Конструкційні вуглецеві сталі і сплави

План

1 Введення

2 Класифікація металів

2 Властивості конструкційних матеріалів

3 Будова і властивості сталей і сплавів

4 Класифікація конструкційних сталей

7 Вуглецеві сталі

8 Висновок

9 Джерела інформації

Введення

Одним з найважливіших факторів науково-технічного прогресу, що сприяють швидкому вдосконалення суспільного виробництва і зростання його ефективності, є проблема повішення рівня підготовки фахівців. Я навчаюся в чудовому ВУЗі - Московському Державному Індустріальному Університеті, на Факультеті Економіки Менеджменту і Інформаційних Технологій.

До вступу я вважала, що нас будуть навчати тільки вузьким колом предметів, саме по нашій спеціальності, але у нас опинилися в програмі і культурологія, релігієзнавство та, і основи інженерної підготовки. Оскільки вимоги до рівня професійної підготовки сильно зросли, і серйозний роботодавець хоче бачити у себе ні обмеженого сферою тільки професійної діяльності працівника, а розумного, ерудованого людини, який знайде «шлях до серця» будь-якого клієнта, особливо це важливо для менеджерів. А професія інженера дуже важлива для економіки і держави, тому я вважаю, що мати невеликий структурованої базою знань у цій галузі - дуже корисно, хіба мало як повернеться життя.

Класифікація металів

За обсягом і частотою використання металів в техніці їх можна розділити на метали технічні й рідкі. Технічні метали - це найбільш часто вживані; до них відносяться залізо Fе. мідь Сu, алюміній А1, магній Мg, нікель Ni, титан Тi, свинець Рb. цинк Zn, олово Sn. Всі інші метали - рідкісні (ртуть Нg, натрій Nа, срібло Аg, золото Аu, платина Рt:, кобальт Со, хром Сr, молібден Мо, тантал Та, вольфрам W та інших).

Залізо в чистому вигляді використовується надзвичайно рідко. Зазвичай використовують железоуглеродістиє (Fе-С) сплавs - сталі і чавуни. які утворюють групу чорних металів. Всі інші представляють групу кольорових металів. На частку чорних металів припадає -85% усіх вироблених металів, а на частку кольорових -15%.

За фізико-хімічними властивостями метали можна розділити на шість основних груп.

Магнітні - Ае, Со, Ni володіють феромагнітними властивостями. Сплави на основі Fе (сталі і чавуни) є головними конструкційними матеріалами; сплави на основі Fе, Со та Ni є основними магнітними матеріалами (феромагнетиками).

Тугоплавкі - метали, у яких температура плавлення вище, ніж у Fе (1539 ° С); це W (3380 ° С), Та (2970 ° С), Мо (2620 ° С), Сr (1900 ° С), Рt ( 1770 ° С), Тi (1670 ° С) і ін Застосовують їх як самостійно, так і у вигляді добавок в сталі, що працюють, зокрема, при високій температурі.

Легкоплавкі - мають температуру плавлення нижче 500 ° С; до них відносяться: Zn (419 ° С), Рb (327 ° С), кадмій Сd (321 ° С), талій Т1 (3О3 ° С), вісмут Вi (271 ° С ), олово Sn (232 ° С) та ін Призначення їх саме різне: антикорозійні покриття, антифрикційні сплави, провідникові матеріали.

З тугоплавких і легкоплавких металів перераховані найбільш поширені, хоча відомі й такі тугоплавкі метали, як, наприклад, реній Re (3180 ° С), осмій 0s (3000 ° С), а з легкоплавких літій Li (180 ° С), калій К ( 68 ° С), рубідій Rb (39 ° С), цезій Сs (28 ° С).

Легкі метали мають щільність не більше 2,75 мг/м3 до них відноситься А1, щільність - 2,7, Сs - 1,90, берилій Ве - 1,84 мг/м3 і ін Ці метали застосовують для виробництва сплавів, використовуваних у конструкціях з обмеженнями в масі.

Благородні - в електротехніці застосовують Аu, Аg, Рt, паладій Рd, а також метали платинової групи: іридій Ir, родій Ru, осмій 0s, рутеній Рu. Ці метали і сплави на їх основі мають високу хімічну стійкість, в тому числі і при підвищених температурах. Їх використовують у виробництві відповідальних контактів, висновків інтегральних мікросхем та інших напівпровідникових приладів, термометрів опору і термопар, нагрівальних елементів, що працюють в особливих умовах.

