Содержание
4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы. Материаловедение: конспект лекций [litres]
4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы. Материаловедение: конспект лекций [litres]
ВикиЧтение
Материаловедение: конспект лекций [litres]
Алексеев Виктор Сергеевич
Содержание
4. Классификация сплавов. Железо и его сплавы
Сталь и чугун – основные материалы в машиностроении. Они составляют 95 % всех используемых в технике сплавов.
Сталь – это сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий до 2,14 % углерода. Углерод – важнейшая примесь стали. От его содержания зависят прочность, твердость и пластичность стали. Кроме железа и углерода, в состав стали входят кремний, марганец, сера и фосфор. Эти примеси попадают в сталь в процессе выплавки и являются ее неизбежными спутниками.
Чугун – сплав на железной основе. Отличие чугуна от стали заключается в более высоком содержании в нем углерода – более 2,14 %. Наибольшее распространение получили чугуны, содержащие 3–3,5 % углерода. В состав чугунов входят те же примеси, что и в стали, т. е. кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны, у которых весь углерод находится в химическом соединении с железом, называют белыми (по виду излома), а чугуны, весь углерод которых или большая его часть представляет графит, получили название серых. В белых чугунах всегда имеется еще одна структурная составляющая – ледебурит. Это эвтектика, т. е. равномерная механическая смесь зерен аустенита и цементита, получающаяся в процессе кристаллизации, в ней 4,3 % углерода. Ледебурит образуется при температуре +1147 °C.
Феррит – твердый раствор небольшого количества углерода (до 0,04 %) и других примесей в? – железе. Практически это чистое железо. Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа.
Перлит – равномерная механическая смесь в сплаве феррита и цементита. Такое название эта смесь получила потому, что шлиф при ее травлении имеет перламутровый оттенок. Так как перлит образуется в результате процессов вторичной кристаллизации, его называют эвтектоидом. Он образуется при температуре +727 °C. В нем содержится 0,8 % углерода.
Перлит имеет две разновидности. Если цементит в нем расположен в виде пластинок, его называют пластинчатым, если же цементит расположен в виде зерен, перлит называют зернистым. Под микроскопом пластинки цементита кажутся блестящими, потому что обладают большой твердостью, хорошо полируются и при травлении кислотами разъедаются меньше, чем пластинки мягкого феррита.
Если железоуглеродистые сплавы нагреть до определенных температур, произойдет аллотропическое превращение ? —железа в ? —железо и образуется структурная составляющая, которая называется аустенитом.
Аустенит представляет собой твердый раствор углерода (до 2,14 %) и других примесей в ? —железе. Способность углерода
растворяться в железе неодинакова при различных температурах. При температуре +727 °C ? —железо может растворять не более 0,8 % углерода. При этой же температуре происходит распад аустенита с образованием перлита. Аустенит – мягкая структурная составляющая. Он отличается большой пластичностью, не обладает магнитными свойствами.
При изучении структурных составляющих железоуглеродистых сплавов установлено, что они при комнатной температуре всегда состоят из двух структурных элементов: мягкого пластичного феррита и твердого цементита, упрочняющего сплав.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
«Белое железо» индийского царя Пора
«Белое железо» индийского царя Пора
Во второй половине I тысячелетия до нашей эры железо знали уже многие страны и народы. Из него изготовляли плуг и топор, кинжал и меч. Оружейники старались сделать кинжалы, мечи прочными и упругими, твердыми и острыми. В древности это
Железо
Железо
Оно было известно уже в древности. А в Средневековье различали не только сталь, железо и чугун, но и различные их марки. Например, клинки оружия могли изготавливаться из обычной стали или из дамасской – знаменитого булата. Кузнецы того времени, конечно же, не знали,
Медь и сплавы
Медь и сплавы
Довольно часто домашние слесари отдают предпочтение меди (удельный вес 9,0 г/см2), поскольку ее мягкость и пластичность позволяют добиваться точности и высокого качества при изготовлении всевозможных деталей и изделий.Чистая (красная) медь – прекрасный
Пар и железо
Пар и железо
В последние десятилетия XVIII века на заводах и фабриках Европы произошли большие изменения. Были изобретены паровая и другие машины для металлургических, машиностроительных и текстильных заводов и фабрик. Машинное производство вытесняло ручной труд. На
ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы
ЛЕКЦИЯ № 5. Сплавы
1. Строение металлов
Металлы и их сплавы – основной материал в машиностроении. Они обладают многими ценными свойствами, обусловленными в основном их внутренним строением. Мягкий и пластичный металл или сплав можно сделать твердым, хрупким, и наоборот.
1. Диаграмма железо—цементит
1. Диаграмма железо—цементит
Диаграмма железо—цементит охватывает состояние железоуглеродистых сплавов, которые содержат до 6,67 % углерода.
Рис. 7. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (сплошные линии – система Fe—Fe 3 C; штриховые – система Fe—C)Углеродистые
2.
