Материаловедение. Конспект лекций (сокращенный)

Специальность 260602.65 – Пищевая инженерия малых предприятий

Сталь – сплав железа с углеродом, при содержании последнего

С < 2,14%.

Сталь является основной продукцией чёрной металлургии, ≈90% всего выпуска составляет углеродистая сталь, и ≈10% легированная.

1 Классификация сталей

1.1 По структурному признаку различают следующие классы:

Сталь перлитного класса (перлитная сталь) – легированная сталь при охлаждении на воздухе имеет структуру перлита (сорбита, троостита). Марки сталей – Ст2, Ст3, 10,15, 15К, 20К, 15Л, 20Л, 09Г2С и др.

Сталь мартенситного класса ( мартенситная сталь) – легированная сталь при охлаждении на воздухе имеет структуру мартенсита. Марки сталей 15Х5, 15Х5М, 10Х8, 12Х8, 20Х5МЛ и др.

Мартенсит- пересыщенный твердый раствор углерода в α -железе. Различают мартенсит бесструктурный (безигольчатый), мелко – и крупноигольчатый.

Сталь карбидного класса - легированная сталь, структура которой, полученная после охлаждения на воздухе, содержит значительное количество карбидов, в зависимости от химического состава может быть сорбитной, мартенситной или аустенитной. Инструментальная сталь. Марки сталей Р18, Р6М5, Х6ВФ, Х9ВМФ и др.

Аустенит- твердый раствор углерода в γ – железе, немагнитен.

Сталь аустенитного класса (аустенитная сталь) – легированная сталь, сохраняющая при обычной температуре после охлаждения на воздухе структуру аустенита. Марки сталей 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 12Х18Н12М3ТЛ, 07Х13АГ20, 02Х8Н22С6-ВД, 02Х8Н22С6-Ш и др.

Сталь ферритного класса (ферритная сталь) – легированная сталь, в отожженном состоянии со структурой феррита с небольшим количеством цементита. Марки сталей – 08Х13, 08Х17Т, 15Х25, 15Х28 и др.

Феррит – твердый раствор углерода в α -железе. Различают феррит зернистый (полиэдрический), игольчатый и пластинчатый.

Цементит – карбид железа (Fe₃ C ). Различают цементит сфероидный и пластинчатый.

Сталь аустенитно-ферритная – легированная сталь, имеет после охлаждения на воздухе и сохраняет при обычных температурах структуру аустенита с небольшим количеством феррита. Марки сталей – 08Х22Н6Т, 08Х21Н16М2Т, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Г12С4ТЮ и др.

Сталь ферритно-перлитная – после охлаждения на воздухе имеет структуру феррита и перлита в различных сочетаниях. Марки сталей - 15ХСНД, 14ГНМА и др.

Перлит – механическая смесь (эвтектоид) феррита и цементита. Различают перлит пластинчатый и глобулярный (зернистый). Тонкодисперсные разновидности перлита называют сорбитом, трооститом.

Бейнит – игольчатый троостит, представляющий собой механическую смесь пересыщенного (по углероду) феррита и цементита.

Видманштеттова структура – ферритно-перлитная структура с игольчатой формой феррита, наблюдается на участках перегрева углеродистой стали, а также в металле сварного шва и участке перегрева зоны термического влияния сварных соединений углеродистых сталей.

1.2 По химическому составу сталь разделяют на углеродистую и легированную.

Углеродистую сталь по содержанию углерода делят на низкоуглеродистую (до 0,25% С), среднеуглеродистую (0,25 – 0,6 % С) и высокоуглеродистую (0,6 – 2,0 % С), другие постоянные элементы: марганец (не более 1,5) и кремний (менее 0,5 %); постоянные примеси – сера и фосфор, до 0,05 % каждого).

Легированную сталь разделяют на низколегированную( суммарное содержание легирующих элементов до 3,5%); среднелегированную (0,25 – 0,6 %С) и высоколегированную (более 10%). Легирующие элементы: марганец (более1% ), кремний (более 0,5% ), хром, никель, молибден, ванадий, титан и другие элементы.

1.3 По назначению сталь делят на строительную, конструкционную (машиностроительную), инструментальную и сталь с особыми свойствами (коррозионно-стойкую, жаропрочную, жаростойкую, радиационно-стойкую и др.)

1.4 По способу производства сталь делят на мартеновскую, конверторную и электропечную, выплавляемую в печах дуговых или индукционных высокочастотных вакуумно-дугового переплава, электрошлакового переплава и др.

1.5 По способу придания формы различают литую, кованую, прокатную, штампованную.

2 Обозначения сталей

В России и странах СНГ принята буквенно-цифровая система, согласно которой цифрами обозначается содержание элементов стали, а буквами - наименование элементов.

