При изучении этого материала следует обратить внимание на то, что любая термическая обработка состоит из трех операций:

1. 
   нагрева до определенной температуры;
   
2. 
   выдержки при заданной температуре;
   
3. 
   охлаждения с различной скоростью.
   

Нагрев стали при термической обработке обычно имеет целью получение структуры аустенита. Для рассмотрения превращений, протекающих в стали при ее нагревании, необходимо обратиться к диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов. Как видно из диаграммы, для получения аустенитной структуры достаточно нагреть сталь до температуры несколько выше линии GSE (рис.2.1).

При охлаждении стали ниже линии GSE аустенит становится неустойчивым: начинается его распад. При медленном охлаждении имеют место три основных процесса:

1. 
   перестройка кристаллической решетки железа;
   
2. 
   выделение цементита из кристаллической решетки;
   
3. 
   разрастание образовавшегося цементита.
   

При увеличении скорости охлаждения некоторые процессы могут идти не до конца или вообще не иметь места. В зависимости от скорости охлаждения можно получить следующие структуры: перлит, сорбит, троостит и мартенсит. Необходимо изучить их строение, свойства и условия образования. В указанной литературе этот материал изложен достаточно подробно.

В практике применяют четыре вида термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Они отличаются друг от друга температурой нагрева, длительностью выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения по окончании выдержки. В результате их осуществления сплавы получают разные свойства. Теория проведения этих процессов подробно описана в указанной литературе.

Широкое применение находит в настоящее время и поверхностное упрочнение стальных изделий. Оно позволяет получить в изделии высокую твердость и износостойкость поверхностного слоя при сохранении достаточно вязкой сердцевины.

Существует три основных метода поверхностного упрочнения:

1. 
   поверхностная закалка;
   
2. 
   химико-термическая обработка;
   
3. 
   упрочнение пластическим деформированием (поверхностный наклеп).
   

Следует обратить внимание на то, что химико-термическая обработка основана на диффузии (проникновении) в атомно-кристаллическую решетку железа атомов различных химических элементов при нагреве стальных деталей в среде, богатой этими элементами, с образованием насыщенных твердых растворов или химических соединений.

---

Стали. Чугуны

Сталь как наиболее дешевый и доступный металл, обладающий высокой механической прочностью, используется в электроэнергетике как конструкционный материал, в трансформаторо- и электроаппаратостроении для изготовления магнитопроводов, а также для изготовления проволоки, применяемой в качестве сердечников сталеалюминевых и биметаллических проводов.

В углеродистых сталях, помимо железа и углерода, содержится ряд постоянных примесей, являющихся следствием специфических особенностей металлургического производства (например, Mn, Si), невозможности их полного удаления (например, S, Р, О, N, Н) или случайных примесей (например, Cr, Ni, Си и др.). Влияние углерода и постоянных примесей подробно описано в рекомендуемой литературе.

Необходимо учесть, что вредными примесями являются S и Р, причем сера главным образом затрудняет горячую обработку давлением (явление красноломкости), а фосфор способствует увеличению хрупкости стали приобычной температуре и ниже 0° (явления хладноломкости). Повышение чистоты металла обеспечивает получение более высокой конструктивной прочности стали. Верхний предел содержания фосфора в котельных сталях, например, ограничивают 0,04%. Содержание серы в сталях обыкновенного качества ограничивают 0,055%, а в высококачественных 0,02—0,03%.

Классификация углеродистых сталей производится по нескольким показателям: по назначению, по качеству (в зависимости от наличия вредных примесей), по степени раскисления и т. д. Этот материал хорошо изложен в рекомендуемой литературе. Там же приведены основные правила маркировки углеродистых сталей.

Изучив материал данной темы, учащийся должен уметь читать марки сталей по ГОСТу, не прибегая к помощи справочников. Например, Ст4 — углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества, группы А, поставляемая по механическим свойствам. Сталь 40 — углеродистая конструкционная сталь качественная. Содержит в среднем 0,4% углерода, отличается от предыдущей меньшим содержанием вредных примесей серы и фосфора и обладает более высокой прочностью. У9А — углеродистая инструментальная сталь, высококачественная, содержание серы — 0,02%, фосфора —0,03%.

Кроме углеродистых, в промышленности широко распространены легированные стали, поскольку углеродистые стали не обладают достаточно высокими механическими и физико-химическими свойствами и не всегда отвечают требованиям современного производства. Для получения необходимых свойств, в сталь вводят легирующие элементы.

---

Легирование значительно повышает прочность и твердость при сохранении хорошей вязкости стали, увеличивает ее прокаливаемость, что позволяет проводить закалку на мартенсит в умеренных охладителях, что уменьшает возможность появления трещин и коробления.

Легирование придает сталям ряд особых свойств: жаропрочность, окалиностойкость, кислотоупорность и др.

