Конструкционные стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования РФ

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

Реферат

"Конструкционные стали"

Дисциплина "Материаловедение"

Выполнил: Горелов М.Л.

Научный руководитель: Беляев С.В.

Нижний Новгород, 2014

Классификация металлов

По объему и частоте использования металлов в технике их можно разделить на металлы технические и редкие. Технические металлы - это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fе. медь Сu, алюминий А 1, магний Мg, никель Ni, титан Тi, свинец Рb. цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы - редкие (ртуть Нg, натрий Nа, серебро Аg, золото Аu, платина Рt:, кобальт Со, хром Сr, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fе-С) сплавs - стали и чугуны. которые образуют группу черных металлов. Все остальные представляют группу цветных металлов. На долю черных металлов приходится --85% всех производимых металлов, а на долю цветных --15%.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп.

Магнитные - Ае, Со, Ni обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fе (стали и чугуны) являются главными конструкционными материалами; сплавы на основе Fе, Со и Ni являются основными магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие - металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fе (1539°С); это W (3380°С), Та (2970°С), Мо (2620°С), Сr (1900°С), Рt (1770°С), Тi (1670°С) и др. Применяют их как самостоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие - имеют температуру плавления ниже 500°С; к ним относятся: Zn (419°С), Рb (327°С), кадмий Сd (321°С), таллий Т 1 (3О 3°С), висмут Вi (271°С), олово Sn (232°С) и др. Назначение их самое различное: антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые материалы.

Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Re (3180°С), осмий 0s (3000°С), а из легкоплавких литий Li (180°С), калий К (68°С), рубидий Rb (39°С), цезий Сs (28°С).

Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м 3 к ним относится А 1, плотность - 2,7, Сs - 1,90, бериллий Ве - 1,84 Мг/м 3 и др. Эти металлы применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные - в электротехнике применяют Аu, Аg, Рt, палладий Рd, а также металлы платиновой группы: иридий Ir, родий Ru, осмий 0s, рутений Рu. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контактов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные - лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (RМ) металлов группы железа (М) с редкоземельными элементами (R) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток. К хорошо проводящим относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. К плохо проводящим - элементы V группы периодической системы Д.И. Менделеева - это висмут Вi, сурьма Sb, мышьяк Аs, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуметаллами.

Свойства конструкционных материалов

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых - эксплуатационные, технологические и экономические.

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуны и особенно стали. Стали обладают высоким, наследуемым от железа, модулем упругости (Е = 210 ГПа).

Прочность - способность металлов оказать сопротивление деформации или разрушению статистическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статистических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках - усталостной прочностью.

Деформация - это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п. Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки). При все возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается. В зависимости от способа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статистические, динамические и знакопеременные.

Упругость - свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость - свойство, обратное пластичности.

Твердость - способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытание на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микро-твердость. Наиболее распространённые первые два метода.

Износостойкость - сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ заключается в отрыве от трущейся поверхности отдельных её частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится либо износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали - основной металлический материал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.

Строение и свойства сталей и сплавов

Чистые металлы (содержание основного компонента 99,99-- 99,999%) обладают низкой прочностью, поэтому их в технике используют редко (кроме Сu и Аl в электротехнике). Наиболее широко применяют в технике в качестве конструкционных материалов металлические сплавы.

Сплавом называют материал, состоящий из двух или большего числа химических элементов, являющихся компонентами сплава. В металлических сплавах основным компонентом (более 50%) является металл. Так же как и чистые металлы, сплавы построены из кристаллических зерен.

У сплавов можно получать более высокие механические характеристики, электрическое сопротивление, стойкость к коррозии и т.д.

Большинство сплавов, кроме сплавов с неорганической растворимостью компонентов в твердом состоянии, можно представить как систему, состоящую из нескольких фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми другими химическими элементами. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14. Однако в сталях, применяемых в машиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%.

Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей.