А – азот (в конце марки стали не ставят. 07Х13АГ20; А – сталь улучшенная по содержанию вредных примесей, например, серы и фосфора. (Букву А ставят в конце марки стали. 10ГН2МФА; 15Х2НМФАА; Б - ниобий; В – вольфрам; Г – марганец; Д – медь; Е – селен; К- кобальт; Л – литая сталь. ЦЛ – сталь литая центробежным способом. 15Х1М1Ф-ЦЛ ; М- молибден; Н – никель; Р – бор (в конце марки стали не ставят); Р – фосфор (ставят в конце марки стали); С – кремний; Т – титан; У - углерод; Ф – ванадий; Х – хром; Ц – цирконий.

Буквы (индексы) Ш, ВД, ВИ – сталь улучшенная - соответственно ЭШлаковым, вакуумно-дуговым и вакуумно-индукционным методами переплава.

02Х8Н22С6-Ш, 02Х8Н22С6-ВД .

В зависимости от назначения, стали маркируют буквами (индексами) и цифрами, указывающими области их использования и прочность. Так, углеродистая и низколегированная сталь для фасонного проката строительных конструкций ( ГОСТ 27772) имеет обозначение : буква С – строительная, цифры – предел текучести проката (С235). Буква К в конце марки – вариант химического состава (С435К).

Прокатную сталь для судостроения (ГОСТ 5521) маркируют следующим образом : буквы А, В, D, Е – сталь нормальной прочности (А32); сочетание букв с цифрами и индексом – сталь повышенной прочности (D27S, E40S)/

Стальной прокат повышенной прочности по ГОСТ 19281 маркируется классом прочности (265,295, 375,440 и др.).

Сталь, предназначенную для труб магистральных газонефтепроводов и технологических и промысловых трубопроводов, маркируют по классам прочности К34, К38, К42, К50, К52, К55, К60 ( ГОСТ 20295 ).

Арматурную углеродистую и низколегированную сталь для железо-бетонных конструкций маркируют по классам, например: А-I (A240), A-II (A300), A-III (A400), A-IV (A600), A-V(A-800), A-VI (A1000), где цифры – предел текучести (Па) стали.

В литературных источниках и на практике можно встретить устаревшую маркировку легированных сталей с буквами ЭИ – электросталь исследовательская, Э - электросталь пробная, ЭФ – электросталь жаропрочная и следующим за ними порядковыми номерами ( ЭИ 257, ЭП 184).

Углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-2005) имеет буквенно-цифровое обозначение : Ст - сталь; цифры от 0 до 6 – условный порядковый номер по содержанию углерода и др. химических элементов; степень раскисления стали : кп- кипящая, пс – полуспокойная, СП – спокойная

( Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп).

Углеродистую качественную конструкционную сталь обозначают двумя цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента (10,20); для котельной стали вводят букву К (15К,22К).

Инструментальные углеродистые стали:

• обладают высокой твёрдостью после закалки;

• применяют для изготовления инструментов (отвёрток, напильников, топоров…);

• эти стали содержат высокое кол-во углерода от 0,7% до 1,7%.

Маркировка: У7 (У8, У12, У13А):

• У7 – сталь углеродистая, инструментальная, с содержанием углерода в десятых долях % (0,7%)

• У13А -, высококачественная (содержит меньшее кол-во серы и фосфора).

Инструментальные легированные стали:

Основным требованием к сталям для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки инструмента в течение длительного времени. Чтобы режущая кромка была устойчива к истираниям, она должна иметь высокую твёрдость. В процессе резания металла кромка, для такого инструмента главное требование – сохранение твёрдости при длительном нагреве (теплостойкость). При работе штамповой оснастки большую роль играет вязкость материала. В этом случае, лучшей сталью считается сталь, у которой имеется наилучшее сочетание твёрдости.

Инструментальные стали общего назначения:

9ХС, ХВГ, ХВ5

9ХС – углерода 0,9%, хром и кремний по 1%;

Быстрорежущие стали:

• для изготовления режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания;

• должна обладать высокой горячей твёрдостью и красностойкостью.

Красностойкость создаётся за счёт легирования карбидообразующими элементами: вольфрам, молибден, хром, ванадий.

Маркировка: Р18, Р9, Р6М5К5.

Р – быстрорежущая сталь, 18% вольфрама, большое содержание углерода.

Все эти стали содержат углерод ≈1% и хром 3-5%

Из таких сталей изготавливают резцы, свёрла, фрезы.

3 Композиционные материалы.

• их называют материалами будущего;

• бывают многослойные и волокнистые;

• применение слоистых материалов позволяет в одном изделии получить сочетание различных свойств. Один слой, например, может обеспечивать прочность, другой – коррозийную стойкость;

• биметаллы сталь – титан, сталь – медь, могут использоваться для изготовления ёмкостей, труб, в которых контактирующий с агрессивной средой тонкий слой – нержавеющая сталь, цветные металлы, несущая часть – перлитная сталь.

• большое применение получили волокнистые композиты. Долговечность, прочность, термостойкость, сопротивление коррозии, как правило, выше чем у любого из компонентов; эти материалы используют в сверхзвуковых самолётах, в морской и космической технике; волокнистые композиты могут состоять из металлической основы и упрочняющего волокна различного происхождения. Ценное качество волокнистых композиций – высокое сопротивление наиболее опасным растягивающим напряжениям, это следствие того, что разрушение волокон носит локальный характер, пластичная матрица тормозит трещины, не даёт им слиться.

