«Матеріалознавство і термічна обробка зварних з’єднань»

1.Сплави заліза з вуглецем. Дати визначення. Характеристика основних компонентів. Залізовуглецеві сплави -це  сплави заліза з вуглецем на основі заліза. Варіюючи склад і структуру, отримують Же. с. зі всілякими властивостями, що робить їх універсальними матеріалами. Розрізняють чисті Ж. с. (із слідами домішок), отримувані в невеликих кількостях для дослідницьких цілей, і технічні Ж. с. — стали (до 2%С) і чавуни (св. 2% З), світове виробництво яких вимірюється сотнями млн. т. Технічні Ж. с. містять домішки. Їх ділять на звичайних (фосфор Р, сірка S, марганець Mn, кремній Si, водень Н, азот N, кисень Про), легуючих (хром Cr, нікель Ni, молібден Мо, вольфрам W, ванадій V, титан Ti, кобальт З, мідь Cu і ін.) і модифікуючих (магній Mg, церій Ce, кальцій Ca і ін.). В більшості випадків основою, що визначає будову і властивості сталей і чавунів, є система Fe — С. Начало науковому вивченню цієї системи поклали російські металурги П. П. Аносов (1831) і Д. До. Чернов (1868). Аносов вперше застосував мікроскоп при дослідженні Ж. с., а Чернов встановив їх кристалічну природу, виявив дендритну кристалізацію і відкрив в них перетворення в твердому стані. Із зарубіжних учених, що сприяли створенню діаграми стану Fe, — Із сплавів. Найбільше поширення одержала діаграма залізо-вуглець, оскільки залізовуглецеві сплави складають основу металевих матеріалів, які використовує людина. Діаграма стану залізо-вуглець у графічній формі зображує фазовий склад сплаву в залежності від температури і концентрації вуглецю (рис. 1) і складається з трьох простих подвійних діаграм: подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і перитектичним перетворенням при 1499^оС, подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і евтектичним перетворенням при 1147^оС та подвійної діаграми з обмеженою розчинністю компонентів і евтектоїдним перетворенням при 727^оС. Діаграма являє собою тільки частину повної діаграми залізо-вуглець і обмежується 7% вуглецю, власне це діаграма залізо-хімічна сполука заліза з вуглецем, що називається цементитом (Fe₃C) і містить 6,67% вуглецю. Цементит при низьких температурах слабо феромагнітний і губить магнітні властивості при 217^оС. Цементит досить твердий (>800НВ) і має практично нульову пластичність. Крім хімічної сполуки вуглець утворює з залізом обмежені тверді розчини: обмежений твердий розчин вуглецю в ?-залізі (ОЦК) називається феритом. Максимальний вміст вуглецю в фериті: для високотемпературної кристалічної гратки - 0,1% при 1499оС (т.H), а для низькотемпературної - 0,02% при 727^оС (т.Р). Обмежений твердий розчин вуглецю в ? -залізі (ГЦК) називається аустенітом. Максимальний вміст вуглецю в аустеніті-2,14% при температурі 1147^оС (т.Е). Сталь— сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю. За вмістом вуглецю сталі поділяють на дві групи: м'яка сталь, або технічне залізо (містить до 0,3 % вуглецю) тверда сталь (містить від 0,3 до 2,14 % вуглецю). Чавунами називають залізновуглецеві сплави, що містять більше 2,14% С. Постійних домішок в них також більше, чим в сталях.

2.Вплив вмісту вуглецю на структуру і властивості сталей і чавунів. Сталь є багатокомпонентним сплавом, що містить вуглець і ряд постійних або неминучихдомішок Мп, Si, S, Р, О, N, Н та інші, яківпливають на її властивості. Присутність цихдомішок пояснюється труднощами видаленнячастини з них при виплавці (Р, S), переходом їхв сталь в процесі її розкислення (Мп, Si) або зшихти - легованого металевого брухту (Cr, Ni та ін.) Ці ж домішки, але у великих кількостях, присутні і в чавунах. Вплив вуглецю. Структура стали післяповільного охолодження складається з двохфаз - фериту і цементиту. Кількість цементитузростає в сталі прямо пропорційно вмістувуглецю. Частинки цементиту підвищують опірдеформації, і, крім того, вони зменшуютьпластичність і в'язкість. Внаслідок цього зі збільшенням в сталі вуглецю зростаєтвердість, тимчасовий опір, межа плинності, зменшуються відносне подовження, відноснезвуження і ударна в'язкість. Твердість вуглецевих сталей зростає з підвищеннямвмісту вуглецю.

3. Домішки у вуглецевих сталях; їх вплив на якість сталі.

Крім заліза та вуглецю в сталях присутні елементи, які залишаються через технологічні особливості виробництва (кремній, марганець), неможливість повного видалення (сірка, фосфор, кисень, водень, азот) або як випадкові домішки ( мідь, олово, сурма).

В основному 80% виплавлюваних сплавів є вуглецевими, тому що вони є найдешевшими. Із збільшенням в сталі вуглецю, вона стає твердішою та міцнішою. При цьому пластичність падає.