Медные сплавы
2. Медные сплавы
Медь относится к числу металлов, известных с глубокой древности. Раннему знакомству человека с медью способствовало то, что она встречается в природе в свободном состоянии в виде самородков, которые иногда достигают значительных размеров. В настоящее
3. Алюминиевые сплавы
3. Алюминиевые сплавы
Название «алюминий» происходит от латинского слова alumen – так за 500 лет до н. э. называли алюминиевые квасцы, которые использовались для протравливания при крашении тканей и дубления кож.По распространенности в природе алюминий занимает третье
4. Титановые сплавы
4. Титановые сплавы
Титан – металл серебристо—белого цвета. Это один из наиболее распространенных в природе элементов. Среди других элементов по распространенности в земной коре (0,61 %) он занимает десятое место. Титан легок (плотность его 4,5 г/см 3), тугоплавок
5. Цинковые сплавы
5. Цинковые сплавы
Сплав цинка с медью – латунь – был известен еще древним грекам и египтянам. Но выплавка цинка в промышленных масштабах началась лишь в XVII в.Цинк – металл светло—серо—голубоватого цвета, хрупкий при комнатной температуре и при 200 °C, при нагревании до
Железо общее
Железо общее
Железо – один из самых распространенных элементов в природе. Его содержание в земной коре составляет около 4,7 % по массе, поэтому железо, с точки зрения его распространенности в природе, принято называть макроэлементом.В природной воде железо содержится в
7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы
7.4. Сплавы меди, имитирующие золотые и серебряные сплавы
С целью удешевления художественных изделий при производстве недорогих украшений широко используются томпак, латунь, мельхиор, нейзильбер; при изготовлении художественных изделий – бронзы. Сплавы меди с цинком,
10. Серебро и его сплавы
10. Серебро и его сплавы
Серебро – химический элемент, металл. Атомный номер 47, атомный вес 107,8. Плотность 10,5 г/см3. Кристаллическая решетка – гранецентрированная кубическая (ГЦК). Температура плавления 963 °C, кипения 2865 °C. Твердость по Бринеллю 16,7.Серебро – металл белого
11. Золото и его сплавы
11. Золото и его сплавы
Золото – химический элемент, металл. Атомный номер 79, атомный вес 196,97, плотность 19,32 г/см3. Кристаллическая решетка – кубическая гранецентрировапная (ГЦК). Температура плавления 1063 °C, кипения 2970 °C. Твердость по Бринеллю – 18,5.Золото – металл желтого
27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей.
Определение содержания углерода в стали по структуре
27. Строение и свойства железа; метастабильная и стабильная фазовые диаграммы железо-углерод. Формирование структуры углеродистых сталей. Определение содержания углерода в стали по структуре
Сплавы железа с углеродом являются самыми распространенными металлическими
47. Титан и его сплавы
47. Титан и его сплавы
Титан и сплавы на его основе обладают высокой коррозионной стойкостью и удельной прочностью. Недостатки титана: его активное взаимодействие с атмосферными газами, склонность к водородной хрупкости.Азот, углерод, кислород и водород, упрочняя титан,
состав, структура, свойства, сферы применения, производство
Главная » Сплавы » Виды и характеристики сплавов железа
На чтение 5 мин
Содержание
- Состав и свойства
- История открытия
- Сферы применения
- Разновидности сплавов на основе железа
- Состав и структура сплавов
- Свойства и маркировка сплавов
- Производство и обработка сплавов на основе железа
Железо считается самым популярным материалом. Его используют во всех отраслях промышленности. Людям этот металл знаком с глубокой древности. Когда кузнецы научились получать чистый материал, он превзошёл известные на то время сплавы, вытеснил их из производства. Сплавы железа появились в результате попыток людей изменить характеристики этого металла.
Сплав железа
Состав и свойства
Строение и свойства железа обуславливают его популярность относительно разных отраслей промышленности. Состав представляет собой основной материал с примесями другим веществ. Количество дополнительных металлов не превышает 0,8%. К основным параметрам относятся:
- Температура плавления — 1539 градусов по Цельсию.
- Твердость по Бринеллю — 350–450 Мн/кв. м.
- Удельная масса — 55,8.
- Плотность — 7,409 г/куб см.
- Теплопроводность — 74,04 Вт/(м·К) (при комнатной температуре).
- Электропроводность — 9,7·10-8 ом·м.
Нельзя забывать, что железо считается одним из важнейших элементов в организме человека.
Однако он крайне сложно усваивается из пищи. Суточная норма, которую должен употреблять мужчина — 10 мг. Женщины должны потреблять 20 мг этого вещества, чтобы организм работал нормально.
История открытия
Из школьного курса все помнят «железный век». Это период истории, когда человек впервые научился получать этот металл из руды. Железный век приходится на период с 9 по 7 век до нашей эры. Этот металл оказал огромное влияние на развитие людей того времени. По своим характеристикам он вытеснил смеси цветных металлов. Из него изготавливали орудия труда, оружие, доспехи, материалы для строительства и многое другое. Постепенно кузнецы начали смешивать его с другими металлами, чтобы получить новые материалы. Так появлялись новые сплавы.
Сферы применения
Этот материл применяется в разных отраслях промышленности:
- Смеси и однородный металл применяются в машиностроении. Из них изготавливаются внутренние детали, корпуса, подвижные механизмы.
- Судостроение, самолётостроение, ракетостроение.
- Строительство — изготовление крепежей, расходных материалов.
- Приборостроение — изготовление электроники для дома.
- Радиоэлектроника — создание элементов для электроприборов.
- Медицина, станкостроение, химическая промышленность.
- Изготовление оружия.
Если для чего-то не подходит однородный материал, подойдут соединения на его основе, характеристики которых значительно отличаются.
Разновидности сплавов на основе железа
Сплав железа — это соединение, которое состоит из основного металла и дополнительных примесей. Соединения на основе этого материала называются чёрными металлами. К ним относятся:
- Сталь — соединение углерода с другими элементами. Углерода в составе сплава может содержаться до 2.14%. Выделяют конструкционные углеродистые, строительные, специальные и легированные стали.
- Чугун — смесь, которая пользуется огромной популярностью. Соединения могут содержать до 3,5% углерода. Дополнительно смеси содержать марганец, фосфор, серу.
- Перлит — смесь на основе железа. Содержит не более 0.8% углерода.
- Феррит — его называют чистым материалом. Связанно это с низким содержанием углерода, сторонних примесей (около 0.04%).
- Цементит — химическое соединение железа с углеродом.
- Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2.14%. Дополнительно имеет сторонние примеси.