4 Стали с особыми свойствами:

- стали, способные сопротивляться коррозии и действию химически агрессивных сред.

Жаропрочные стали – стали, обладающие повышенными мех. свойствами при высоких t⁰.

Жаропрочность – способность материала противостоять мех. нагрузкам при высоких t-ах. Чем выше t-плавления сплава, тем выше его жаропрочность.

12ХМ, 12Х13, 12Х12В2МФ

0,12% углерода, 1% хрома…

Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению при высоких t-ах.

Чтобы получить это свойство в сталь вводят раскислители: Al, кремний, хром, кот. взаимодействуя с кислородом образуют плёнку окислов на поверхности детали, эта плёнка предохраняет сталь от дальнейшего окисления.

12Х17, 12Х18Н9, ХН45Ю (хром 1%, Ni 45%, Al 1%).

Нержавеющие стали:

• углеродистые стали, устойчивые против коррозии в атмосфере и воде. Добавление в них хрома способствует повышению коррозионной стойкости;

• сплавы, содержащие более 12% хрома – не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот и щелочей; МКК;

• хорошо свариваются контактной сваркой;

• применяют в пищевой промышленности;

• часто для улучшения мех. свойств в нержавеющую сталь вводят никель.

Стали ферритного класса ( нержавеющие, не магнитные) 08Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13

0,08% углерода, 13% хрома.

Криогенные стали:

• материалы для машин и оборудования предназначенных для получения, перевозки и хранения сжиженных газов.

• такие стали содержат большое кол-во никеля;

ОН6 (О – криогенная, 6% никеля).

Износостойкие стали:

• чаще всего эти стали применяются в литом, кованом состоянии, т.к. они плохо подвергаются обработке резанием;

• наиболее распространена высокомарганцевая сталь марки 110Г13Л (ковши землеройных машин, гусеницы для тракторов);

5. Конструкционные углеродистые стали.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются: - углеродистые стали обыкновенного качества и качественные.

Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих

марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп,

Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы «Ст» обозначают «Сталь», цифры - условный номер марки в зависимости от химического состава, буква «Г» - марганец при его массовой доле в стали 0,80 % и более, буквы «кп», «пс», «сп» - степень раскисления стали: «кп» - кипящая, «пс» - полуспокойная, «сп» - спокойная.

Маркировка:

Ст1кп (Ст – сталь углеродистая обыкновенного качества, 1 – условный номер, кп - кипящая).

Качественные углеродистые конструкционные стали:

Отличаются от сталей обыч.кач. более точным хим. составом, меньшим содержанием серы (<0,04%), фосфора и других вредных примесей.

• подразделяются на низкоуглеродистые (<0,3% С, малопрочные, высокопластичные, шайбы, втулки, оси);

• среднеуглеродистые (0,3…0,55% С, более прочные и менее пластичные, детали машин);

• углеродистые (0,6…0,85%С, прочные с высокими упругими свойствами, износостойкостью, рессоры, пружины). Они обладают высокой горячей пластичностью, хорошо обрабатываются резанием.

Маркировка: Сталь 20 ГОСТ 1050-88 (сталь углеродистая качественная конструкционная. ТУ)

Качественные углеродистые стали применяются для изготовления деталей машин, подвергаются термической и химико-термической обработки.

9. Инструментальные твёрдые стали.

• изготавливаются методом порошковой металлургии.

• 3 группы инструментальных твёрдых сплавов:

Вольфрамовые:

ВК3 – кобальта 3%, остальное карбид вольфрама, ВК6 – кольта 6%, остальное карбид вольфрама, ВК20 – кобальта 20%, остальное карбид вольфрама.

Свойства: твёрдость ВК3 HRA/90, ВК6 HRA/89, ВК HRA/83

Титано-вольфрамовые:

Т5К10 (кобальта 10%, карбида титана 5%, остальное карбид вольфрама); Т15К6 (кобальта 6%, карбида титана 15%, - // -); Т30К4 (кобальта 4%, карбида титана 30%, - // -).

Чем больше кобальта, тем меньше твёрдость.

Т5К10 HRA/89; Т15К6 HRA/90.

Титано-вольфрамо-танаталовые:

ТТ7К12 (кобальта 12%, карбида титана 4%, карбида тантала 3%, остальное карбид вольфрама)

Применение:

• основано на использовании таких свойств, как высокая теплостойкость, высокая твёрдость;

• эти стали – основной материал для изготовления металлорежущего инструмента (рабочая часть резцов, свёрл, фрез);

• изготавливают рабочие части пресс форм в порошковой металлургии с целью повышения их долговечности;

• в некоторых случаях, при изготовлении ответственных деталей наиболее нагруженных узлов, твёрдые сплавы применяют как конструкционный материал.