При содержании углерода более 1,3% стали становятся слишком хрупкими, и существенно затрудняется их обработка режущим инструментом. На сегодняшний день стали являются основным конструкционным материалом для изготовления нагруженных деталей машин, сооружений, элементов подвижного состава. В электро- и радиотехнике стали (некоторые ее сорта) используют главным образом в качестве ферромагнетика и ограниченно - в качестве проводникового материала, а как конструкционный материал - в электроустановках при изготовлении несущих конструкций, органов управления и т.п.

Кроме железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси. Сталь - основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX в. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Если сталь имеет в своем составе только Fе, С и некоторое количество постоянной примеси, то такую сталь называют углеродистой. Если в углеродистую сталь специально введены один или несколько так называемых легирующих элементов (Сr, Ni, W и др.) с целью улучшения ее служебных и технологических свойств, то такую сталь называют легированной. При легировании могут возникать новые свойства, не присущие углеродистым сталям. металл сталь сплав

Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низко углеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые низкоуглеродистые (<0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 %С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 єС) деформирования.

По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойства стали, а также её технологичность во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей - серы и фосфора. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.

Углеродистые стали

На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.

По статистической прочности стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т.п.) в нормализованном состоянии. В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязнённость неметаллическими включениями. И в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях - "сп", полуспокойных - "пс", кипящих - "кп", а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Сталь марки Ст 3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сваркой. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций, в сельском хозяйственном машиностроении (валики, оси, рычаги, изготовляемые холодной штамповкой, а также цементируемые детали: шестерёнки, порневые пальцы).

Стали группы Б применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких деталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали, используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4, поэтому из них изготавливают сварные фермы, различные рамы и строительные металлоконструкции, кроме того, крепежные изделия, часть из которых подвергается цементации.

Низкоуглеродистые стали отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или нормализации для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного количества кремния, что и делает их очень мягкими. Их можно использовать в автомобилестроении для изготовления деталей сложной формы. Глубокая вытяжка из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных банок, эмалированной посуды и других промышленных изделий.

Среднеуглеродистые стали номеров 3 и 4, обладающие большой прочности предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин. Применяют для изготовления небольших валов, шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические нагрузки. В крупногабаритных деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости механические свойства значительно снижаются.

Высокоуглеродистые стали 5 и 6, а также с повышенным содержанием марганца в основном используют для изготовления пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой упругостью и износостойкостью. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостит в сочетании удовлетворительной вязкостью и хорошим пределом выносливости.

Углеродистые качественные стали.

Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Маркируют их двухзначными числами: 08, 10, 15, 20, 60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050--88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 - 0,45 % С и т.д.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно "пс" и "кп". Кипящими производят стали О 8кп, 10кп, I5кп, I8кп, 2Окп; полуспокойными - О 8пс, I0пс, I5пс, 2Опс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0.03 %‚:. в полуспокойных его количество ограничено 0.05 - 0.17 %.

Содержание марганца повышается по мере увеличения концентрации углерода от 0,25 До 0,80 %. Содержание азота для сталей, перерабатываемых в тонкий лист, ограничено 0,006 %; для остальных сталей - 0,008 %.

Механические свойства зависят от толщины проката.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами.

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

1. Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки в горячекатаном состоянии эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Цементуемые - стали 15, 20, 25. Предназначены они для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни и т.п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; используются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т.п.), а также деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от - 40 до 425єС.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. В улучшенном состоянии стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т.п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение - сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная прокаливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. для деталей (валы, оси и т.п.), испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей - 30 мм.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40, 45, 50.

Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (40 - 58 NRC) и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки распределительных валиков, зубья шестерён)

Индукционной закалкой с нагревом ТВЧ упрочняют также поверхность длинных валов, ходовых винтов станков и других деталей, для которых важно ограничить деформации при термической обработке.

В машиностроении углеродистые качественные стали, используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическим свойствами.

Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а

соответственно и термической обработки можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.

Вывод

Конструкционные углеродистые стали и сплавы - это материалы с целой гаммой свойств, и в зависимости от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твёрдость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали - основной металлический материал промышленности.

Размещено на Allbest.ru