Легированная сталь
Состав и структура сплавов
Из-за большого количество соединений на основе железа была разработана маркировка, по которой можно отделить стали с высоким содержанием углерода от менее углеродистых, определить наличие основных легирующих элементов в составе материала, их количество. Зависимо от количества дополнительных элементов изменяются свойства соединений. К ним относится бор, ванадий, молибден, марганец, титан, углерод, хром, никель, кремний, вольфрам.
Характеристики смесей зависят от их структуры, состава. От этого изменяется прочность, пластичность, температура плавления, плотность, электропроводность и другие параметры. Например, структура чугуна определяет его хрупкость при ударах, больших физических нагрузках.
Свойства и маркировка сплавов
Относительно маркировки, первые цифры, которые идут на маркировке, говорят о процентном содержании углерода в составе. Далее идут заглавные буквы основных легирующих элементов. Начало маркировки могут начинать дополнительные буквы. Они указывают на назначение сплава.
Пластичность и вязкость будут уменьшаться при повышении количества углерода в составе сплава. На другие свойства металлов влияют основные легирующие элементы.
Производство и обработка сплавов на основе железа
Чтобы понять, как получают популярные соединения на основе железа, нужно кратко поговорить о технологиях получения чугуна, стали. Получить сталь можно несколькими способами:
- Прямая технология. Окатышки железной руды продуваются смесью угарного газа, кислорода аммиака. Процедура проводиться в шахтной печи разогретой до 1000 градусов.
- Мартеновский метод.
Твердый чугун переплавляют с помощью мартеновских печей. Прежде чем закончить процедуру материал насыщается примесями.
- Электроплавильный способ. С его помощью получают высококачественный материал. Обработка проводится в закрытых печах при температуре до 2200 градусов.
- Кислородно-конверторный метод. Чугун, расположенный в печи, обдувается смесью кислорода с воздухом, что ускоряет процесс отжига.
Производство чугуна:
- Подготовка руды. Она дробится до мелкой фракции.
- Измельчение коксового угля.
- Дробление флюса.
- Загрузка в печь.
Для изготовления чугуна используются доменные печи.
Помимо процессов производства смесей, их подвергают дополнительно обработке. Это отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Характеристики улучшаются.
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Поделиться
Классификация углеродистых и низколегированных сталей
Американский институт чугуна и стали (AISI) определяет углеродистую сталь следующим образом: Сталь считается углеродистой сталью, если не указано или не требуется минимальное содержание хрома, кобальта, колумбия [ниобия], молибдена, никеля, титана, вольфрама, ванадия или цирконий или любой другой элемент, добавляемый для получения желаемого эффекта сплавления; когда установленный минимум по меди не превышает 0,40 процента; или когда максимальное содержание, указанное для любого из следующих элементов, не превышает указанных процентов: марганец 1,65, кремний 0,60, медь 0,60.
Стали можно классифицировать по различным системам в зависимости от:
- Состав, например, из углеродистой, низколегированной или нержавеющей стали.
- Методы производства, такие как мартеновский, основной кислородный процесс или методы в электропечах.
- Метод отделки, такой как горячая прокатка или холодная прокатка
- Форма продукта, такая как стержневая пластина, лист, полоса, труба или структурный профиль
- Практика раскисления, такая как раскисленная, полуспокойная сталь, сталь с крышкой или окантовкой
- Микроструктура, такая как ферритная, перлитная и мартенситная
- Требуемый уровень прочности в соответствии со стандартами ASTM
- Термическая обработка, такая как отжиг, закалка и отпуск, а также термомеханическая обработка
- Дескрипторы качества, такие как качество ковки и товарное качество.
.
Углеродистая сталь
Американский институт чугуна и стали (AISI) определяет углеродистую сталь следующим образом:
Сталь считается углеродистой, если не указано или не требуется минимальное содержание хрома, кобальта, колумбия [ниобия], молибдена, никеля, титана, вольфрама, ванадия или циркония или любого другого элемента, добавляемого для получения желаемого эффекта легирования. ; когда установленный минимум по меди не превышает 0,40 процента; или когда максимальное содержание, указанное для любого из следующих элементов, не превышает указанных процентов: марганец 1,65, кремний 0,60, медь 0,60.
Углеродистая сталь может быть классифицирована в соответствии с различными методами раскисления как сталь с каймой, с крышкой, полуспокойная или спокойно. Практика раскисления и процесс производства стали будут влиять на свойства стали. Однако изменения в углероде оказывают наибольшее влияние на механические свойства, при этом увеличение содержания углерода приводит к увеличению твердости и прочности. Таким образом, углеродистые стали обычно классифицируют в зависимости от содержания углерода. Вообще говоря, углеродистые стали содержат до 2% всех легирующих элементов и могут быть подразделены на низкоуглеродистые стали, среднеуглеродистые стали, высокоуглеродистые стали и сверхвысокоуглеродистые стали; каждое из этих обозначений обсуждается ниже.
Как группа, углеродистые стали являются наиболее часто используемыми сталями. Более 85% стали, производимой и поставляемой в США, составляет углеродистая сталь.
Низкоуглеродистые стали содержат до 0,30 % С. Самой большой категорией стали этого класса является плоский прокат (листовой или полосовой), обычно в холоднокатаном и отожженном состоянии. Содержание углерода в этих сталях с высокой формуемостью очень низкое, менее 0,10% C и до 0,4% Mn. Типичное использование — в панелях кузова автомобиля, белой жести и изделиях из проволоки.
Для стальных конструкционных листов и профилей содержание углерода может быть увеличено примерно до 0,30 %, а более высокое содержание марганца — до 1,5 %. Эти материалы могут быть использованы для штамповок, поковок, бесшовных труб и котельных плит.
