Лекции / Лекция 7
.pdfПоведение металла при кристаллизации обусловлено степенью его раскисленности. Раскисление – это процесс удаления из жидкого металла кислорода, находящегося в виде оксида FeO и способствующего хрупкому разрушению при горячей деформации. Чем полнее удален из стали кислород, тем спокойнее протекает процесс затвердевания. В зависимости от условий и степени раскисления стали могут быть кипящие (кп), полуспокойные (пс) и спокойные (с индексом «сп» или без индекса). Каждый из этих видов стали имеет свои достоинства и недостатки. Выбор технологии раскисления и разливки стали определяется её назначением и технико-экономическими показателями производства.
Исходя из механических характеристик, различают стали обычной прочности
(σв ≤ 420 МПа), повышенной прочности (420 < σв ≤ 550 МПа) и высокой прочности
(σв > 550 МПа).
По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. Конструкционные стали, в свою очередь, разделяют на строительные и машиностроительные.
Разновидности сталей. Металлургической промышленностью разных стран вырабатывается более 2 тыс. различных марок сталей и сплавов на основе железа. На долю углеродистых сталей приходится около 80% от общего объёма выплавки.
Углеродистой сталью называют сплав железа с углеродом, содержащим до 2% углерода и постоянных примесей: кремния – до 0,5%, марганца – до 2%, серы и фосфора – до 0,05%. По содержанию углерода различают низкоуглеродистые (с содержанием углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25…0,6%) и высокоуглеродистые (более
0,6%). Содержание углерода и примесей определяют структуру и свойства углеродистых сталей.
С ростом содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита, при одновременном снижении доли феррита. Такое изменение соотношения между составляющими приводит к уменьшению пластичности, повышению прочности и твердости. Однако прочность стали повышается до содержания углерода 0,8…1,0%, а затем с повышением содержания углерода уменьшается не только прочность, но и пластичность, так как образуется грубая сетка вторичного цементита. Увеличение содержания углерода повышает также порог хладноломкости и снижает ударную вязкость, ухудшаются литейные свойства, обрабатываемость давлением и резанием, свариваемость. Однако стали с низким содержанием углерода тоже плохо обрабатываются резанием.
П р и м е ч а н и е ‒ Хладноломкость – склонность металла растрескиваться и ломаться при холодной механической обработке.
В сталях всегда присутствуют примеси, которые подразделяются на постоянные или обычные (кремний, марганец, сера и фосфор), скрытые (газы в виде кислорода, азота и водорода), специальные (легирующие) и случайные. Наличие примесей в стали
21
объясняется технологическими особенностями её производства и невозможностью полного их удаления. Они тоже оказывают существенное влияние на качество стали.
Углеродистые конструкционные стали могут быть только обыкновенного качества (ГОСТ 380) и качественными. Для строительных металлических конструкций применяют в основном низкоуглеродистые стали обыкновенного качества, для ответственных строительных конструкций – качественные. В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями.
В зависимости от содержания углерода, марганца и кремния углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380) подразделяется на марки от Ст0, Ст1 до Ст6. Буквы «Ст» обозначают «сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава. При этом с увеличением номера содержание углерода в стали возрастает, но прямого количественного соответствия номера и содержания углерода нет. Буквы, стоящие после номера стали, указывают: «Г» – на содержание марганца при его массовой доле в стали 0,8% и более и «кп», «пс» и «сп» – степень раскисления стали. Чем выше марка стали, тем больше в ней содержание углерода, выше прочность и ниже пластичность.
Качественные углеродистые стали (ГОСТ 1050) маркируют двузначными цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (05; 08; 10; 25; 40 и др.) и буквами, указывающими на степень раскисления стали.
Углеродистая сталь обыкновенного качества применяется для изготовления горячекатаного проката: сортового, фасонного, толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатанного тонколистового, а также слитков, блюмов, слябов, сутунки, труб, лент, проволоки, метизов и других изделий.
