Міністерство освіти і науки України
Донбаський державний технічний університет
Інститут підвищення кваліфікації
КОНТРОЛЬНА РОБОТА
по Металознавству
на тему
В«Вплив вуглецю і постійних домішок на структуру і властивості сталей В»
Алчевськ 2009
1. Загальна характеристика складу вуглецевих сталей
Вуглецеві сталі є основною продукцією чорної металургії (90%).
Стали (Вуглецеві) є багатокомпонентними сплавами. Крім основи - заліза (від 97,0 до 99,5% Fe) і вуглецю (до 2,14%), маються ряд домішок: Mn, Si, S, P, O, N, H і ін
Наявність Mn, Si обумовлено технологічними особливостями виробництва (потрапляють в сталь в процесі розкислення).
Наявність P, S, O, N, H зумовлена ​​неможливістю повного видалення їх з металу при виплавці.
Випадкові домішки Ni, Cr, Cu та ін - потрапляють з легованого металевого брухту.
Вуглець вводиться в просту вуглецеву сталь спеціально.
Вуглець сильно впливає на властивості стали навіть при незначній зміні його змісту.
Т.ч., вуглець є основним елементом, за допомогою якого змінюються властивості сплаву на основі заліза.
2. Вплив вуглецю на властивості стали
Зі зміною вмісту вуглецю змінюється структура сталі. Залежно від змісту вуглецю вона може мати наступний вигляд:
<0,8% C - Ф + П
0,81% C - П (100%)
> 0,81% C - П + Ц II .
Маючи різну структуру, всі стали складаються тільки з двох фаз: Ф і Ц.
Кількість цементиту зростає в сталі прямо пропорційно вмісту вуглецю.
Ферит (Ф) - м'яка, пластична фаза, твердість по Брінеллю - 80-90 НВ.
Цементит (Ц) - Тверда і крихка фаза 1000-1100 НV (> 800 НВ), (НВ і НV - близькі за значенням).
Технічно чисте залізо - м'яке, не містить Ц або має Ц III (його максимальне утримання в технічно чистому залозі може досягати - 0,29%).
У доевтектоїдних сталях з'являється цементит входить до перліт (Ф + Ц), отже твердість буде зростати.
У евтектоїдной стилі - цементиту в перліті міститься 12%, решта ферит.
У заевтектоідной стали з'являється Ц II - 20,4%, а також цементит входить до перліт ~ 10%, т.о.всего його близько 30%.
Отже, чим більше% С в сталі, тим кількість фериту зменшується, а кількість цементиту збільшується.
Зі збільшенням в сталі вуглецю зростає твердість, межі міцності і текучості і зменшуються відносне подовження, відносне звуження і ударна в'язкість.
Твердість лінійно підвищується з збільшенням вуглецю (рис. 1).
Межа міцності (ОЈ В ) до 0,8 - 0,9% С зростає лінійно, при подальшому збільшенні вуглецю, тобто заевтектоідних сталей, відбувається виділення надлишкового цементиту (Ц II ) по кордонах колишнього зерна аустеніту, що утворює суцільну сітку (шкаралупу) - дуже тверду і дуже тендітну, що і призводить до зниження межі міцності (при розтягуванні в сітці виникають напруги, що призводять до руйнуванню).
Відносне подовження (Оґ,%), відносне звуження (П€,%) по мірі збільшення вуглецю безперервно знижуються (рис. 1).
Істотне вплив вуглецю на в'язкі властивості. Ударна в'язкість (KCU) характеризує опір металу крихкому руйнуванню (поширенню тріщин).
Ударна в'язкість (KCU) по мірі збільшення вмісту вуглецю до 0,6% різко знижується.
Малюнок 1.
Відступ:
Малюнок 2.
Чим більше ударна в'язкість (KCU), тим більш в'язкий зразок (метал).
Підвищення вмісту вуглецю полегшує перехід стали в хладноломкость стан. Вплив вуглецю на хладноломкость заліза наведено на (рис. 3).
Кожна 0,1% С підвищує температуру порогу холодноламкості Т П.Х. в середньому на 20 Лљ С і розширює перехідний інтервал від в'язкого до крихкого стану.
Малюнок 3. Вплив вуглецю на хладноломкость заліза
Температура переходу з в'язкого в крихке стан (рис. 4):
Малюнок 4. Перехід з в'язкого в крихке стан
Т П.Х. - температура переходу з в'язкого в крихке стан.
Поріг холодноламкості - температурний інтервал зміни характеру руйнування від в'язкого до крихкого.
3. Вплив кремнію і марганцю
Кремній (Si) і марганець (Мn) переходять в сталь в процесі її розкислення при виплавці. Вони раскисляют сталь, тобто з'єднуючись з киснем закису заліза FeO, у вигляді оксидів переходять в шлак:
2FeO + Si = 2Fe + SiO,
FeO + Mn = Fe + MnO.
Частково Si u Mn залишаються в сталі:
Si - 0,35 - 0,4%,
Mn - 0,5 - 0,8%.
Видаляючи Про 2 - Si і Mn - підвищують щільність металу (зливка).