Среднеуглеродистые стали аналогичны низкоуглеродистым сталям, за исключением того, что содержание углерода составляет от 0,30 до 0,60 %, а марганца — от 0,60 до 1,65 %. Увеличение содержания углерода примерно до 0,5 % с сопутствующим увеличением содержания марганца позволяет использовать среднеуглеродистые стали в закаленном и отпущенном состоянии. Использование среднеуглеродистых марганцевых сталей включает валы, оси, шестерни, коленчатые валы, муфты и поковки. Стали с содержанием углерода от 0,40 до 0,60% также используются для изготовления рельсов, железнодорожных колес и железнодорожных осей.
Высокоуглеродистые стали содержат от 0,60 до 1,00% С с содержанием марганца от 0,30 до 0,90%. Высокоуглеродистые стали используются для пружинных материалов и высокопрочной проволоки.
Сверхвысокоуглеродистые стали представляют собой экспериментальные сплавы, содержащие от 1,25 до 2,0% С. Эти стали подвергаются термомеханической обработке для получения микроструктуры, состоящей из сверхмелких равноосных зерен сферических, прерывистых доэвтектоидных карбидных частиц.
Высокопрочные низколегированные стали
Высокопрочные низколегированные (HSLA) стали или микролегированные стали предназначены для обеспечения лучших механических свойств и/или большей устойчивости к атмосферной коррозии, чем обычные углеродистые стали в обычном смысле, поскольку они предназначены для удовлетворения конкретных механических свойств, а не химический состав.
Стали HSLA имеют низкое содержание углерода (0,05-0,25% C) для обеспечения адекватной формуемости и свариваемости, а также содержание марганца до 2,0%. Небольшие количества хрома, никеля, молибдена, меди, азота, ванадия, ниобия, титана и циркония используются в различных комбинациях.
Классификация HSLA:
- Атмосферостойкие стали , предназначенные для обеспечения превосходной стойкости к атмосферной коррозии
- Стали с контрольным прокатом , горячекатаные по заданному графику прокатки, предназначенные для образования сильно деформированной аустенитной структуры, которая при охлаждении превращается в очень тонкую равноосную ферритную структуру
- Стали с пониженным содержанием перлита , упрочненные очень мелкозернистым ферритом и дисперсионным твердением, но с низким содержанием углерода и, следовательно, небольшим количеством перлита или его отсутствием в микроструктуре
- Стали микролегированные с очень небольшими добавками таких элементов, как ниобий, ванадий и/или титан для уменьшения размера зерна и/или дисперсионного твердения
- Сталь с игольчатым ферритом , очень низкоуглеродистая сталь с достаточной прокаливаемостью для превращения при охлаждении в очень мелкую высокопрочную структуру игольчатого феррита, а не в обычную полигональную ферритную структуру
- Двухфазные стали , переработанные до микроструктуры феррита, содержащей небольшие равномерно распределенные области высокоуглеродистого мартенсита, в результате чего получается продукт с низким пределом текучести и высокой скоростью деформационного упрочнения, что обеспечивает получение высокопрочной стали превосходной формуемости.
Различные типы сталей HSLA могут также иметь небольшие добавки кальция, редкоземельных элементов или циркония для контроля формы сульфидных включений.
Низколегированные стали
Низколегированные стали представляют собой категорию черных металлов, которые обладают механическими свойствами, превосходящими простые углеродистые стали в результате добавок легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден. Общее содержание сплава может варьироваться от 2,07 % до уровня чуть ниже, чем у нержавеющих сталей, которые содержат минимум 10 % 9.0039 Кр .
Для многих низколегированных сталей основной функцией легирующих элементов является повышение прокаливаемости с целью оптимизации механических свойств и ударной вязкости после термической обработки. Однако в некоторых случаях добавки к сплаву используются для уменьшения ухудшения состояния окружающей среды при определенных условиях эксплуатации.
Как и стали в целом, низколегированные стали можно классифицировать в соответствии с:
- Химический состав , такие как никелевые стали, никель-хромовые стали, молибденовые стали, хромомолибденовые стали
- Термическая обработка , такая как закалка и отпуск, нормализация и отпуск, отжиг.
Из-за большого разнообразия возможных химических составов и того факта, что некоторые стали используются более чем в одном термообработанном состоянии, среди классификаций легированных сталей существует некоторое совпадение. В этой статье рассматриваются четыре основные группы легированных сталей: (1) низкоуглеродистые закаленные и отпущенные (QT) стали, (2) среднеуглеродистые сверхвысокопрочные стали, (3) подшипниковые стали и (4) жаропрочные стали. стойкие хромомолибденовые стали.
Низкоуглеродистые закаленные и отпущенные стали сочетают в себе высокий предел текучести (от 350 до 1035 МПа) и высокую прочность на растяжение с хорошей ударной вязкостью, пластичностью, коррозионной стойкостью или свариваемостью. Различные стали имеют разные комбинации этих характеристик в зависимости от их предполагаемого применения. Однако некоторые стали, такие как HY-80 и HY-100, подпадают под действие военных спецификаций. Перечисленные стали используются в основном как толстолистовые. Некоторые из этих сталей, а также другие подобные стали производятся в виде поковок или отливок.
Среднеуглеродистые сверхвысокопрочные стали — это конструкционные стали с пределом текучести, который может превышать 1380 МПа. Многие из этих сталей имеют обозначения SAE/AISI или представляют собой запатентованные составы. Формы продукции включают заготовки, прутки, стержни, поковки, листы, трубы и сварочную проволоку.
Подшипниковая сталь , используемая для шариковых и роликовых подшипников, состоит из низкоуглеродистой (от 0,10 до 0,20% C ) цементируемой стали и высокоуглеродистой (-1,0% C) стали со сквозной закалкой. Многие из этих сталей имеют обозначения SAE/AISI.