Кремній та марганець є корисними домішками. Їх допустимий вміст 0,5 та 0,8%. Марганець вводять у сталі для розкислення та видалення окису заліза. Кремній також використовується для розкислення сталі. Він структурно невидимий, бо повністю розчиняється у фериті та підвищує його міцність і пружність.

Сірка і фосфор є шкідливими домішками у сталі. Їх вміст строго обмежується при виготовленні сталей. Сірка утворює з залізом легкоплавку евтектику – 1258  С – FeS. Це призводить до червоноламкості – крихкості при гарячій обробці. Шкідливу дію сірки можна нейтралізувати марганцем. Сірка призводить не тільки до утворення гарячих тріщин, а також змінює міцність, пластичність, опір стиранню та корозійну стійкість.

Фосфор навпаки надає сталі холодноламкості – крихкості при знижених температурах. Розчиняючись у фериті знижує його в’язкість та пластичність. Але для сталей, які обробляються різанням фосфор є корисним.

Кисень, азот, водень є шкідливими невидимими домішками, які зосереджуються в газоподібному стані у дефектах будови. Найпомітніший їх вплив – зниження пластичності та схильність матеріалу до крихкого руйнування.

4. Класифікація, маркування і призначення вуглецевих сталей.

Сталі класифікують за наступними ознаками:

1. За хімічним складом:

• Вуглецеві

• Леговані

2. За вмістом вуглецю:

Низьковуглецеві (до 0,3 С)

• Середньовуглецеві(0,3-0,7 % С)

• Високовуглецеві (>0,7% С)

3. За структурою:

• Доевтектоїдні (0,02-0,8%С) – структураферит+перліт

• Евтектоїдні (0,8% С) – структура перліт

• Заевтектоїдні (0,8-2,14% С) – перліт+цементит

4. За призначенням:

• Конструкційні (до 0,65% С) – машинобудівна та будівельні

• Інструментальні (),7 – 1,3% С) – різальний, вимірювальний інструменти, штампи

• Сталі спеціального призначення

5. За якістю:

• Звичайної якості (до 0,06% сірки; до 0,07% фосфору)

• Якісні (до 0,035% S; до 0,035% P)

• Високоякісні (не більше 0,025% S; 0,020% P)

6. За ступенем розкислення:

• Спокійні (повністю розкислені)

• Киплячі (не повністю розкислені)

• Напівспокійні (проміжне положення)

7. За виробництвом:

• Конверторні

• Мартенівські

• Сталі після електрошлакового переплавлення.

Конструкційні сталі бувають звичайної якості та якісні.

Конструкційні сталі звичайної якості залежно від призначення поділяють на три групи:

А – постачаються за механічними властивостями;

Б – постачаються за хімічним складом;

В – постачаються як за хімічним складом, так і за механічними властивостями.

Вони маркуються:

Група А – Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5;

Груап Б – Б Ст 0,Б Ст 1…;

Група В – В Ст 0, В Ст 1, В Ст 2…; (Ст – сталь; цифра – умовний номер; чим більший номер, тим більші (міцніші) властивості.)

Ступінь розкислення сталі позначається знизу індексом, н-д: Б Ст , В Ст , В Ст . Сталі звичайної якості випускають у вигляді листового або сортового прокату. Призначені для виготовлення будівельних конструкцій, кріплень, деталей машин, які не несуть підвищених навантажень.

Конструкційна якісна вуглецева сталь постачається як за хімічним складом, так і механічними властивостями. Має межі вмісту С від 0,08 до 0,65%. Вона є чистішою за вмістом сірки і фосфору.

Маркується наступним чином: Ст 08, Ст 10, Ст 20, Ст 35, Ст 40. (цифра – вказує на вміст вуглецю в сотих долях відсотка.)

Ці сталі використовують для відповідних деталей машин і механізмів, які працюють при певних навантаженнях для валів, шатунів, болтів, гайок, штампів і т. д.

Інструментальні вуглецеві сталі бувають якісні та високоякісні.

Якісні інструментальні сталі маркуються буквою У і цифрою: У7, У8, У10, У12 (У - високо вуглецева; цифра вказує на вміст вуглецю у десятих долях відсотка).

Високоякісні сталі мають у кінці ще й літеру А, яка вказує на високу якість сталі: У7А, У10А, У12А.

Сталі спеціального призначення:

Ливарні вуглецеві використовують для виготовлення виливки, мають підвищений вміст кремнію та марганцю. Літера Л – ливарна: 15Л, 20Л,…,50Л.

Автоматні сталі на відміну від вуглецевих якісних мають підвищений вміст сірки та фосфору (0,3%, 0,15%). Характерна особливість – добре оброблюються різанням на верстатах-автоматах. Маркуються: А12, А20, А30…(А-автоматна; цифра – вміст С в сотих долях)

Негартована сталь. При її виготовленні її зміцнюють за допомогою холодної пластичної деформації (прокатування, волочіння, пресування). Має підвищену міцність.