Si - сильно підвищує межа плинності, знижує пластичність (сталі з високим вмістом Si не годяться до глибокої, холодної витяжці). Тому стали призначені для холодного штампування і холодної висадки повинні містити мінімальну кількість Si.
Mn - помітно підвищує міцність Пѓ в , Пѓ т , практично не знижуючи пластичності. Різко зменшує красноломкость стали.
4. Вплив сірки
Сірка (S) є шкідливою домішкою. Потрапляє в сталь із чавуну (із золи і руди).
Зміст сірки:
S - 0,035 - 0,06% (0,018% S - якісна сталь). Сірка утворює із залізом з'єднання FeS. Це з'єднання утворюють з залізом легкоплавку евтектику з температурою плавлення - Т пл = 988 Лљ С.
Наявність евтектики викликає красноломкость, тобто крихкість при високих температурах. При нагріванні до 1000-1200 Лљ С евтектика, що розташовує по межах зерен, розплавляється і при деформації (ОМД) в сталі виникають надриви і тріщини.
Вивозять сірку із сталі за допомогою марганцю. Марганець володіє більшою спорідненістю до сірки, ніж залізо, і утворює з'єднання MnS з високою температурою плавлення Т пл = 1620 Лљ С:
FeS + Mn в†’ MnS + Fe.
Сірка та її з'єднання при кімнатних і знижених температурах сприяє зниженню ударної в'язкості сталі, т. к. руйнування металу йде по сульфідним включень (тому ударна в'язкість металу (KCU) знижується) (рис. 5).
Малюнок 5. Вплив сірки на в'язкі властивості стали
Також сірка знижує пластичність - Оґ, П€%.
Сірчисті включення погіршують зварюваність і корозійну стійкість. Сірка полегшує оброблюваність різанням.
5. Вплив фосфору
Фосфор (Р) є шкідливою домішкою. Міститься в межах 0,025-0,045% Р. Потрапляє в сталь в процесі виробництва з руди, палива, флюсів.
Розчиняючись в фериті, фосфор сильно спотворює решітку і збільшує межі міцності і текучості, але зменшує пластичність і в'язкість.
Зниження в'язкості тим значніше, чим більше в сталі фосфору.
Фосфор значно підвищує порігхладноломкості.
Кожна 0,01% Р підвищує порігхладноломкості стали на 20 - 25 Лљ С (для вуглецю таке ж вплив робить кожна 0,1%).
Фосфор володіє великою схильністю до ліквації (неоднорідність розподілу). Фосфор скупчується в серединних шарах злитка, по межах зерен, сильно знижуючи ударну в'язкість.
Фосфор (Р) - підсилює ковалентний (тендітну) зв'язок і послаблює металеву. З пониженням температури крихкість металу збільшується (хладноломкость) (рис. 6). Фосфор полегшує оброблюваність стали ріжучим інструментом (створюючи крихкість). Спільне присутність в сталі фосфору і міді (Р + Сu) - підвищує опір корозії.
Малюнок 6. Вплив фосфору на хладноломкость сталі (0,2% С, 1% Mn)
6. Вплив азоту, кисню і водню
Кисень (О 2 ): утворює неметалеві включення оксиди - FeO, MnO, Al 2 O 3 , SiO 2 .
Азот (N 2 ): утворює нітриди - Fe 4 N, Fe 2 N, AlN.
Кисень і азот у вільному вигляді розташовуються в раковинах, тріщинах та ін Ці включення значно зменшують ударну в'язкість, підвищують порігхладноломкості і зменшують пластичність, при цьому підвищується міцність сталі (рис. 7).
Малюнок 7. Вплив домішок впровадження кисню (а) і азоту (б) на в'язкі властивості заліза
Водень (Н 2 ): при затвердінні частина водню в атомарному стані залишається в стали. При переході атомарного водню в молекулярний підвищується тиск до 150 МПа, утворюючи еліпсоподібні западини - флок, які є невиправним шлюбом. Флок сприяють сильному охрупчіванію стали.
Частково видалити водень з поверхневого шару можна шляхом нагрівання до 150-180 Лљ С, найкраще у вакуумі ~ 10 -2 - 10 -3 мм. рт. ст. або нагрів до 800 Лљ С і витримці, водень йде і залишається чистий метал.
7. Домішки кольорових металів
Домішки: Cu, Pb, Zn, Sb, Sn та ін Потрапляють в сталь в процесі переплавлення побутового та машинобудівного брухту. Їх зміст невелика - соті і навіть тисячні частки відсотка (крім міді - Cu ≈ 0,1 - 0,2%).
Ці домішки надають незначний вплив на механічні властивості. При точних дослідженнях виявлено, що вони підвищують порігхладноломкості. Наприклад, кожна 0,01% домішки підвищує порігхладноломкості на наступну величину: O 2 - +15 Лљ C; N 2 - + 10 Лљ C; C - +2 Лљ C; P - +7 Лљ C; Cu - +1 Лљ C; Sn - +30 Лљ C; Zn - +30 Лљ C; Sb - +20 Лљ C).
Література
1. Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство. М., 1972, 1980.
2. Гуляєв А.П. Металознавство. М., 1986.
3. Антікайнен П.А. Металознавство. М., 1972.