Легированные стали. Легированными называют стали, в которые для получения требуемых свойств вводят специальные (легирующие) добавки других элементов, массовую долю которых контролируют. Чаще всего это металлы – никель, хром, молибден, вольфрам, медь и др. Легирующие добавки оказывают различное влияние, как на кристаллическое строение, так и на физико-механические характеристики стали. Почти все легирующие добавки изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакций и влияют на растворимость углерода в аустените. Легированные стали обладают также более высоким уровнем механических и технологических свойств и прежде всего прочности. С помощью легирования можно придать стали различные специальные свойства (коррозионную стойкость, износостойкость, жаростойкость и др.).
П р и м е ч а н и е ‒ 1. Хром и никель являются основными легирующими элементами в нержавеющей стали и представляют базовый порядок сортировки в стандартах EN.
2. Следует отметить, что стали обыкновенного качества могут быть только углеродистыми, а легированные стали, как минимум, являются качественными.
22
По степени легирования (т. е. по суммарному содержанию легирующих элементов) различают низколегированные (менее 2%), среднелегированные (2…10%) и высоколегированные (более 10%) стали.
Низколегированные конструкционные стали являются переходными между углеродистыми и легированными. Они обладают по сравнению с углеродистой сталью повышенной прочностью, пониженной склонностью к старению, хорошей свариваемостью, повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью в различных средах.
Взависимости от количества легирующих элементов стали могут быть трёхкомпонентные (железо, углерод и легирующий элемент), четырёхкомпонентные (железо, углерод и два легирующих элемента) и т. д. По наличию основных легирующих элементов сталь подразделяется на группы: хромистая, марганцевая, хромоникелевая, хромокремнистая и др.
По назначению легированные стали подразделяются на конструкционные, ин-
струментальные и с особыми свойствами. Легированная конструкционная сталь
(ГОСТ 4543) в зависимости от химического состава и свойств делится на качественную, высококачественную (А) и особовысококачественную (Ш). По видам обработки при поставке различают сталь горячекатаную, кованую, калиброванную, серебрянку.
Вобозначении марок конструкционной легированной стали первые две цифры указывают на содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют буквы, обозначающие легирующие элементы. Цифры после букв указывают на среднее содержание данного элемента в целых единицах. Отсутствие цифры означает, что содержание данного легирующего элемента менее 1,5%.
П р и м е ч а н и е ‒ Ковка – это высокотемпературная обработка различных металлов и их сплавов (железа, меди, алюминия, титана), нагретых до ковочной температуры с целью изменения в основном их формы и размеров. Для каждого металла существует своя ковочная температура (для железа – 800…1250 , меди – 650…1000 , титана – 900…1600). Разновидностью ковки является холодная ковка, осуществляемая без нагрева деформируемого металла. Различают ручную ковку, штамповку и ковку на молотах. Изделия и полуфабрикаты, получаемые ковкой, называют «поковка».
Серебрянка изготовляется прокатом или волочением преимущественно из инструментальной стали диаметром 0,2…30 мм со специально обработанной светлой гладкой поверхностью (шлифованием, полированием).
Строительные стали. Стали, используемые для изготовления металлических конструкций в сооружениях промышленных и общественных зданий, пролётных строений мостов и эстакад, магистральных нефте- и газопроводов, армирования бетона называют строительными (рис. 7.7). Основные требования, предъявляемые к таким сталям – это нормативные параметры прочности (предел текучести и временное сопротивление разрыву при растяжении), хорошая свариваемость, значительная пластичность, надежность и долговечность. Нормируется также химический состав – предельное содержание углерода, азота, алюминия, кальция, фосфора, серы и других элементов.
23
Рис. 7.7. Использование стали в строительстве
Используют для строительных целей в основном низколегированные (Si, Mn, Cr и др.) и углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380). Низколегированные стали содержат до 0,2% углерода, 2…3% легирующих элементов (Si, Mn) и микродобавки (V, Nb, Ni, Al, N). С увеличением содержания углерода повышается твердость, прочность, улучшается обработка резанием, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Строительные стали повышенной прочности дополнительно содержат небольшое количество ванадия или ниобия, а также медь в количестве 0,15…0,3%. Медь повышает стойкость к атмосферной коррозии. Низколегированные строительные стали обладают высокой пластичностью и ударной вязкостью, имеют улучшенные механические свойства и пониженную температуру перехода в хрупкое состояние (от
– 40 до – 60 ). Поставляют строительные стали, как правило, по механическим свойствам в виде листов разной толщины и сортового проката (ГОСТ 535 и 19281).
