Файл: Контрольная работа По курсу Материаловедение.doc

Кремний слабо влияет на структуру и механические свойства углеродистой стали, но как раскислитель он способствует улучшению литейных свойств. Кремний сильно повышает предел текучести стали, что снижает ее способность к вытяжке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть наименьшим.

Марганец является хорошим десульфуратором и раскислителем (уменьшает вредное влияние серы и кислорода); способствует повышению механических свойств стали, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах (красноломкость). В отечественной практике содержание марганца выдерживают в пределах 0,35-0,65 % в низкоуглеродистых сталях и 0,5-0,8 % в среднем высокоуглеродистых. Многие зарубежные фирмы предпочитают иметь в углеродистых сталях 0,9-1,1 % марганца.

Сера является вредной примесью в стали, ее содержание не должно превышать 0,06 %. С железом сера образует химическое соединение - сульфид железа (легкоплавкий эвтектический сплав), располагающийся обычно по границам зерен металлической матрицы. При нагревании стали до 1000-1300°С эвтектика расплавляется и нарушается связь между зернами металла, т. е. происходит охрупчивание.

При наличии в стали марганца исключается образование легкоплавкой эвтектики и явление красноломкости.

Сульфиды, как и другие неметаллические включения, сильно снижают однородность строения и механические свойства стали, в особенности пластичность, ударную вязкость и предел выносливости, а также ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость.

Фосфор является вредной примесью в стали, и содержание его не должно превышать 0,08 %. Растворяясь в феррите, фосфор сильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваются пределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость. Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали.

Газы (азот, водород, кислород) частично растворены в стали и присутствуют в виде хрупких неметаллических включений - оксидов и нитридов. Концентрируясь по границам зерен, они повышают порог хладноломкости, понижают предел выносливости и сопротивление хрупкому разрушению. Например, хрупкие оксиды при горячей обработке стали давлением не деформируются, а крошатся и разрыхляют металл.

---

Кремний, марганец, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород - являются постоянными примесями в стали. Кроме них в стали могут быть случайные примеси, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из стального лома (скрапа) в сталь могут попасть хром, никель, олово и ряд других элементов. Отдельные примеси находятся в стали в небольших количествах и не оказывают существенного влияния.

По назначению стали делятся на три группы:

- конструкционные стали, предназначенные для изготовления деталей машин и элементов строительных конструкций. Подразделяются на:

обыкновенного качества;

улучшаемые;

цементуемые;

автоматные;

высокопрочные;

рессорно-пружинные.

- инструментальные стали, подразделяют на подгруппы по изготовлению: режущего инструмента;

измерительного инструмента;

штампово-прессовой оснастки.

- стали специального назначения с особыми физическими и механическими свойствами:

нержавеющие (коррозионно-стойкие);

жаростойкие;

жаропрочные;

износостойкие и др.

По качеству стали классифицируются на:

- обыкновенного качества, содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р;

- качественные, содержащие до 0,035 % S и 0,035 % Р;

- высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р;

- особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

Под качеством понимается совокупность свойств стали, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строение и свойства стали зависят от содержания вредных примесей и газов.

По степени раскисления стали классифицируют на: - спокойные (сп); - полуспокойные (пс); - кипящие (кп).

Раскислением называют процесс удаления кислорода из жидкой стали.

Спокойные стали раскисляют марганцем, алюминием и кремнием в плавильной печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, без газовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины.

Дендритная ликвация вызывает анизотропию механических свойств. Пластические свойства стали в поперечном (по отношению к направлению прокатки или ковки) сечении значительно ниже, чем в продольном.

Зональная ликвация приводит к тому, что в верхней части слитка содержание серы, фосфора и углерода увеличивается, а в нижней - уменьшается. Это приводит к значительному ухудшению свойств изделия из такого слитка, вплоть до отбраковки.

---

Кипящие стали раскисляют только марганцем, что недостаточно. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании слитка частично реагирует с углеродом и выделяется в виде газовых пузырей окиси углерода, создавая впечатление «кипения» стали.

Кипящая сталь практически не содержит неметаллических включений продуктов раскисления. Эти стали выплавляют низкоуглеродистыми и с очень малым содержанием кремния (менее 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей. При прокатке слитков газовые пузыри, заполненные окисью углерода, завариваются. Листовой прокат из такой стали предназначен для изготовления деталей кузовов автомобилей вытяжкой, имеет хорошую штампуемость в холодном состоянии. [1, с. 109]

Полуспокойные стали по степени их раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими сталями. Частично их раскисляют в плавильной печи и в ковше, а окончательно - в изложнице за счет содержащегося в металле углерода. Ликвация в слитках полуспокойной стали меньше, чем в кипящей, и приближается к ликвации в слитках спокойной стали.

---

4. Модифицированный чугун. Способ получения, его свойства, маркировка и область применения

Высокопрочный чугун – это чугун, имеющий графитные включения шаровидной или близкой к ней формы.

