физическими свойствами получают эти свойства в результате специального легирования и термической обработки. К этой группе сплавы относятся как стали, так и сплавы на основе других металлов. В данной работе ограничимся рассмотрением сталей и сплавов на основе железа и никеля.
Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) обладают стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550ºС и работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. Жаропрочные стали обладают повышенными механическими свойствами при высоких температурах. Коррозионностойкие стали (ГОСТ 5632-72) имеют в своем составе не менее 12%Cr, они обладают положительным потенциалом, не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей. Кислотостойкими (кислотоупорными) являются стали типа Cr-Ni-Mo, Cr-Ni-Mo-Cu. Криогенные стали необходимы в качестве металлических материалов для машин и оборудования, предназначенных для транспортировки и хранения сжиженных газов, и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения: кислорода (‑183ºС), азота (‑196ºС), неона (‑247ºС), водорода (‑253ºС), гелия (‑269ºС), а также сжиженных углеводородов (метила, бутана и др.), температуры кипения которых лежат в интервале ‑80÷‑180ºС. К сталям с особыми физическими свойствами можно отнести электротехнические сплавы, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, немагнитные стали, а также материалы с особыми тепловыми и упругими свойствами.