Железоуглеродистые сплавы

    Содержание 
 

Введение……………………………………………………………………….3

1. Железоуглеродистые сплавы, общие сведения………………….4
2. Строение и свойства железоуглеродистых сплавов ……………6
3. Легированные стали ……………………………………………...7
4. Углеродистые стали ………………………………………………9

Заключение …………………………………………………………………..13

Список  используемых источников ………………………………………...14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

«Железо не только основа всего  мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой такой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества».

А. Е. Ферсман 

    В настоящее время свойствам используемых в производстве материалов уделяют большое внимание. В первую очередь это связано с определением дальнейшей эксплуатации материала и групп материалов в тех или иных условиях. Критерии технической применимости чаще всего вырабатываются в результате многолетних исследований, надежно проверенных практикой.

    Разнообразие  применяемых материалов, в настоящее  время, не знает границ. Благодаря  современным технологиям появляются новейшие материалы. Но остаются и такие, которыми люди пользуются из покон веков. К таким относятся металлы.

    Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства. 
 
 
 
 
 
 
 

Железоуглеродистые сплавы. Общие сведения 

     Железоуглеродистые  сплавы, это сплавы железа с углеродом, на основе железа. Различают чистые железоуглеродистые сплавы (со следами  примесей), получаемые в небольших  количествах для исследовательских  целей, технические железоуглеродистые сплавы — стали (до 2% C) и чугуны (свыше 2% C), содержащие примеси, легирующие элементы, а иногда и модифицирующие добавки.

     Сталь и чугун являются наиболее важными  в технике сплавами. Достаточно отметить, что они составляют около 95% всех используемых в мире сплавов. Сталью называют сплавы железа с углеродом и другими элементами, содержащие до 2% углерода. Углерод – важнейшая примесь стали, так как от количества его зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят в том или ином количестве кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси обычно попадают в сталь в процессе ее выплавки и являются ее неизбежными спутниками.

     Чугун – это тоже сплав на железой  основе. Принципиальное отличие чугуна от стали заключается, прежде всего, в более высоком содержании в  чугуне углерода. Чугуном называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2% углерода. Чаще всего находят  применение чугуны, содержащие 3 - 3,5% углерода. В состав чугуна входят те же примеси, что и сталь, то есть кремний, марганец, сера и фосфор, но в несколько больших количествах. [4] 
 
 
 
 

     Строение  и свойства железоуглеродистых сплавов

     Варьируя  состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами.

     Металлы, как и другие вещества, могут существовать в различных кристаллических  формах (модификациях). Это явление  называется полиморфизмом.Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры.

     Химически чистые металлы на практике используют редко. Это связано с трудностью получения чистых веществ, а также  с возможностью получать металлы  с определенными требуемыми свойствами путем создания различных сплавов.

     В металловедении различают три типа сплавов: твердый раствор, механическую смесь, химическое соединение. Если атомы  входящих в состав сплава элементов  незначительно отличаются размером и строением электронной оболочки, то они могут образовывать общую  кристаллическую решетку. Сплав  с таким строением называют твердым  раствором. Если элементы сплава не образуют твердого раствора, а каждый из них  кристаллизуется самостоятельно, то такой сплав называют механической смесью. Если элементы сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя  новое вещество, такой сплав называют химическим соединением. Практически  сплавы могут сочетать в себе все  три типа строения.

     Рассмотрим  зависимость свойств сплава от его состава и строения на примере железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

     Чистое  железо — серебристо-белый мягкий пластичный металл, почти не окисляющийся на воздухе. Прочность его значительно  ниже прочности стали и чугуна. При производстве в черные металлы  в виде примесей к железу попадают углерод, кремний и некоторые  другие вещества. Наибольшее влияние  на их свойства оказывает углерод, содержащийся в количестве 0,5…5 .

     Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения  разнообразных сплавов.

     Углерод, растворяясь в железе, образует твердые  растворы. В низкотемпературной модификации  железа (а-железе) растворяется мало углерода (до 0,02), такой раствор называют ферритом. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью. Чем больше в сплаве содержится феррита, тем он мягче и пластичнее. Высокотемпературная модификация железа (у-железо) лучше растворяет углерод (до 2%), образуя твердый раствор аустенит, также характеризующийся высокой пластичностью.