Зернистость металлической основы (матрицы) оказывает очень серьезное влияние на механические свойства чугуна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства.

Если в расплавленный чугун ввести мелкие тугоплавкие частицы других металлов (модификаторы), то они послужат дополнительными центрами кристаллизации. В результате в одном и том же объеме чугуна количество зерен будет возрастать, а их размер уменьшаться. Масса модификаторов составляет всего 0,1-0,3 % от массы чугуна.

При этом химический состав практически не меняется, а механические свойства улучшаются. Такой чугун называетсявысокопрочным (модифицированным). В качестве модификаторов используется магний или церий.

Шаровидный графит в наименьшей степени ослабляет металлическую матрицу, поэтому прочностные качества этих чугунов наиболее высокие (не уступают конструкционным закаленным сталям), но пластичность ниже, чем у стали и ковкого чугуна.

Высокопрочные чугуны используются в основном для получения массивных отливок.

Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений отливки подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску). Рекомендуется подвергать чугунные изделия объемной закалке.

При объёмной непрерывной закалке чугун медленно нагревают до температуры на 40-60 оС выше линии S – K на диаграмме состояния железо-углерод. Обычно, это соответствует температуре 850-930 оС, в результате получается структура аустенита и графита. Затем дают выдержку для прогрева и насыщения аустенита углеродом; выдержка тем длиннее, чем больше феррита и меньше перлита, например, 10-15 мин для перлитных чугунов и до 1,5-2 часов для ферритных чугунов. Отливки простой конфигурации охлаждают в воде, а сложной – в масле. После закалки при оптимальной температуре и выдержке, обеспечивающей достаточное растворение углерода в аустените, в ферритном чугуне получается мартенситная структура с максимальной твёрдостью 55…60 HRС. В чугунах высокопрочных, аустенит которых обладает пониженной критической скоростью закалки, твёрдость после закалки достигает 60…62 HRC. Прочность после закалки понижается. Прокаливаемость высокопрочного чугуна выше прокаливаемости серого чугуна. После закалки чугун подвергают низкому отпуску для снятия части внутренних напряжений или высокому отпуску с получением сорбитной или троостосорбитной структуры.

---

Наиболее часто высокопрочный чугун применяется для изготовления изделий ответственного назначения в машиностроении, а также для производства бесшовных труб, используемых в водо-, газо- и нефтепроводах.

Механические свойства и химический состав серого СЧ (по ГОСТ 1412-85), ковкого КЧ (по ГОСТ 1215-79) и высокопрочного ВЧ (по ГОСТ 7293-85) чугунов приведены в табл. 1 и 2.

Таблица 1 – Свойства и назначение чугунов

Марка чугуна	Предел прочности, МПа (кгс/мм2), при		Относительное удлинение δ, %	Твердость, НВ	Назначение
	растяжении В	изгибе и
СЧ 15	147 (15)	314 (32)	1	163-229	Неответств. детали (крышки, шкивы)
СЧ 18	176 (18)	358 (36)	1	170-241	Станины станков и механизмов, поршни, цилиндры
СЧ 20	196 (20)	392 (40)	1	170-241
СЧ 25	245 (25)	451 (45)	1	180-250	Детали, работающие на износ: тормозные барабаны, цилиндры
СЧ 30	294 (30)	490 (50)	1	181-255
КЧ 35-10	333 (35)	-	10	100-163	Фланцы, муфты, задний мост, картер, ступицы
КЧ 37-12	362 (37)	-	12	110-163
КЧ 45-7	441 (45)	-	7	150-207
ВЧ 50	500 (50)	-	7	153-245	Цилиндры, шестерни, поршни

Таблица 2 – Химический состав чугунов

Чугун	Массовые доли элементов, %
	С	Si	Mn	P	S	Другие элементы
				Не более
СЧ 15	3,5-3,7	2,0-2,4	0,5-0,8	0,2	0,15	-
СЧ 18	3,4-3,6	1,9-2,3	0,5-0,7	0,2	0,15	-
СЧ 20	3,3-3,5	1,4-2,4	0,7-1,0	0,2	0,15	-
СЧ 25	3,2-3,4	1,4-2,2	0,7-1,0	0,2	0,15	-
СЧ 30	3,0-3,2	1,3-1,9	0,7-1,0	0,2	0,12	Cr0,06
КЧ 35-10	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-0,6	0,12	0,20	Cr0,06
КЧ 37-12	2,4-2,7	1,2-1,4	0,2-0,4	0,12	0,06	Cr0,08
КЧ 45-7	2,5-2,8	1,1-1,3	0,3-1,0	0,1	0,2	Cr0,15
ВЧ 50	3,0-3,3	2,2-2,6	0,3-0,7	0,1	0,02	Ni0,6
ВЧ 80	3,2-3,6	2,6-2,9	0,4-0,7	0,1	0,01	Cu0,6

---