Стали: классификация и назначение
Министерство образования и науки Российской Федерации
Филиал государственного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный
инженерно-экономический университет» в г. Череповце
Кафедра «Экономика и управление на предприятии»
Контрольная работа
по дисциплине: «Материаловедение»
Тема работы: «Стали: классификация и назначение».
Выполнила студентка:
Пученичева Ю.А.
Группа: 3 ЭУП-08
Череповец,
2012
Содержание
1. Стали: классификация
и назначение……………………………………………………
1.1. Общая классификация
сталей………………………………………………………………
1.2. Маркировка сталей
по химическому составу……………………
1.3. Конструкционные стали и ставы…………………………………………………………..8
1.4. Инструментальные стали и ставы………………………………………………………...
1.5. Стали и сплавы
с особыми физическими
Список литературы…………………………………
1. Стали: классификация и назначение
1.1. Общая классификация сталей
Согласно
принятой в настоящее время
Классификация сталей и сплавов производится по химическому составу, качеству (способу производства и содержанию вредных примесей), а также по назначению. По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные.
Углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на
- малоуглеродистые — менее 0,6% С;
- среднеуглеродистые — от 0,6 до 0,7% С;
- высокоуглеродистые — более 0,7%С.
Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. Их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:
- низколегированные — менее 5%;
- среднелегированные — 5...10%;
- высоколегированные — более 10%.
Легированные стати и сплавы делятся также на классы по структурному составу:
• в отожженном состоянии — доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
• в нормализованном состоянии — перлитный, мартенситный и аустенитный классы. К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному классу — с их более высоким содержанием, а к аустенитному — с высоким содержанием легирующих элементов.
По качеству, т.е. по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы:
обыкновенного качества (рядовые) .... 0,050 0,040;
качественные..................
высококачественные............
особо высококачественные............
Стали обыкновенного качества по химическому составу — углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах.
Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений.
Стали качественные по химическому составу могут быть углеродистыми или легированными. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Оба вида сталей по степени
раскисления и характеру
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные — в электропечах с электрошлаковым переплавом или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.
По назначению стали и сплавы делят на конструкционные, инструментальные стали и стали с особыми физическими и химическими свойствами.
1.2. Маркировка сталей по химическому составу
Эта маркировка является наиболее обшей, так как учитывает также область применения, условия производства и качество сталей. Однако некоторые стали более узкого применения (например, автоматные, шарикоподшипниковые, быстрорежущие и др.) маркируются иначе.
Новые стали и сплавы, еще не включенные в государственные стандарты и поставляемые по техническим условиям, обозначаются буквами, указывающими на завод-изготовитель (например, ЭК, ЭП или ЭИ — завод «Электросталь»), и номером, присвоенным этим заводом.
Углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80% общего объема производства сталей и сплавов. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Однако они менее технологичны при термической обработке.
По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Первые в свою очередь делятся на углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и углеродистые конструкционные качественные стали.
Углеродистая
конструкционная сталь
В маркировке этих статей буквы Ст означают «сталь обыкновенного качества», цифры — условный номер марки в зависимости от нормируемых показателей (величин механических свойств). Чем больше условный номер стали, тем больше в ней содержание углерода и перлита и тем выше ее прочность и ниже пластичность.
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок: Ст0, Ст1, Ст2, СтЗ, Ст4, Ст5, Стб. Стандартом предусмотрена также сталь с повышенным (0,8...1,2%) содержанием марганца: СтЗГпс, СтЗГсп и Ст5Гпс. Чем больше толщина изделия проката, тем ниже значения приведенных характеристик.
Дополнительными индексами в конце марки указываются степень раскисления и характер затвердевания стати (например, Ст3кп, Ст5пс, Ст6сп).
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества предназначены для изготовления горячекатаного проката (сортового, фасонного различных профилей — балки, швеллеры, уголки, прутки); холоднокатаного тонколистового проката; слитков, блюмов, слябов; катаных и непрерывно-литых труб; поковок и штамповок; ленты, проволоки, метизов и др.