Наиболее распространенными легирующими элементами являются никель, марганец, медь, хром, вольфрам, молибден, кремний, алюминий и др. Их влияние на свойства сталей описано в рекомендуемой литературе.

Учащимся следует обратить внимание на то, что при введении в сталь легирующих элементов они могут образовывать с железом следующие фазы:

1. 
   твердые растворы;
   
2. 
   легированный цементит или самостоятельные специальные карбиды;
   

3) интерметаллические соединения.

По назначению легированные стали разделяются па конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Все эти стали подробно описаны в рекомендуемой литературе. Особое внимание надо обратить на стали коррозионностойкие и жаропрочные, так как они находят все большее применение в энергетике.

Каждую марку стали по ГОСТу обозначают сочетанием букв и цифр. Нужно разобраться в правилах маркировки легированных сталей и уметь по марке определять химический состав стали. Так, в сталях конструкционных первая цифра указывает содержание углерода в сотых долях процента; в инструментальных — в десятых долях процента, а отсутствие цифры предполагает наличие углерода более 1%. Количество легирующих элементов указывается цифрой после соответствующей буквы.

Например, 40ХН — легированная конструкционная сталь, содержащая С около 0,40%; Сг до 1,0% и Ni до 1,5%. Или 40Х9С2 (сильхром) содержит С— 0,40%, Сг в среднем 9% и Si в среднем 2%.

Указанной системой маркировки охватывается большинство существующих легированных сталей. Исключение составляют отдельные группы сталей, которые обозначаются определенной буквой: Р — быстрорежущие, Е — магнитные, Ш — шарикоподшипниковые, Э — электротехнические.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства стали

Сталь — сложный по составу железо­углеродистый сплав. Кроме железа и углерода - основных компонентов, а также возможных легирующих эле­ментов, сталь содержит некоторое количество постоянных и случайных приме­сей, влияющих на ее свойства.

---

Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния за­висит от структурного состояния стали, ее термической обработки.

После отжига углеродистые конструк­ционные стали имеют ферритно-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивает­ся пропорционально концентрации угле­рода. В связи с этим, по мере повыше­ния содержания углерода, увеличивают­ся прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали.

Влияние углерода еще более значи­тельно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит вре­менное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере уве­личения содержания углерода и дости­гает максимума при 0,4%С. При большей концентрации углерода становится нестабильным из-за хруп­кого разрушения стали, о чем свиде­тельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механиче­ские свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом рас­творе.

Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его со­держания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях, затрудняется свариваемость.

Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.

Марганец - полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.

Кремний - полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.

Сера - вредная примесь, вызывающая красноломкость стали - хрупкость при горя­чей обработке давлением. В стали она нахо­дится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов, которые образуют с железом эвтектику, отличаю­щуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зе­рен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается. От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в суль­фиды, исключающие образование лег­коплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды, так же как и другие неметаллические вклю­чения (оксиды, нитриды и т. п.), служат кон­центраторами напряжений, снижают пла­стичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положи­тельное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.

---

Фосфор - вредная примесь. Он растворяет­ся в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость - снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчивающее действие фосфора выражается в по­вышении порога хладноломкости. Каждая 0,01 % Р повышает порог хладно­ломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызы­ваемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.

Фосфор - крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения - повышение качества шихты.

Кислород, азот и водород - вредные скры­тые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (окси­дами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, сни­жают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение.

Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, про­является тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кри­сталлической решетке.

Случайные примеси - элементы, попадаю­щие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Случайные примеси в боль­шинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.

В зависимости от условий и степени раскисления различают:

1. 
   cпокойные — полностью раскисленные стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они кристаллизуются спокойно без газовыделения. Обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с другими сталями. К маркировке стали добавляются буквы СП.
   
2. 
   кипящие — наименее раскисленные стали ферромарганцем. В них содержится повышенное количество FeO и происходит их самораскисление углеродом­.
   Выделение СО в виде пузырьков создает эффект кипения стали. В процессе кристаллизации газовые пузырьки могут остаться в слитке. Это наиболее дешевые стали с низким качеством. К маркировке стали добавляются буквы КП.
   
3. 
   полуспокойные — по качеству и стоимости занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. Сталь раскисляется ферромарганцем и меньшим количеством ферросилиция (иногда и алюминия). К маркировке стали добавляются буквы ПС.
   

---

Смотрите также файлы

• Дорожная карта руководителя. Дорожная карта руководителя Школы Минпросвещения России (горизонт планирования 3 года).docx

• Законодательная база и международные стандарты в области зск.docx

• Предупреждение аварий на нефтепромыслах и нефтепроводах.docx

• согласовано утверждаю.pdf

• Социальное государство Презентацию подготовила студентка 1го курса, группы гму221.pptx