Рідкоземельні - лантаноїди; їх застосовують як присадки в різних сплавах. Сплави (Rм) металів групи заліза (М) з рідкісноземельними елементами (R) є досить перспективними магнітотвердих матеріалами.

Класифікуються метали та за іншими ознаками, наприклад в електротехніці за значенням електропровідності: добре і погано проводять електричний струм. До добре проводять відноситься більшість металів, вони добре проводять електричний струм і пластичні. До погано проводять - елементи V групи періодичної системи Д. І. Менделєєва - це вісмут Вi, сурма Sb, миш'як Аs, вони погано проводять струм і тендітні, їх іноді називають напівметалах.

Властивості конструкційних матеріалів

Конструкційними називають матеріали, призначені для виготовлення деталей машин, приладів, інженерних конструкцій, що піддаються механічним навантаженням. Деталі машин і приладів характеризуються великою різноманітністю форм, розмірів, умов експлуатації. Вони працюють при статичних, циклічних і ударних навантаженнях, при низьких і високих температурах, у контакті з різними середовищами. Ці фактори визначають вимоги до конструкційних матеріалів, основні з яких - експлуатаційні, технологічні та економічні. _______________________________________________________________________________________________________

Деталі машин і приладів, що передають навантаження, повинні мати твердістю й міцністю, достатніми для обмеження пружною і пластичної деформації, при гарантованій надійності і довговічності. З різноманіття матеріалів найбільшою мірою цим вимогам задовольняють сплави на основі заліза - чавуни і особливо сталі. Стали володіють високим, що успадковується від заліза, модулем пружності (Е = 210 ГПа).

Міцність - здатність металів чинити опір деформації або руйнування статистичним, динамічним або знакозмінним навантажень. Міцність металів при статистичних навантаженнях випробовують на розтяг, стиск, вигин і крутіння. Випробування на розрив є обов'язковим. Міцність при динамічних навантаженнях оцінюють питомої ударної в'язкістю, а при знакозмінних навантаженнях - втомної міцністю.

Деформація - це зміна форми і розмірів твердого тіла під дією зовнішніх сил або в результаті фізичних процесів, що виникають в тілі при фазових перетвореннях, усадці і т. п. Деформація може бути пружна (зникає після зняття навантаження). При все зростаючою навантаженні пружна деформація, як правило, переходить в пластичну, і далі зразок руйнується. У залежності від способу прикладання навантаження методи випробування механічних властивостей металів, сплавів та інших матеріалів діляться на статистичні, динамічні та знакозмінні.

Пружність - властивість металів відновлювати свою колишню форму після зняття зовнішніх сил, що викликають деформацію. Пружність - властивість, протилежне пластичності.

Твердість - здатність металів чинити опір проникненню в них більш твердого тіла. Проводять випробування на твердість за Бринеллю, Роквеллу, Віккерсу, Польді і на мікро-твердість. Найбільш поширені перші два методи.

Зносостійкість - опір металів зношування внаслідок процесів тертя. Знос полягає у відриві від тертьової поверхні окремих її частинок і визначається по зміні геометричних розмірів або маси деталі.

Крім комплексу цих важливих для працездатності деталей властивостей, сталі можуть мати і рядом інших цінних якостей, що роблять їх універсальним матеріалом. При відповідному легуванні і технології термічної обробки сталь стає або зносостійкої, або корозійно-стійкої, або жаростійкої і жароміцної, а також набуває особливі магнітні, теплові або пружні властивості. Сталям властиві також хороші технологічні властивості. До того ж вони порівняно недорогі.

Завдяки цим достоїнствам стали - основний металевий матеріал промисловості. Розроблено близько 2000 марок сталей і сплавів на основі заліза.

Будова і властивості сталей і сплавів

Чисті метали (зміст основного компонента 99,99 - 99,999%) мають низьку міцність, тому їх в техніці використовують рідко (крім Сu і Аl в електротехніці). Найбільш широко застосовують у техніці як конструкційних матеріалів металеві сплави.

Сплавом називають матеріал, що складається з двох або більшої кількості хімічних елементів, що є компонентами сплаву. У металевих сплавах основним компонентом (більше 50%) є метал. Так само як і чисті метали, сплави побудовані з кристалічних зерен.