Основными свойствами строительных сталей являются механические (пределы прочности и упругости, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость, пределы выносливости и ползучести) и технологические – свариваемость и др. (рис. 7.8).
Пределы прочности, текучести, пропорциональности и относительное удлинение у металлов определяются при испытаниях на растяжение. Испытания выполняются на разрывных машинах с использованием специальных образцов. В процессе приложения нагрузки в образце возникает напряжение Ϭ, равное отношению приложенного усилия F к площади образца A, измеряемое в МПа
=
24
Рис. 7.8. Типичная диаграмма растяжения, характерная для ряда металлов: 1 – предел пропорциональности, 2 – предел текучести, 3 – точка разрушения, 4 – временное сопротивление разрушению (предел прочности), 5 – область деформационного разрушения, 6 – образование шейки на образце.
Предел пропорциональности – напряжение в МПа, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией испытываемого образца, т. е. отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой «нагрузка – удлинение» в точке 1 с осью нагрузок, увеличивается на 50% от своего значения на упругом (линейном) участке (СТБ 1723 и ГОСТ 1497).
Предел текучести (физический) – наименьшее напряжение в МПа, при котором испытываемый образец деформируется без заметного увеличения нагрузки.
Предел прочности (временное сопротивление) это условное напряжение в МПа, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Относительное удлинение (после разрыва) – это отношение приращения расчетной длины испытываемого образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине, выраженное в процентах. Чем больше значение относительного удлинения, тем более пластичен металл. У хрупких металлов эти значения близки к нулю. Хрупкость конструкционных металлов является отрицательным свойством.
Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться ударным нагрузкам и хрупкому разрушению. Определяется как работа, затраченная на деформацию и разрушение ударным изгибом надрезанного образца, отнесенная к его начальной площади поперечного сечения в месте надреза. Размерность ударной вязкости Дж/см2
(Дж/м2).
Свариваемость – это свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков в швах и прилегающих зонах или образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла.
25
По прочности строительные стали подразделяются на классы. Класс прочности стали – это установленное стандартом нормируемое значение физического или условного предела текучести стали. Маркируют строительные стали буквой «С – сталь строительная» и числом, указывающим предел текучести в МПа (Н/мм2): С235; С245; С255,
С345, С345К; С355; С355-1; С355К; С355П; С390; С390-1; С440; С550 и С590. Цифра
«1» указывает на вариант химического состава, буквы «К» – сталь повышенной коррозионной стойкости и «П» – повышенной огнестойкости (ГОСТ 27772). Стали повышенной и высокой прочности (ГОСТ 19281) подразделяются на классы прочности от
265, 295 до 650, 700.
П р и м е ч а н и е ‒ Класс – это ограниченный двумя уровнями диапазон значений одной и той же характеристики, в котором должно находится значение этой характеристики.
Вероятность выполнения норм стандарта по пределу текучести, временному сопротивлению и относительному удлинению в каждой партии проката должна быть не ниже 0,95.
Конструкционные строительные стали поставляют в виде прутков, профилей (уголков, двутавров, швеллеров, труб), листов и широких полос. Кроме того, применяют в строительстве из этой стали заклёпки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, проволоку, канаты и другие изделия.
6. Термическая обработка металлов
Сущность термической обработки. Свойства металлов в значительной степени определяются его составом и внутренним строением (микроструктурой). Основным способом изменения структуры, а, следовательно, и свойства металлов является их термическая обработка. Например, путём термической обработки стали можно придать ей различные иногда совершенно противоположные свойства: сделать стальное изделие хрупким и твёрдым или, наоборот, мягким и пластичным. Следовательно, термическая обработка – это совокупность технологических операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутреннего строения и структуры без изменения их химического состава.
Параметрами термической обработки являются: нагрев до определённой температуры (выше или ниже температуры фазовых превращений), выдержка при этой температуре, скорость нагрева и скорость охлаждения. Нагрев, выдержку и охлаждение производят за определённое время. При нагреве и охлаждении в металлах (железоуглеродистых сплавах) происходят фазовые превращения при определённых температурах, называемых критическими точками (табл. 7.2 и рис. 7.3). Превращения носят кристаллизационный характер, т. е. происходит образование центров зародышей и последовательный их рост (перекристаллизация). Режим термообработки обычно представляется
26
графиком в координатах температура – время (рис. 7.9). Скорость нагрева и охлаждения характеризуется углом наклона линий на графике.