Хромолибденовые жаропрочные стали содержат от 0,5 до 9 % Cr и от 0,5 до 1,0 % Mo . Содержание углерода обычно ниже 0,2%. Хром обеспечивает улучшенную стойкость к окислению и коррозии, а молибден повышает прочность при повышенных температурах. Как правило, они поставляются в нормализованном и отпущенном, закаленном и отпущенном состоянии или в отожженном состоянии. Хромомолибденовые стали широко используются в нефтяной и газовой промышленности, а также на ископаемом топливе и на атомных электростанциях.
стали и литых утюгов, а также их основные и случайные элементы — Ispatguru
Стали и литые утюги и их основные и случайные элементы
- Satyendra
- 4 ноября 2016
- 0 Комментарии 9000
- 140140140140140140140140140 гг. чугун, углеродистая сталь, чугун, серый чугун, высоколегированная сталь, низколегированная сталь, сталь, белый чугун,
Стали и чугуны, их основные и вспомогательные элементы
Стали и чугуны в основном представляют собой сплавы железа и различных других элементов периодической таблицы. Подавляющее большинство сталей и все чугуны содержат углерод в качестве основного легирующего элемента. По общему определению, сталь — это сплав железа, углерода (менее 2 % С) и других легирующих элементов, который можно деформировать в горячем и/или холодном состоянии в различные формы. С другой стороны, чугун представляет собой сплав железа, углерода (с содержанием углерода выше 2 %) и других легирующих элементов и, как правило, не поддается горячей и/или холодной деформации. Чугун используется в литом виде. Стали и чугуны являются наиболее широко используемыми и наименее дорогими металлическими материалами.
В настоящее время доступно несколько тысяч различных составов стали. Для различения различных типов сталей используется большое разнообразие терминологии. На самом деле способ классификации сталей иногда сбивает с толку даже обычного пользователя сталей. Однако во многих случаях стали относятся к ограниченному числу четко определенных классов. Как правило, углеродистые и низколегированные стали подпадают под систему классификации, основанную на составе. Высоколегированные стали (нержавеющие, жаропрочные, износостойкие стали и т. д.) классифицируются по многим различным системам, включая состав, микроструктуру, применение или спецификацию.
Проще всего классифицировать стали по их химическому составу. В железо обычно добавляют различные легирующие элементы для придания ему определенных свойств и характеристик. Эти элементы включают, но не ограничиваются ими, углерод, марганец, кремний, никель, хром, молибден, ванадий, ниобий, медь, алюминий, титан, вольфрам и кобальт.
Общая категория углеродистых и низколегированных сталей включает простые углеродистые стали, легированные стали, высокопрочные низколегированные стали (HSLA) и ряд других низколегированных сталей. Есть много низколегированных сталей, которые не предназначены только для прочности при комнатной температуре. Эти стали обладают дополнительными важными свойствами, такими как коррозионная или жаростойкость и формуемость.
Стали HSLA представляют собой группу низкоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей, в которых обычно используется небольшое количество легирующих элементов для достижения предела текучести, обычно превышающего примерно 350 Н/кв. мм, при горячекатаном, холоднокатаном, отожженном, снятом с напряжения, ускоренном прокате. охлажденное, непосредственно закаленное или нормализованное состояние. В некоторых случаях их называют микролегированными сталями из-за небольшого количества ванадия, ниобия и/или титана, которые добавляются для измельчения зерна и дисперсионного упрочнения.
Легированные стали обычно делятся на два класса, а именно (i) низколегированные стали и (ii) высоколегированные стали. Они делятся по составу. Низколегированные стали имеют легирующие элементы менее 8 %, а высоколегированные стали имеют легирующие элементы более 8 %. К высоколегированным сталям относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали, жаропрочные стали и износостойкие стали (инструментальные стали). Нержавеющие стали и инструментальные стали подпадают под установленную систему классификации.
Блок-схема на рис. 1 в общих чертах показывает классификацию сталей. С левой стороны они классифицируются по коммерческому названию или применению, а с правой стороны — по микроструктуре.
Рис. 1 Блок-схема, показывающая классификацию сталей
Термин «чугун», как и термин «сталь», обозначает большое семейство ферросплавов. Чугуны также являются многокомпонентными железистыми сплавами, которые затвердевают с эвтектикой. Они содержат основные элементы (железо, углерод, кремний), второстепенные элементы (менее 0,1 %) и часто легирующие элементы (более 0,1 %). Чугун имеет более высокое содержание углерода и кремния, чем сталь. Из-за более высокого содержания углерода структура чугуна содержит более богатую углеродом фазу, чем сталь. В зависимости от состава, скорости охлаждения и обработки расплава чугун может затвердевать в соответствии с термодинамически метастабильной системой Fe-Fe3C или стабильной системой железо-графит.
При следовании по метастабильному пути богатой углеродной фазой в эвтектике является карбид железа, а при следовании по пути стабильного затвердевания богатой углеродной фазой является графит. Что касается только бинарной системы Fe-Fe3C или железа-графита, чугун можно определить как сплав железа с углеродом с содержанием углерода более 2% C. Однако кремний и другие легирующие элементы могут значительно изменить максимальное растворимость углерода в аустените (гамма-фаза). Поэтому в исключительных случаях сплавы с содержанием углерода менее 2 % могут затвердевать с эвтектической структурой и, следовательно, принадлежат к семейству чугуна.
Образование стабильной или метастабильной эвтектики зависит от многих факторов, включая потенциал зародышеобразования жидкости, химический состав и скорость охлаждения. Первые два фактора определяют потенциал графитизации железа. Высокий потенциал графитизации приводит к чугунам с графитом в качестве богатой углеродной фазы, тогда как низкий потенциал графитизации приводит к чугунам с карбидом железа. Два основных типа эвтектики, стабильный аустенит-графит и метастабильный аустенит-карбид железа (Fe3C), имеют большие различия в своих механических свойствах, таких как прочность, твердость, ударная вязкость и пластичность. Следовательно, основной целью металлургической обработки чугуна является изменение типа, количества и морфологии эвтектики для достижения желаемых механических свойств.