У сплавів можна одержувати більш високі механічні характеристики, електричний опір, стійкість до корозії і т.д.

Більшість сплавів, крім сплавів з неорганічної розчинністю компонентів в твердому стані, можна представити як систему, що складається з декількох фаз, що знаходяться в рівновазі при певних зовнішніх умовах (температурі, тиску).

Сталями називають сплави заліза з вуглецем і деякими іншими хімічними елементами. Зміст вуглецю в сталях може доходити до 2,14. Однак у сталях, що застосовуються в машинобудуванні і будівництві, вуглецю міститься не більше 1,3%.

Вплив вуглецю і постійних домішок на властивості сталей.

При змісті вуглецю більше 1,3% сталі стають занадто тендітними, і суттєво ускладнюється їх обробка ріжучим інструментом. На сьогоднішній день стали є основним конструкційним матеріалом для виготовлення навантажених деталей машин, споруд, елементів рухомого складу. У електро-і радіотехніці сталі (деякі її сорти) використовують головним чином як феромагнетика і обмежено - як провідникового матеріалу, а як конструкційний матеріал - в електроустановках при виготовленні несучих конструкцій, органів управління і т.п.

Крім заліза і вуглецю в сталях містяться корисні та шкідливі домішки. Сталь - основний металевий матеріал, широко застосовуваний для виготовлення деталей машин, літальних апаратів, приладів, різних інструментів і будівельних конструкцій. Широке використання сталей обумовлено комплексом механічних, фізико-хімічних і технологічних властивостей. Методи широкого виробництва сталі були відкриті в середині ХІХ ст. У цей же час були вже проведені і перші металографічні дослідження заліза і його сплавів. Стали поєднують високу жорсткість з достатньою статичної та циклічної міцністю. Ці параметри можна змінювати в широкому діапазоні за рахунок зміни концентрації вуглецю, легуючих елементів і технологій термічної і хіміко-термічної обробки. Змінивши хімічний склад, можна отримати, сталі з різними властивостями, і використовувати їх у багатьох галузях техніки і народного господарства.

Якщо сталь має в своєму складі тільки Fе, С і деяку кількість постійної домішки, то таку сталь називають вуглецевої. Якщо в вуглецеву сталь спеціально введені один або декілька так званих легуючих елементів (Сr, Ni, W та інших) з метою поліпшення її службових і технологічних властивостей, то таку сталь називають легованої. При легуванні можуть виникати нові властивості, не притаманні вуглецевої сталі.

Класифікація конструкційних сталей

Стали класифікують за хімічним складом, якістю, ступеня розкислення, структурі, міцності і призначенням.

За хімічним складом сталі класифікують на вуглецеві і леговані. Залежно від концентрації вуглецю ті й інші поділяють на низько вуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві низьковуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві

(0,3-0,7% C) і високовуглецеві (> 0,7% С).

За призначенням сталі класифікують на конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі, представляють найбільш велику групу, призначену для виготовлення будівельних споруд, деталей машин і приладів. До цих сталей відносять цементуємих, покращувані, високоміцні і ресорно-пружинні. Інструментальні сталі, поділяють на сталі для ріжучого, вимірювального інструменту, штампів холодного і

гарячого (до 200 º С) деформування.

За якістю сталі, класифікують на звичайної якості, якісні, високоякісні. Під якістю стали розуміється сукупність властивостей, визначених металургійним процесом її виробництва. Однорідність хімічного складу, будови і властивості сталі, а також її технологічність багато в чому залежать від вмісту газів (водню, кисню) і шкідливих домішок - сірки та фосфору. Сталі звичайної якості бувають тільки вуглецевими (до 0,5% З), якісні та високоякісні - вуглецевими і легованими.

За ступенем розкислення і характером затвердіння стали класифікують на спокійні, напівспокійних і киплячі.

Розкислення - процес видалення з рідкого металу кисню, що проводиться з метою запобігання крихкого руйнування стали при гарячої деформації.

Спокійні стали раскисляют марганцем, кремнієм і алюмінієм. Вони містять мало кисню і тверднуть спокійно без газовиділення. Киплячі стали раскисляют тільки марганцем. Перед розливанням у них міститься підвищена кількість кисню, який при затвердінні, частково взаємодіючи з вуглецем, видаляється у вигляді СО. Виділення бульбашок СО створює враження кипіння стали, з чим і пов'язана її назва. Напівспокійних стали за ступенем розкислення займають проміжне положення між спокійними і киплячими.