Рис. 7.9. График термической обработки
Температура нагрева выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой обработки. Она определяет характер происходящих в сплаве превращений и возможность получения требуемой структуры.
Время (скорость) нагрева должны обеспечить минимальные потери времени на нагрев и исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, которые могут привести к короблению и растрескиванию детали. Скорость нагрева должна быть тем меньше, чем сложнее сталь по химическому составу, так как легирующие элементы значительно понижают теплопроводность железа.
Время выдержки при температуре нагрева необходимо для завершения процессов фазовых и структурных превращений по всему объёму изделий и составляет примерно 1/4…1/5 времени нагрева.
Скорость охлаждения должна быть достаточной для протекания в сплаве необходимых превращений, но в тоже время не слишком большой во избежание опасных термических и фазовых напряжений, которые тоже могут вызвать растрескивание или коробление деталей.
Виды термической обработки металлов. В зависимости от технологических параметров и фазовых превращений различают три основных группы термической обработки металлов: собственно термическая, химико-термическая и термомеханическая.
Собственно термическая обработка предусматривает только температурное воздействие на металл. В зависимости от структурного состояния, получаемого в результате её применения, различают отжиг, закалку, отпуск и старение.
Отжиг – это, как правило, предварительная термическая обработка, выполняемая с целью повышения технологических свойств металла. Заключается в нагреве стали до определенной температуры (выше температур фазовых превращений), выдержке
27
при данной температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью) или в песке со скоростью 2…3 в минуту. Особенностью отжига является медленное охлаждение. В результате отжига образуется устойчивая (равновесная) структура, свободная от остаточных напряжений. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность. В зависимости от того, какие свойства стали требуется получить, применяют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный, низкий, нормализация и др.
Нормализация (разновидность отжига) – изделия нагревают до аустенитного состояния (на 30…50 выше линии GSE на рис. 7.3), затем выдерживают при этой температуре с последующим охлаждением на спокойном воздухе (иногда с охлаждением ускоренным воздухом). Цели могут быть различны – как для увеличения, так и для снижения прочности и твердости. При нормализации уменьшаются внутренние напряжения, происходит перекристаллизация стали, измельчающая крупнозернистую структуру металла сварных швов, отливок или поковок. Применяется нормализация при термообработке стали, чугуна, сплавов меди и др. Иногда нормализацию считают самостоятельной разновидностью термической обработки.
Закалка стали предусматривает нагрев ее до температуры образования аустенита (выше критических точек – на 30…50 выше линии GSK на рис. 7.3), выдержку при этой температуре и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры и как следствие высокой твердости и повышенной прочности. Но при этом снижаются вязкость и пластичность. Качественными характеристиками закалки являются закаливаемость (характеризуется максимальным значением твердости, приобретенным сталью в процессе закалки) и прокаливаемость (глубина проникновения закаленной зоны).
Отпуском называют нагрев стали до температуры ниже критических точек (на рис. 7.3 ниже линии PSK – 727) с выдержкой при данной температуре и последующем охлаждением с заданной скоростью (как правило, на воздухе). Цель отпуска – получение более устойчивого структурного состояния, снятие внутренних напряжений, снижение твердости и уменьшение хрупкости, увеличение пластичности и вязкости закаленных сталей. Отпуск, как правило, следует за закалкой. Различают низкий, средний и высокий отпуск.
Закалка стали с последующим высоким отпуском называют улучшением. Следовательно, улучшение – это комплексная термическая обработка металлов, включающая в себя закалку и последующий высокий отпуск для получения однородной дисперсной структуры, обеспечивающей хорошее сочетание прочности, пластичности, ударной вязкости и других характеристик.
