Материаловедение

Ответы  на вопросы к зачету по дисциплине «Материаловедение. ТКМ» 2 курса дневного отделения специальности 270102 

1. Общая классификация стали

Сырьём для производства стали служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь сводится к удалению (выгоранию) части углерода и примесей. Получают сталь также прямым восстановлением железа из руды, минуя доменный процесс.

Сталь — широко распространённый конструкционный материал. Путем  легирования и специальной обработки (термической, химико-термической, термомеханической  и др.) стали можно придать нужные свойства, удовлетворяющие самым  разнообразным требованиям современной  техники.

Сталь обладает высокой  прочностью и твёрдостью, достаточной  пластичностью и вязкостью. Её можно  обрабатывать резанием и давлением, отливать.

Развитие техники  предъявляет всё новые требования к качеству и свойствам стали, поэтому непрерывно совершенствуются технологические процессы её получения, разрабатываются и внедряются новые  марки.

Единой мировой  классификации сталей не существует. Обычно сталь классифицируют по способу  производства, химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления, структуре, методу формообразования изделий из стали.

По способу производства сталь разделяют на мартеновскую, конверторную (кислородно-конверторную, бессемеровскую, томасовскую), электросталь и сталь, получаемую прямым восстановлением  из обогащённой руды (окатышей). Мартеновский способ производства, бывший в свое время наиболее распространённым, сейчас утратил первостепенное значение и  вытесняется более простым и  экономичным, с точки зрения технологии производства, кислородно-конверторным способом. Предпочтение отдаётся также  электроплавильным способам, которые  позволяют получать сталь самого высокого качества. 

2. Классификация углеродистой стали  по химическому составу

По химическому  составу сталь делят на углеродистую и легированную.

Углеродистая сталь  — железоуглеродистый сплав (0,02—2,14% С) с неизбежными примесями марганца (до 0,8%), кремния (до 0,5%), серы (до 0,06%), фосфора (до 0,07%) и газов (кислорода, водорода, азота), присутствующих в очень малых  количествах — тысячных долях  процента. Железо и углерод являются основными компонентами, определяющими  структуру и свойства стали.

Марганец, кремний, сера и фосфор относятся к постоянным, или обычным, примесям. Марганец и кремний необходимы по условиям технологии выплавки стали — их вводят в расплав для её раскисления. Вредные примеси — сера и фосфор — попадают в сталь из руд и печных газов и не поддаются полному удалению на стадии металлургического передела.

Кислород, водород, азот также постоянно присутствуют в стали и относятся к скрытым вредным примесям.

Углеродистые стали  в зависимости от содержания углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25— 0,60% С) и высокоуглеродистые (свыше 0,60% С).

Легированными называют стали, в состав которых кроме  железа, углерода, обычных и скрытых  примесей входят легирующие элементы: хром, никель, молибден, вольфрам и другие элементы, которые специально вводятся в сталь для придания ей требуемых  свойств. Сталь также считается  легированной, если содержание в ней  кремния превысит 0,5%, а марганца — 1%. Легированные стали в зависимости  от системы легирования делят  на марганцевистые, хромистые, хромоникелевые и т.д.

В зависимости от содержания легирующих элементов различают  стали низколегированные (суммарное  содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированные (2,5—10%) и высоколегированные (более 10%). Если суммарное содержание легирующих элементов превышает 50%, т.е. преобладает над железной основой, то такой материал называется сплавом. Например, сплавы с заданным температурным  коэффициентом линейного расширения, жаропрочные сплавы и многие другие. 

3. Классификация углеродистой стали  по качеству

По качеству стали  подразделяют на стали обыкновенного  качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

Под качеством стали  понимают совокупность свойств, гарантируемых  металлургическим процессом ее производства. Качество стали определяется степенью однородности химического состава  и строения, природой и содержанием неметаллических включений, газонасыщенностью и некоторыми другими факторами.

Основным показателем, лежащим в основе классификации  сталей по качеству, является содержание вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше указанных примесей, тем  выше качество стали. Например, в углеродистой качественной конструкционной стали (ГОСТ 1050—88) допускается массовая доля серы не более 0,04%, фосфора — не более 0,035%. В углеродистой стали обыкновенного  качества (ГОСТ 380—94) эти показатели выше: массовая доля серы не более 0,05%, фосфора - не более 0,04%.

Стали обыкновенного  качества выплавляют только углеродистыми, качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными, а особо высококачественные — только легированными.

Для повышения степени  чистоты стали (по газам и сере) пользуются следующими металлургическими  приёмами: вакуумным, электрошлаковым, электронно-лучевым, плазменным и другими  переплавами; обработкой жидкой стали  синтетическими шлаками; методом внепечного вакуумирования расплава и др.

По степени раскисления стали классифицируют на кипящие, спокойные и полуспокойные. Раскисление - процесс удаления из жидкой стали кислорода. Сталь раскисляют перед разливкой, вводя в расплав элементы, которые связывают кислород в нерастворимые в металле оксиды и переводят их в шлак.

Кипящая сталь раскислена только марганцем, что недостаточно для полного удаления газов. При разливке и охлаждении кипящей стали выделяются пузырьки газов, создающие впечатление кипения металла. Слиток такой стали имеет большое количество газовых лор, поэтому в нем не образуется концентрированная усадочная раковина. При горячей прокатке слитка газовые поры завариваются. Кипящие стали наиболее дешёвые (вследствие меньшего расхода раскислителей), однако из-за повышенной газонасыщенности они хуже свариваются и более склонны к хрупкому разрушению, в том числе и при горячей обработке давлением.