За призначенням конструкційні сталі поділяють на машинобудівні, призначені для виготовлення деталей машин і механізмів, і будівельні, використовувані для металоконструкцій і споруд.

Вуглецеві сталі

На частку вуглецевих сталей припадає 80% від загального обсягу. Це пояснюється тим, що вуглецеві стали дешеві і поєднують задовільні механічні властивості з хорошою оброблюваністю різанням і тиском. При однаковому змісті вуглецю по оброблюваності різанням і тиском вони значно перевершують леговані сталі. Однак вуглецеві стали менш технологічні при термічній обробці. Через високу критичної швидкості гартування вуглецеві сталі охолоджують у воді, що викликає значні деформації і викривлення деталей. Крім того, для отримання однакової міцності з легованими сталями їх слід піддавати відпуску при більш низькій температурі, тому вони зберігають більш високі гартівні напруги, знижують конструкційну міцність.

За статистичною міцності стали відносяться переважно до сталей нормальної міцності. Вуглецеві конструкційні сталі випускають двох видів: звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості випускають у вигляді прокату (прутки, балки,

листи, куточки, труби, швелери тощо) у нормалізованому стані. У вуглецевих сталях звичайної якості допускається вміст шкідливих домішок, а також газонасиченості і забрудненість неметалевими включеннями. І в залежності від призначення та комплексу властивостей підрозділяють на групи: А, Б, В.

Стали маркуються поєднанням букв Ст і цифрою (від 0 до 6), що показує номер марки, а не середній вміст вуглецю в ній, хоча з підвищенням номера вміст вуглецю в сталі збільшується. Стали груп Б і В мають перед маркою букви Б та В, що вказують на їх приналежність до цих груп. Група А в позначенні марки стали не вказується. Ступінь розкислення позначається додаванням індексів: у спокійних сталях - «сп», напівспокійних - «пс», киплячих - «кп», а категорія нормованих властивостей (крім категорії 1) зазначається подальшої цифрою.

Стали групи А використовують у стані поставки для виробів, виготовлення яких не супроводжується гарячої обробкою. У цьому випадку вони зберігають структуру нормалізації і механічні властивості, які гарантуються стандартом.

Сталь марки Ст3 використовується в стані поставки без обробки тиском і зварюванням. Її широко застосовують у будівництві для виготовлення металоконструкцій, у сільському господарському машинобудуванні (валики, осі, важелі, виготовлені холодним штампуванням, а також Цементовані деталі: шестерінки, порневие пальці).

Стали групи Б застосовують для виробів, що виготовляються із застосуванням гарячої обробки (кування, зварювання і в окремих випадках термічна обробка), при якій вихідна структура і механічні властивості не зберігаються. Для таких деталей важливі відомості про хімічний склад, необхідні для визначення режиму гарячої обробки.

Стали групи В дорожче, ніж стали груп А і Б, їх застосовують для відповідальних деталей (для виробництва зварних конструкцій).

Вуглецеві сталі звичайної якості (всіх трьох груп) призначені для виготовлення різних металоконструкцій, а також слабонавантажених деталей машин і приладів. Ці сталі, використовуються, коли працездатність деталей і конструкцій забезпечується жорсткістю. Вуглецеві сталі звичайної якості широко використовуються в будівництві при виготовленні залізобетонних конструкцій. Здатністю до зварювання і до холодної обробки тиском відповідають стали груп Б та В номерів 1-4, тому з них виготовляють зварні ферми, різні рами і будівельні металоконструкції, крім того, кріпильні вироби, частина з яких піддається цементації.

Низьковуглецеві стали відрізняються малою міцністю і високою пластичністю в холодному стані. Ці сталі в основному роблять у вигляді тонкого листа і використовують після відпалу або нормалізації для холодного штампування з глибокою витяжкою. Вони легко штампуються з-за малого змісту вуглецю і незначної кількості кремнію, що і робить їх дуже м'якими. Їх можна використовувати в автомобілебудуванні для виготовлення деталей складної форми. Глибока витяжка з листа цих сталей застосовується при виготовленні консервних банок, емальованого посуду та інших промислових виробів.