Старение – термическая обработка, при которой главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. В результате повышаются прочность, твердость, порог хладноломкости и снижается сопротивление хрупкому разрушению. Различают термическое и механическое (деформационное) старение. К старению относят также изменение свойств стали, протекающее во времени без заметного изменения
28
микроструктуры. Склонность стали к старению снижается при легировании ее алюминием, титаном или ванадием. Применяется старение в основном для повышения прочности и твердости конструкционных материалов (алюминиевых, медных, никелевых и магниевых сплавов и некоторых легированных сталей). Время выдержки для достижения заданных свойств в зависимости от состава сплава и температуры старения колеблется от десятков минут до нескольких суток.
Химико-термическая обработка подразумевает совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углеродом, азотом, алюминием, кремнием, хромом и др.) при высоких температурах и имеет диффузионный характер. В результате изменяется химический состав, микроструктура и свойства поверхностного слоя. Основными видами химико-термической обра-
ботки являются цементация, азотирование, цианирование, хромирование, алитирова-
ние и др. В результате повышается твердость, износостойкость, коррозионная стойкость поверхности изделий, увеличивается надежность и долговечность.
Термомеханическая обработка представляет процесс обработки изделий (заготовок) из металлических сплавов, сочетающих пластическую деформацию (прокатку, ковку, штамповку) с последующей закалкой и низкотемпературным отпуском. Пластическое деформирование изменяет характер распределения и плотность дефектов и влияет на формирование структуры и свойств при фазовых превращениях, происходящих в процессе термического воздействия.
7. Цветные металлы и сплавы
Общие сведения. Доля цветных (не железных) металлов в общем объёме мирового производства металлов составляет немногим более 5%. Объясняется это их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, сложностью производства, а, следовательно, и высокой стоимостью. Однако, несмотря на более высокую стоимость и сложность производства, они находят достаточно широкое применение в изготовлении металлических конструкций, различных декоративных элементов, облицовочных панелей, дверей, оконных рам, кровельных материалов, труб и других изделий (рис. 7.10). И всё это благодаря их уникальным физико-химическим и механическим свойствам.
Цветные металлы обладают большой пластичностью, малой твёрдостью, имеют широкий диапазон температур плавления. Например, температура плавления алюминия 660 , а тантала – 3015. Условно различают лёгкие цветные металлы (плотность до 5000 кг/м3) и тяжёлые – плотностью более 5000 кг/м3. К лёгким металлам относят магний, алюминий, титан, бериллий, к тяжёлым – медь, свинец, олово, никель.
Из группы цветных металлов выделяют также легкоплавкие и тугоплавкие металлы. Четкой границы между тугоплавкими и легкоплавкими металлами нет. Условно считается порог в 500. К легкоплавким металлам относят олово, свинец, цинк, кадмий, висмут. Некоторые из них используют для приготовления припоев различных со-
29
ставов и назначения. К тугоплавким металлам относят хром, титан, молибден и др. Их используют главным образом в качестве легирующих добавок.
Рис. 7.10. Изделия из цветных металлов
Применяют цветные металлы, как правило, в виде сплавов, так как в чистом виде они обладают недостаточной прочностью. Наибольшее распространение получили сплавы на основе меди, алюминия, титана, олова, магния и других металлов.
Алюминий. В природе алюминия в самородном виде нет. Встречается только в виде соединений. Основным сырьём для промышленного производства алюминия служат бокситы и нефелины, которые содержат до 60% оксида алюминия (глинозема). Процесс получения алюминия является довольно сложным, энергоёмким и включает: получение из бокситов вначале глинозёма (Аl2O3), а затем восстановление из раствора глинозёма электролизом в расплавленном криолите (Na3AlF6) металлического алюминия (рис. 7.11).
Образующийся в результате электролиза жидкий алюминий собирается на дне ванны под слоем электролита. Его называют алюминием-сырцом. Он содержит в своём составе металлические и неметаллические примеси, а также газы. Поэтому алюминийсырец рафинируют. После рафинирования образуется технически чистый алюминий, называемый первичным (СТБ EN 15088, ГОСТ 11069 и ГОСТ Р 55375). Расплавленный металл разливается в определенные формы и отправляется в прокатное производство. Выпускается в виде заготовок, отливок, чушек, слитков, катанки, ленты и других изделий.
В зависимости от химического состава и содержания примесей алюминий подразделяется на марки: алюминий особой чистоты А999 (99,999% Аl), высокой чистоты
30