Исторически сложилось так, что первая классификация чугуна основывалась на его изломе. Первоначально были выделены два типа железа, а именно (i) белый чугун, который показывает белую кристаллическую поверхность излома, потому что разрушение происходит вдоль пластин из карбида железа из-за метастабильного затвердевания (эвтектика Fe3C), и (ii) серый чугун, который показывает белую кристаллическую поверхность излома. поверхность излома серая, так как разрушение происходит по графитовым пластинкам (чешуйкам) за счет стабильного затвердевания (графитовая эвтектика).
По мере расширения знаний о металлографии чугуна стали возможны другие классификации, основанные на микроструктурных особенностях. Это (i) форма графита на основе, такая как пластинчатый (чешуйчатый) графит (FG), сфероидальный (узелковый) графит (SG), уплотненный (вермикулярный) графит (CG) и темперированный графит (TG), (ii) матрица на основе которой может быть ферритной, перлитной, аустенитной, мартенситной или бейнитной (аустенитной). Другая распространенная схема классификации делит чугуны на четыре основных типа: белый чугун, серый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун.
На рис. 2 представлена блок-схема классификации чугунов в соответствии с их торговыми названиями, применением и структурой.
Рис. 2 Классификация чугунов
Существенные и второстепенные элементы из сталей и чугунов
Ниже описаны различные основные и второстепенные элементы из сталей и чугунов.
- Углерод – важный легирующий элемент. Он растворяется в железе с образованием феррита и аустенита. Он соединяется с железом, образуя карбид (цементит, Fe3C). Карбид входит в состав перлита. Углерод добавляется для увеличения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости. Твердость и прочность на растяжение увеличиваются с увеличением содержания углерода примерно до 0,85 %. Пластичность и свариваемость стали снижаются с увеличением содержания углерода.
В отбеленных чугунах глубина отбела уменьшается, а твердость закаленной зоны увеличивается с увеличением содержания углерода. Углерод также увеличивает твердость белого чугуна. Это снижает поперечную прочность на разрыв и увеличивает хрупкость. Это также увеличивает склонность графита к образованию во время затвердевания, особенно при высоком содержании кремния.
- Марганец – важный легирующий элемент. Это полезно для качества поверхности. Это слабый карбидообразователь (больше, чем у железа). Он противодействует хрупкости, вызванной серой (сульфидом железа), за счет образования сульфида марганца. Высокое содержание марганца позволяет производить аустенитную сталь с повышенной износостойкостью и стойкостью к истиранию. Марганец добавляется для увеличения прочности и твердости твердого раствора, а также для увеличения прокаливаемости. Увеличение прочности зависит от содержания углерода. Увеличение содержания марганца также снижает пластичность и свариваемость, но эффект меньше, чем у углерода.
Марганец и сера обычно рассматриваются вместе в их воздействии на серый или белый чугун. По отдельности либо марганец, либо сера увеличивают глубину отбела, но когда присутствует один из них, добавление другого уменьшает глубину отбела до тех пор, пока остаточная концентрация не будет нейтрализована за счет образования сульфида марганца. Марганец в количестве, превышающем количество, необходимое для удаления серы, мягко подавляет образование перлита. Это также относительно сильный стабилизатор аустенита.
- Фосфор – Обычно считается примесью. Его можно добавлять в низкоуглеродистые стали для повышения прочности и твердости. Это снижает пластичность и ударную вязкость стали. Отрицательное влияние на пластичность и ударную вязкость больше в закаленных и отпущенных высокоуглеродистых сталях. Фосфор повышает коррозионную стойкость и улучшает обрабатываемость легкорежущих сталей. Это способствует охрупчиванию. Он образует нежелательный фосфид железа (Fe3P) при высоком содержании фосфора (особенно в чугунах).
Уровень фосфора обычно поддерживается на низком уровне. В нелегированных чугунах фосфор является мягким графитизатором. Он слегка уменьшает глубину отбела в отбеленном чугуне. В легированных чугунах влияние фосфора несколько неясно.
- Сера – обычно считается примесью. Его добавляют в специальные стали для улучшения обрабатываемости. Это снижает пластичность и ударную вязкость надреза, особенно в поперечном направлении. Свариваемость снижается с увеличением содержания серы. Сера встречается преимущественно в виде сульфидных включений. Содержание серы обычно поддерживается на низком уровне, за исключением легкорежущих сталей, где сера добавляется для улучшения обрабатываемости. Сера обычно является остаточным элементом в чугунах, а избыток марганца можно использовать для увеличения глубины отбела и твердости. Кроме того, поскольку сера способствует образованию более тонкого и твердого перлита, марганец часто предпочтительнее для уменьшения или предотвращения крапчатости в отливках большого сечения.
- Кремний – важный легирующий элемент. Его добавляют для повышения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости. Однако он менее эффективен, чем марганец, в повышении прочности и твердости проката. Упрочняет низколегированные стали. Как правило, это отрицательно сказывается на качестве поверхности низкоуглеродистых сталей. Его добавляют в жидкую сталь для удаления кислорода (раскисления). В результате раскисления может образовывать силикатные прожилки (включения диоксида кремния). Не образует карбида. Улучшает стойкость к окислению. Его добавляют в специальные стали для улучшения электрических и магнитных свойств, а также прокаливаемости. Повышает склонность к обезуглероживанию. Он способствует графитизации чугуна. В легированных чугунах кремний является основной причиной, определяющей содержание углерода в эвтектике. Увеличение содержания кремния снижает содержание углерода в эвтектике и способствует образованию графита при затвердевании. Таким образом, содержание кремния является основной причиной контроля глубины отбела в нелегированных или низкохромистых отбеленных и белых чугунах.