Спокойную сталь  получают, раскисляя металл в печи, а затем в ковше марганцем, кремнием и алюминием. Спокойная  сталь затвердевает в изложнице  без выделения газов с образованием в верхней части слитка усадочной  раковины, которую впоследствии удаляют. Спокойная сталь более однородна  по химическому составу в слитке и содержит меньше растворённых газов. По сравнению с кипящей в спокойной стали выше концентрация кремния, она менее склонна к хрупкому разрушению.

Полуспокойная сталь  по степени раскисления, а следовательно, и по другим показателям занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

От способа раскисления стали зависит выход годного, который составляет, %: для спокойной стали — 85—90, полуспокойной — 90-95 и кипящей - 95-100.

По структурному признаку стали классифицируют в  отожжённом (равновесном) и нормализованном  состояниях.

По равновесной  структуре в отожжённом состоянии  различают шесть классов сталей:

доэвтектоидные, в структуре которых избыточный феррит присутствует наряду с перлитной составляющей;

эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

заэвтектоидные, в структуре которых кроме перлита содержатся избыточные карбиды вторичного происхождения (выделившиеся из аустенита);

ледебуритные, имеющие в структуре первичные карбиды эвтектического происхождения;

ферритные;

аустенитные.

Углеродистые стали  по равновесной структуре могут  быть первых трёх классов, а легированные — всех шести.

Углеродистые стали, в соответствии с диаграммой состояния  «железо - углерод», содержат следующее  количество углерода, %: доэвтектоидные - менее 0,8; эвтектоидная - 0,8; заэвтектоидные - свыше 0,8 (практически 0,8—2,14). Большинство легирующих элементов сдвигают точку S (0,8% С) на диаграмме состояния «железо - углерод» влево, т.е. в сторону меньшего содержания углерода. Это означает, что легированные стали могут относиться к сталям заэвтектоидного класса при меньшей, чем 0,8%, концентрации углерода. Например, сталь, содержащая 0,6% углерода, при введении 5% хрома становится заэвтектоидной, т.е. в её структуре появляется избыточный цементит вторичный.

По влиянию на полиморфизм железа легирующие элементы подразделяют на две группы: а- и у-стабилизаторы. Большинство элементов (Сг, W, Mo, V, Ti, Nb и др.) относятся к первой группе - они сужают область существования у-железа. Как следствие, при определённой концентрации легирующего элемента в стали отсутствует а <-> у превращение, и её структура представлена только ферритом.

При высоком содержании в сплаве легирующего элемента второй группы (например, марганца и никеля) аустенит существует как стабильная фаза от температуры плавления до комнатной - получается сталь аустенитного класса.

До определённой температуры, называемой точкой Кюри (768 °С), железо обладает способностью хорошо намагничиваться, выше - утрачивает это  качество. Как правило, сплавы на основе железа легко намагничиваются, за исключением  стали аустенитного класса, которая является немагнитным материалом.

По структуре после  нормализации (охлаждение на воздухе) выделяют три основных класса сталей: перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относятся углеродистые и низколегированные  стали, аустенит которых при охлаждении на воздухе распадается в перлитной  области.

Стали мартенситного  класса за счёт более высокой степени  легированности отличаются повышенной устойчивостью аустенита. При охлаждении на воздухе такие стали закаливаются на мартенсит.

К аустенитному классу относятся высоколегированные стали, имеющие повышенное содержание марганца и никеля (как правило, в сочетании с хромом), что смещает интервал мартенситного превращения в область минусовых температур. Как следствие, аустенитная структура сохраняется при комнатной температуре.

По методу формообразования изделий различают литую, кованую  и катаную стали. При одинаковом химическом составе литая сталь  отличается более низкими механическими  свойствами по сравнению с деформированной — кованой и катаной. Однако с помощью литейной технологии можно получать детали сложной формы с меньшими затратами.

Кованая сталь в  поковках и штамповках имеет наиболее однородные механические свойства. В отличие от кованой катаная сталь в прокате характеризуется различием механических свойств в продольном и поперечной направлениях, что называется анизотропией механических свойств. 

4. Классификация углеродистой стали  по назначению

По назначению стали  классифицируют на конструкционные, инструментальные и специального назначения (с особыми  свойствами).

Конструкционные стали  применяют в машиностроении и  строительстве для изготовления деталей машин, элементов конструкций  и сооружений. В зависимости от назначения и требуемых свойств  содержание углерода в различных  марках конструкционной стали изменяется в пределах от 0,05 (листовая) до 1% (подшипниковая). Важнейшими характеристиками сталей, по которым осуществляется их выбор, являются механические свойства и прокаливаемость.

Среди конструкционных  сталей различают цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, автоматные, рессорно-пружинные, подшипниковые и некоторые другие.

Инструментальные  стали служат для изготовления режущих, измерительных инструментов, штампов  холодного и горячего деформирования. Основным требованием, предъявляемым  к инструментальным сталям, является высокая твёрдость, в связи с чем они отличаются повышенным содержанием углерода (исключение — стали для горячештампового инструмента, подвергаемого в процессе эксплуатации значительным динамическим нагрузкам). При выборе марки инструментальной стали в первую очередь учитывается её теплостойкость (красностойкость), т.е. способность стали длительно сохранять структуру и свойства при повышенных температурах в результате нагрева инструмента в процессе работы. Теплостойкость создают специальной системой легирования инструментальных сталей и применением особых режимов термической обработки.