     Химическое  соединение железа с углеродом —  карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий. В некоторых случаях (например, в  присутствии больших количеств кремния) цементит не образуется, а углерод выделяется в виде графита (например, в сером чугуне).

     В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и  чугун — поликристаллические  материалы, свойства которых зависят  как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера  кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723 °С твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит — раствор углерода в железе.

     На  этом явлении основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности  и, как следствие, деформация и разрушение стальных конструкций из-за нагрева  во время пожара. [3, c.352-356] 
 

Легированные  стали 

    При введении в углеродистые стали специальных  легирующих добавок достигается  значительное улучшение их физико-механических свойств (например, повышение предела  текучести без снижения пластичности и ударной вязкости и т.д.).

    Легирующие  добавки, растворяясь в железе, искажают и нарушают симметрию его кристаллической решетки, так как они имеют другие атомные размеры и строение внешних электронных оболочек. Чаще всего увеличивается карбидосодержащая фаза за счет уменьшения углерода в перлите, что соответственно увеличивает прочность стали. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно повышает вязкость стали. Некоторые легирующие элементы расширяют область аустенита, снижая критические точки Ас₃, а другие, наоборот, сужают эту область. Большое значение на практике имеет способность большинства легирующих элементов повышать прокаливаемость стали на значительную толщину, задерживая переход аустенита в другие структуры, что создает возможность закаливать стали при умеренных скоростях охлаждения. При этом уменьшаются внутренние напряжения, и снижается опасность появления закалочных трещин.

    Согласно  существующим стандартам легированные стали классифицируют по назначению, химическому составу и микроструктуре.

По  назначению легированные стали разделяют на три класса:

• конструкционные (машиноподелочные и строительные);
• инструментальные;
• стали с особыми физико-химическими свойствами.

    Для обозначения марок сталей принята  буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначаются буквами: С –  кремний, Г – марганец, X – хром, Н – никель, М – молибден, В  – вольфрам, Р – бор, Т – титан, Ю – алюминий, Ф – ванадий, Ц – цирконий, Б – ниобий, А – азот, Д – медь, К – кобальт, П – фосфор и т.д. Цифры, стоящие перед буквами, показывают содержание углерода в конструкционных сталях в сотых долях процента, в инструментальных - в десятых долях процента. Цифры, стоящие за буквами, показывают содержание легирующих элементов в процентах. Если содержание элементов не превышает 1,5 %, то цифры не ставят. Буква А, стоящая в конце марки, означает, что сталь высококачественная. Например, сталь марки 35ХНЗМА – высококачественная, содержащая 0,35 % С, 1 % Сг, 3 % Ni, 1 % Mo.

По  химическому составу легированные стали делят на три класса:

• низколегированные с общим содержанием легирующих элементов до 2,5 %;
• среднелегированные – от 2,5 до 10%;
• высоколегированные, содержащие более 10 % таких элементов.

В зависимости  от структуры, которую получают легированные стали после

нормализации, их делят на пять классов:

• перлитная,
• мартенситная,
• аустенитная,
• ферритная и
• карбидная (ледебуритная).

Большинство конструкционных и инструментальных сталей относится к сталям перлитного класса. Такие стали содержат незначительное количество легирующих элементов (не более 5...6 %), хорошо обрабатываются давлением и резанием. После нормализации имеют структуру перлита (сорбита, троостита). После закалки и отпуска заметно повышают механические свойства.

    Основным  преимуществом легированных сталей является их большая прочность при  сохранении достаточно высокой пластичности и свариваемости, что позволяет повысить допускаемые напряжения уменьшить расход металла на изготовление конструкций, а также повышенная стойкость к атмосферной коррозии. [2, стр. 321-323]

     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.

    1.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 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.

    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.

    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, 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, а также с повышенным содержанием  марганца в основном используют для  изготовления пружин, рессор, высокопрочной  проволоки и других изделий с  высокой упругостью и износостойкостью.

    2.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. 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. 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. 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 425ºС.

    Среднеуглеродистые  стали 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.

    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. [1, c.215-223] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

    Железоуглеродистые  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 железоуглеродистые сплавы, такие как чугуны и стали — основной металлический материал промышленности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  используемых источников

1. Арзамасов Б. Н. « Материаловедение». М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003
2. Домонеев А.Г. «Строительные материалы». М.: Высшая школа, 1989
3. Колесов С.Н. «Материаловедение и технология конструкционных материалов». М.: Высшая школа, 2004
4. http://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=8383