В высоколегированных белых чугунах кремний отрицательно влияет на прокаливаемость. Он имеет тенденцию способствовать образованию перлита в мартенситных чугунах. Однако, когда присутствует достаточное количество элементов, подавляющих перлит, таких как молибден, никель, хром и марганец, увеличение содержания кремния повышает температуру Ms сплава, что приводит к увеличению как количества мартенсита, так и конечной твердости. Повышенные уровни кремния также снижают скорость образования отложений и роста за счет образования плотных прилипших оксидных отложений. Чугуны с высоким содержанием кремния (от 14 % до 17 %) плохо поддаются литью и практически не поддаются механической обработке. Эти чугуны обладают особенно низкой устойчивостью к механическим и термическим ударам при комнатной или умеренно высокой температуре.
- Никель – важный легирующий элемент в некоторых сплавах железа. Это ферритовый усилитель. Он остается в растворе в феррите, упрочняя и делая ферритную фазу более жесткой, особенно при низких температурах.
Его добавляют для повышения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости. Повышает ударную вязкость сталей. Не образует карбидов в стали. Он делает нержавеющие стали с высоким содержанием хрома аустенитными. В чугунах никель практически полностью распределен в аустенитной фазе или продуктах ее превращения. Никель способствует образованию графита, и в белом и отбеленном чугуне этот эффект обычно уравновешивается добавлением примерно одной части хрома на каждые три части никеля в составе. Никель в несколько больших количествах (примерно до 4,5 %) требуется для полного подавления образования перлита, что обеспечивает получение мартенситного железа при охлаждении отливок в формах. Эта последняя практика формирует основу для производства никелевых чугунов. Все виды чугуна с содержанием Ni более 18 % являются полностью аустенитными.
- Хром – важный легирующий элемент для некоторых низколегированных сталей и всех нержавеющих сталей. Его добавляют для незначительного повышения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости.
Повышает стойкость к коррозии и высокотемпературному окислению. Является карбидообразующим (больше, чем марганец). Его карбиды улучшают износостойкость и стойкость к истиранию и обеспечивают жаропрочность. Сложные карбиды хрома и железа медленно переходят в раствор в аустените, поэтому перед закалкой требуется более длительное время нагрева. В качестве упрочняющего элемента хром обычно используется с упрочняющим элементом, таким как никель, для получения превосходных механических свойств. Хром имеет три основных применения в чугунах, а именно (i) для образования карбидов, (ii) для повышения коррозионной стойкости и (iii) для стабилизации структуры при высоких температурах. Небольшие количества хрома обычно добавляют для стабилизации перлита в сером чугуне, для контроля глубины отбела в отбеленном чугуне или для обеспечения структуры без графита в белом чугуне, содержащем менее 1 % кремния. Хром влияет на тонкость и твердость перлита и имеет тенденцию увеличивать количество и твердость эвтектических карбидов.
Поэтому в серый чугун часто добавляют хром, чтобы обеспечить выполнение требований по прочности, особенно в тяжелых сечениях. Иногда с той же целью его добавляют в ковкий чугун. Кроме того, относительно низкий процент хрома используется для повышения твердости и стойкости к истиранию перлитных белых чугунов. Для развития устойчивости к размягчающему действию тепла и для защиты от окисления хром является наиболее эффективным элементом. Он стабилизирует карбид железа и, следовательно, предотвращает разрушение карбида при высоких температурах. Высокое содержание хрома стабилизирует ферритовую фазу вплоть до точки плавления.
- Молибден – важный легирующий элемент в некоторых низколегированных сталях и инструментальных сталях. Его добавляют для повышения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости. Является сильным карбидообразователем (сильнее хрома). Улучшает высокотемпературные свойства, в том числе сопротивление ползучести. Он противодействует охрупчиванию от отпуска.
Это повышает температуру укрупнения аустенита. Повышает коррозионную стойкость. Образует устойчивые к истиранию частицы. Молибден в отбеленных и белых чугунах распределяется между эвтектическими карбидами и матрицей. В графитовых чугунах его основные функции заключаются в содействии глубокому упрочнению и повышении жаропрочности и коррозионной стойкости. В отбеленных чугунах добавки молибдена слегка увеличивают глубину отбела. Однако он примерно на треть эффективнее хрома. Основная цель небольших добавок (от 0,25 % до 0,75 %) молибдена к отбеленному чугуну состоит в том, чтобы улучшить стойкость отбеленной поверхности к выкрашиванию, точечной коррозии, выкрашиванию и термическому разрушению. Он затвердевает и делает перлитную матрицу более жесткой.
- Медь. Обычно считается примесью или посторонним элементом в большинстве сталей, поскольку способствует короткой горячеломкости. Его добавляют в некоторые стали для повышения коррозионной стойкости. Его добавляют в специальные стали для повышения прочности и твердости за счет термической обработки (старения).
Он очень нерастворим в железе при комнатной температуре и не образует карбида. Медь оказывает негативное влияние при кузнечной сварке, но не оказывает серьезного влияния на дуговую или кислородно-ацетиленовую сварку. Медь может ухудшить качество поверхности. Медь улучшает атмосферную коррозионную стойкость, если присутствует в количестве более 0,30 %. Атмосферостойкие стали производятся с содержанием меди более 0,30 %. Медь в умеренных количествах может использоваться для подавления образования перлита как в мартенситных белых чугунах с низким, так и с высоким содержанием хрома. Влияние меди относительно мягкое по сравнению с никелем. Из-за ограниченной растворимости меди в аустените добавки меди, вероятно, обычно ограничиваются примерно 2,5 % или меньше. Медь наиболее эффективна для подавления перлита, когда она используется в сочетании с примерно 0,5–2,0 % молибдена. Прокаливаемость этой комбинации в целом хорошая, что указывает на наличие синергетического эффекта при совместном добавлении меди и молибдена к чугуну.