Прокатное производство — получение из металлов и сплавов путем прокатки различных изделий и полуфабрикатов, а также их дополнительная обработка с целью повышения качества. В промышленных странах прокатке подвергается более 80% выплавляемой стали. Основные виды изделий прокатного производства: прокат, металлический профиль и жесть.
Прокат — продукция металлургического производства. Различают сортовой и листовой прокат. Сортовой прокат используется для производства простых и фасонных профилей и катанки (заготовки для получения проволоки). Из листового проката производят листы, полосы, ленты, жесть, в том числе биметаллические и с покрытиями.
Металлический профиль — изделие, полученное прокаткой, прессованием, формовкой (гибкой) между валками. Различают профили с постоянным по длине поперечным сечением, так называемые переменные профили (в том числе периодические) и специальные (бандажи, колеса, шестерни, шары и др.). Некоторые металлические профили — квадратный, круглый, полосовой, угловой, двутавровый, швемерный рельс, тавровый, шпунтовой.
Жесть — тонкая холоднокатаная отожженная листовая сталь толщиной 0,08...0,32 мм. Для предохранения от воздействия пищевых сред и атмосферной коррозии на поверхность жести наносят защитные покрытия — олово (белая жесть), хром, специальные лаки и др.
Трубное производство — получение полых изделий из металлов преимущественно кольцевого сечения и относительно большой длины. Трубы со швом изготовляют главным образом сваркой, бесшовные — прокаткой (реже прессованием, волочением, литьем).
Трубное производство осуществляется также для керамики, асбоцемента, кирпича, железобетона, дерева, стекла, каучука, пластмасс и других материалов.
Метизное производство — получение стандартизированных металлических изделий (метизов). Различают промышленные метизы (стальная проволока, канаты, гвозди, болты, железнодорожные костыли и т.п.) и метизы широкого назначения (ножи, пилы и т.д.).
Изделия из углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества широко применяются в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, а также для выполнения кровельных работ. Среднеуглеродистые стали (СТ5, Ст5Г), обладающие большей прочностью, чем низкоуглеродистые, предназначены для рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных машин.
Механические свойства углеродистой конструкционной стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладноломкости понижен закалкой в воде после прокатного нагрева.
Стали углеродистые конструкционные качественные (ГОСТ 1050—88) содержат не более 0,35% фосфора, не более 0,04% серы, 0,05...0,6% углерода. Эти стали отличаются высокими пластичностью и свариваемостью. Они могут использоваться без упрочняющей термической обработки или после нее.
Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85. Двузначные числа в марке показывают содержание углерода в сотых долях процента. Дополнительными индексами могут быть отмечены степень раскисления и характер затвердевания стали в изложнице (например, сталь 08кп).
Углеродистые инструментальные стали (ГОСТ 1435—90) выпускаются качественными (содержание серы не превышает 0,03%, фосфора — 0,035%) и высококачественными (серы не более 0,02% и фосфора — 0,03%). В конце марки высококачественных углеродистых инструментальных сталей ставится буква А.
В углеродистых инструментальных сталях буква У в обозначении марки означает «углеродистая стать», а цифра показывает содержание углерода в десятых долях процента.
Стали У7 (доэвтектоидная ферритно-перлитная) и У8, У8А (эвтектоидные) наиболее пластичные из углеродистых инструментальных сталей. Они идут на производство молотков, стамесок, долот, зубил. Из сталей У10, У11, УНА изготавливают резцы, сверла, метчики, фрезы, плитки и прочий мерительный и режущий инструмент для резания мягких материалов, а из сталей У12, У13, У13А — инструмент, работающий без ударных нагрузок (напильники, рашпили, бритвы).
Легированные стали. При маркировке легированной стали используют буквенные обозначения легирующих элементов. Эти буквы в сочетании с цифрами используют в обозначении марки стали. Содержание легирующего элемента, если оно превышает 1...1,5%, указывается цифрой (массовая доля в целых процентах), стоящей после соответствующей буквы. Если за буквой отсутствует цифра, то содержание данного элемента около 1%. Исключение сделано для некоторых элементов (V, Ti, Mo, Nb, Zr, В, N и др.), присутствие которых в сталях даже в тысячных долях процента оказывает существенное влияние на свойства сталей (микролегирование).
Если в начале марки нет цифры, то это означает, что количество углерода составляет 1% и выше. Для конструкционных сталей две цифры впереди марки указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Для инструментальных сталей одна цифра в начале марки указывает среднее содержание углерода в десятых долях процента.
Основная масса легированных сталей выплавляется сталями качественными. Отличие в обозначениях качественных, высококачественных и особо высококачественных сталей заключается в том, что в конце марки высококачественных сталей присваивается буква А, а особо высококачественных – буква Ш. У сталей, применяемых в виде литья (в отливке), в конце марки приписывается буква Л.
Высококачественные стали имеют отклонения от этих правил. Так, в марках инструментальных легированных сталей, а также сталей и сплавов с особыми физическими свойствами буква А не указывается, поскольку они всегда высококачественные (или особо высококачественные).
Некоторые группы сталей специального назначения содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих – с буквы Р, магнитно-твердых – с буквы Е, автоматных – с буквы А.
1.3. Конструкционные стали и ставы
Общими потребительскими требованиями к конструкционным сталям являются наличие у них определенного комплекса механических свойств, обеспечивающего длительную работу материала в условиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемости давлением, резаньем, закаливаемости и др.). Необходимые технологические и потребительские свойства конструкционных сталей и сплавов в основном обеспечиваются рациональным выбором химического состава, улучшением металлургического качества, соответствующей термической обработкой и поверхностным упрочнением.
Конструкционные стали и сплавы классифицируются по назначению на строительные (арматурные) и машиностроительные, а последние в свою очередь подразделяются на группы общего и специального назначения. С некоторой условностью эти стали также различаются по прочности: стали нормальной прочности, стали повышенной прочности и высокопрочные стали.
Конструкционные строительные стали и сплавы. Свойства этих сталей и сплавов определяются в основном механическими (предел прочности, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость) и технологическими (жидкотекучесть, свариваемость, ковкость и др.) характеристиками. Для конструкционных строительных сталей и сплавов используются углеродистые (0,10….0,20% С) и низколегированные (Si, Mn, Cr и др.) стали (ГОСТ 19281 – 89 и 19282 – 72). Эти стали, как правило, обыкновенного качества и поставляются по механическим свойствам.
Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.
В соответствии с ГОСТ 27772—88 конструкционные углеродистые стали подразделяют на несколько классов по прочности. Маркируют их буквой С и числом, указывающим предел текучести в мегапаскалях: С2135, С285, ... , С590. В конце марки могут стоять буквы К, Т или Д, обозначающие:
К — отличие в химическом составе от стали такого же класса прочности;
Т — упрочнение термообработкой;
Д — введение в сталь 0,15—0,3% Си для повышения сопротивления атмосферной коррозии.
Конструкционные низколегированные стали разделяют на стали повышенной прочности и высокопрочные.
Конструкционные строительные стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Так, стали 14Г2, 18Г2, 16ГС, 10Г2С1, 14ХГС и 15ХСНД используются для изготовления металлических конструкций, а стали 18Г2С, 25Г2С и 35ГС — для армирования железобетонных конструкций. Конструкционные строительные стали поставляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос. Кроме того, из этой стали изготавливают заклепки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, а также стальные канаты.
Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения. Основным потребительским требованием к конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общего назначения является наличие определенного комплекса механических свойств с их заданным распределением по сечению изделия. Комплекс механических свойств, если не предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности, пластичности, удельной работы деформации и разрушения (ударной вязкости).
Химический состав этих сталей такой (ГОСТ 1050—88 и 4543—71): мало- и среднеуглеродистые — содержат от 0,05 до 0,65% С, а низко- и среднелегированные — Mn, Si, Cr, Ni и др.
Большинство конструкционных легированных сталей относятся к перлитному классу, а в равновесном состоянии — к классу доэвтектоидных. Легирующие элементы определяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость и в меньшей степени — механические свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающих вязкость). Наиболее широко применяются марки 30ХГСН2А, 30ХГСН2МА, 25Х2ГНТРА. 30Х2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА.
Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения классифицируются по способу упрочнения как стали без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему объему.
Рекомендуемыми режимами
термической обработки
Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения. Специальное назначение этих сталей и сплавов определяется требованием к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро-и радиотехнической промышленности.
В зависимости от химического состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему элементу:
• сплавы на железоникелевой основе;
• сплавы на никелевой основе.
Классификация машиностроительных сталей и сплавов по основному потребительскому свойству имеет следующие группы: особо высокой прочности и вязкости, коррозионностойкие, износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.
Стали особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) по химическому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколегированными (Ni, Co, Mo, Cr, Ti, Be и др.). Технологические свойства мартенситно-стареюших сталей повышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; незначительная деформация детатей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так, при дополнительном легировании хромом (»12%) эти стати становятся стойкими против коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др.).
Мартенситно-стареющие
стали — особо
Коррозионностойкие стали и сплавы (ГОСТ 5632—72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью против коррозии только в ограниченном числе сред. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5% Сr, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть небольшим, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может снизить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области γ-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.
Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в довольно широком диапазоне в зависимости от структуры. Для наиболее характерных сплавов этого назначения она может быть:
• ферритно-карбидной и мартенситной (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18 — для слабых агрессивных сред (воздуха, воды, пара));
• ферритной (15X28) —
для растворов азотной и
• аустенитной (12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах;
• мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) — в фосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот. Коррозионная стойкость сталей может быть повышена термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной поверхности.
Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.
Изделия из собственно коррозионностойких статей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С. Для жаростойких и жаропрочных машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1...0,45% С) и высоколегированные (Si, Сr, Ni, Co и др.).
Жаростойкие стали и сплавы получают на базе системы Fe + Сr + Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С. Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печных газах, в том числе серосодержащих (15X5, 15Х6СМ, 40Х9С2, 30Х13Н7С2, 12X17, 15X28), окислительных и науглераживаюших (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок.
Жаростойкие стали характеризуют по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием хрома в сплаве. Так, при 15% Сr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Сr — 1300°С. Жаростойкость зависит от химического состава стали, а не от ее структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.
Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.
Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением химической коррозии, но вместе с тем обеспечивать надежную работу под нагрузкой (т.е. иметь достаточно высокие пределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С. Температурный уровень жаропрочности сплавов в первую очередь определяется прочностью межатомной связи, которая может быть оценена рядом физических констант, в том числе температурой плавления. Однако при данной температуре плавления жаропрочность сильно зависит от температуры рекристаллизации. В связи с этим стали аустенитного класса имеют более высокую жаропрочность по сравнению со сталями перлитного класса.
При таких высоких температурах эксплуатации определяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, а диффузионные процессы, имеющие даже при небольших напряжениях направленный характер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так как диффузионные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повышенное количество дефектов строения, то кроме химического состава на жаропрочность существенное влияние оказывает структура металла. Обычно добиваются получения легированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри них дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом снижается пластичность. Чрезвычайно важный фактор — стабильность структуры, так как перемещение атомов ведет к увеличению ползучести.
Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодом и др. Так, микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочно-земельными металлами повышает такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании основан на рафинировании границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.
Жаропрочные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632—72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Сr, Mi, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 03Х20Н16АГ6, 03Х13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (от 20 до — 196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого снижения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные машиностроительные стали классифицируются по температуре эксплуатации в диапазоне от —196 до —296°С и используются для изготовления деталей криогенного оборудования.
Износостойкие стали (ГОСТ 5632—72) по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (1,1.. .1.3% С) или малоуглеродистыми и высоколегированными (Si, Mn, Cr, Ni и др.). Основное потребительское свойство этих сталей — высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании при значительных ударных нагрузках. Эти стали (12Х18Н9Т, 30Х10Г10, 0Х14АГ12, 0Х14АП2М, ПЗ) применяют чаще в литом или кованом (катанном) состоянии, так как их общее технологическое свойство — пониженная обрабатываемость резанием. Износостойкие стали используются для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, крестовин рельсов, щек дробилок, черпаков землеройных машин, траков и др.