- Кобальт – важный легирующий элемент. Его добавляют для повышения прочности и твердости. Улучшает жаропрочность за счет значительного упрочнения феррита через твердый раствор. Это слабый карбидообразователь. Это важный элемент в некоторых инструментальных сталях и жаропрочных сталях. Это снижает прокаливаемость.
- Вольфрам – важный легирующий элемент в некоторых сталях. Его добавляют для повышения прочности и твердости твердого раствора, а также для повышения прокаливаемости. Это способствует горячей твердости и горячей прочности. Противостоит размягчению вторичным отверждением. Это сильный карбидообразователь. Карбиды образуют твердые, устойчивые к истиранию частицы в инструментальных сталях.
- Ванадий – важный элемент в микролегированных сталях. Его добавляют для повышения прочности и твердости стали за счет контроля размера зерна (измельчения зерна), а также для повышения прокаливаемости. Повышает температуру укрупнения аустенита. Является сильным нитридообразователем.
Он также образует карбид. Он устойчив к отпуску и вызывает заметное вторичное твердение. Ванадий является одним из основных факторов дисперсионного упрочнения микролегированных сталей. При надлежащем контроле термомеханической обработки размер ферритовых зерен уменьшается, что приводит к соответствующему увеличению ударной вязкости. Температура ударного перехода увеличивается при добавлении ванадия. Ванадий, ниобий и титан предпочтительно сочетаются с углеродом и/или азотом с образованием тонкой дисперсии осажденных частиц в матрице из микролегированной стали. В чугунах ванадий, будучи сильным стабилизатором карбида, увеличивает глубину отбела. Из-за своей склонности к образованию карбидов ванадий редко используется в серых или ковких чугунах для защиты от коррозии или работы при высоких температурах.
- Ниобий – важный элемент в микролегированных сталях. Его добавляют для повышения прочности и твердости стали за счет контроля размера зерна (измельчения зерна), а также для повышения прокаливаемости.
Это сильный карбидообразователь. Он также образует нитрид. Ниобий также может оказывать умеренное упрочняющее действие при осаждении. Его основной вклад заключается в образовании выделений выше температуры превращения и замедлении рекристаллизации аустенита, тем самым способствуя мелкозернистой микроструктуре с повышенной прочностью и ударной вязкостью.
- Алюминий – важный легирующий элемент в азотированных сталях и листовых сталях для глубокой вытяжки. Его добавляют для повышения прочности и твердости стали путем контроля размера зерна (измельчения зерна). Это обычный раскислитель. Он образует нежелательные включения оксида алюминия (оксиды алюминия). Это сильный нитридообразователь. Не образует карбидов в стали.
- Титан – важный элемент в микролегированных сталях. Его добавляют для повышения прочности и твердости стали путем контроля размера зерна (измельчения зерна). Это улучшает прочность. Это очень сильный карбидо- и нитридообразователь. Это важный элемент для связывания азота в сталях (защищает бор от азота в сталях, обработанных бором).
Это также сильный раскислитель. Он фиксирует углерод в инертных частицах. Снижает мартенситную твердость и прокаливаемость среднехромистых сталей. Предотвращает образование аустенита в сталях с высоким содержанием хрома. Титан также используется для улучшения характеристик включения. Он может соединяться с серой с образованием сульфидов титана. Это приводит к тому, что включения сульфидов становятся шаровидными, а не удлиненными, что улучшает ударную вязкость и пластичность при поперечном изгибе.
- Бор – добавляется в сталь для повышения прокаливаемости. Улучшает характеристики прокаливаемости других легирующих элементов. Стали, обработанные бором, производятся с содержанием бора в диапазоне от 0,0005% до 0,003%. Всякий раз, когда бор частично заменяет другие сплавы, это следует делать только с учетом прокаливаемости, поскольку пониженное содержание сплава может быть вредным для некоторых применений. Бор является мощным легирующим элементом стали. Бор наиболее эффективен в низкоуглеродистых сталях.
Его добавляют в сталь для применения в ядерных реакторах из-за его высокого поперечного сечения для нейтронов. Бор также использовался в качестве модификатора в чугунах с положительными эффектами.
- Азот. Его добавляют в некоторые микролегированные стали для увеличения количества нитридов, необходимых для упрочнения или контроля размера зерна (например, в ванадиевой стали). Азот также использовался в качестве модификатора в чугунах с положительными эффектами.
- Свинец – не растворяется в стали. Добавляется в углеродистые и легированные стали путем механического диспергирования при разливке для улучшения обрабатываемости. Он экологически чувствителен.
- Висмут – подобен свинцу. Его добавляют в специальные стали для улучшения обрабатываемости. В белых чугунах висмут является одним из основных карбидообразующих модификаторов. Висмут используется в составе низкоуглеродистых чугунов, предназначенных для ковкой термической обработки.
- Олово – это примесь или случайный элемент.
Это способствует охрупчиванию.
- Сурьма – это примесь или посторонний элемент. Это способствует охрупчиванию.
- Мышьяк – это примесь или случайный элемент. Это способствует охрупчиванию.
- Кислород – Не желательно. Он соединяется с другими элементами (марганец, кремний, алюминий, титан и т. д.) с образованием оксидных включений, которые могут снижать ударную вязкость и сопротивление усталости. Его обычно минимизируют раскислением алюминием и/или кремнием и вакуумной дегазацией.
- Водород – Нежелателен. При попадании может вызвать образование трещин (хлопья водорода, микротрещины и т.д.). Его обычно минимизируют вакуумной дегазацией или медленным охлаждением после превращения аустенита в феррит.
- Кальций – добавляется для контроля формы сульфидов (в сочетании с серой образует округлые недеформируемые включения). Это сильный раскислитель. Образует включения оксида кальция и алюмината кальция.
- Цирконий – добавляется для контроля формы сульфидов (образует округлые, недеформируемые сульфиды циркония).