Сталь

Содержание.

1.Содержание 1

2.Введение 2

3.Определение стали 4

4.Классификация стали 5

5.Состав, строение (структура) стали 7

6.Свойства стали 12

7.Применение стали 14

8.Виды изделий 17

9.Заключение 19

10.Библиография 20

Введение.

Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, кото­рые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.

Металлы разделяют на несколько групп: черные, цветные и благородные. К группе черных металлов относятся железо и его сплавы, марганец и хром. К цветным относятся почти все остальные металлы периодической системы .

Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.

Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей. Сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.

Сталеплавильное производство – это получение стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.

Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, так как сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей, из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.

Определение стали.

Кроме железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси. Сталь – основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химически технологических свойств. Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX в.

В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки.

Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.

Классификация стали.

Углеродистые стали, классифицируют по содержанию углерода, назначению, качеству, степени раскисления и структуре в равновесном состоянии.

По содержанию углерода стали, подразделяются на низкоуглеродистые (0,7%С).

По назначению стали классифицируют на конструкционные и
инструментальные. Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и
горячего (до 200 0С) деформирования.

По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества,
качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается
совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее
производства. Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5 % С), качественные и высококачественные – углеродистыми и
легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное
положение между спокойными и кипящими. По структуре в равновесном состоянии стали, делятся на:

1) доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит;

2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита;

3)заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали. Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т. д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов.

Состав, строение (структура) стали.

Структура стали зависит от температуры. Чистое железо имеет температуру плавления ~ 1535°; по мере увеличения количества углерода и других компонентов температура плавления уменьшается и малоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,2% начинает застывать при температуре ~ 1520°. Сначала образуются кристаллы чистого железа - феррита, затем они обогащаются углеродом и при температуре 1490° вся сталь переходит в твердый раствор углерода в железе, называемый аустенитом (Feg), в котором атом углерода располагается в центре атом­ной кубической решетки железа. Атомы железа располагаются весьма плотно по углам куба решетки и в центре граней, всего 14 атомов (гранецентрированная система атомной решетки, рис. 4); при меньшем содержании углерода переход в аустенит совершается при более низких температурах (до 1400°). Аустенит сохраняется до температуры ~900°; после этого начинается распад его и замена гранецентрированной решетки аустенита более рыхлой решеткой чистого железа — феррита (Fea) имеющей, кроме атома в центре куба, еще атомы по углам куба, всего 9 атомов (рис.5), Почти весь углерод при этом выделяется из раствора.

Распад аустенита заканчивается при температуре ~700°. Выделившийся углерод входит в химическое соединение с железом, образуя карбид железа Ре3С, называемый цементитом. Таким образом, при более низких температурах сталь состоит из двух компонентов: феррита (почти чистого железа), содержащего ничтожно малое количество углерода (до 0,003%), и цементита. Феррит весьма мягок и пластичен, цементит же очень тверд и хрупок.

Размеры ячеек этих компонентов также различны: ребро куба решетки феррита равняется 2,88 A (ангстрема), размеры решетки цементита — 5,08 X 4.51 x 6.73 A.

Количество цементита зависит от содержания в стали углерода. Феррит образует зерна (кристаллиты), занимающие почти весь объем металла, с различной ориентацией в них кристаллов (ячеек) в зависимости от направления кристаллизации; цементит располагается между зернами феррита. При распаде аустенита при температуре 900 — 700°, поскольку более плотная структура аустенита заменяется более рыхлой структурой феррита, происходит увеличение объема, несмотря на понижение температуры. В малоуглеродистых сталях углерода немного, не все ячейки аустенита содержат углерод, поэтому цементит образуется только в некоторых местах. Там вместе с частицами феррита, не имеющими на границах зерен правильного строения, цементит образует смесь — перлит, который размещается между зернами феррита в виде отдельных включений или прослоек. При травлении шлифа стали (при металлографических исследованиях) феррит получает светлую окраску, а перлит — темную (рис.6), что весьма облегчает определение величины ферритовых зерен, а также количества углерода, поскольку феррит почти не растворяет углерода, который весь в виде цементита находится в перлите. Перлит, так же как и цементит, достаточно прочен и упруг.

Рис.6. Микроструктура стали

Зерна феррита получаются различной величины в зависимости от числа очагов кристаллизации. Каждое зерно как кристалли­ческое образование резко анизотропно, имея различные сопротивления и модули упругости по разным направлениям. Однако в целом сталь, состоящая из весьма большого числа зерен, ориентированных по разнообразным направлениям, статистически имеет в среднем по всем направлениям одинаковые сопротивления. Сталь при упругой работе ведет себя как типично квазиизотропное тело: чем зерна мельче и чем их число больше, тем сталь более изотропна. Модули упругости феррита по различным направлениям меняются от 29000 докг/мм2, составляя в среднем примернокг1мм2. Предел прочности феррита в среднем равен всего 25 кг1мм2 при относительном удлинении 50%, предел прочности цементита 80 — 100 кг/мм2 при удлинении 1%; таким образом, цементит почти совершенно хрупок. Перлит имеет средние характеристики между ферритом и цементитом.

Структура низколегированных сталей, также состоящих из феррита и перлита, аналогична структуре стали 3. Как уже было отмечено в параграфе 2, п. 2, низколегированные стали содержат мало углерода и повышение их прочности получается за счет легирующих добавок (марганца, кремния, никеля, хрома и т. д.), которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и этим его упрочняют; некоторые из них, кроме, того, образуют карбиды и упрочняют также прослойки между зернами феррита. Распад аустенита и образование феррита в низколегированных сталях происходит при более низких температурах, чем у стали 3 (500 — 450°).

Плотность стали - (7,7-7,9)*103 кг/м3 (приблизительно 7,8*103 кг/м3);

Плотность вещества (в нашем случае стали) есть отношение массы тела к его объему (другими словами плотность равна массе единицы объема данного вещества):

d=m/V, где m и V - масса и объем тела.

За единицу плотности принимают плотность такого вещества, единица объема которого имеет массу, равную единице:
в системе СИ это 1 кг/м3, в системе СГС - 1 г/см3, в системе МКСС - 1 тем/м3. Эти единицы связаны между собой соотношением:

1 кг/м3=0,001 г/см3=0,102 тем/м3.

Удельный вес стали - (7,7-7,9) г/cм3 (приблизительно 7,8 г/cм3);

Удельный вес вещества (в нашем случае стали) есть отношение силы тяжести Р однородного тела из данного вещества (в нашем случае стали) к объему тела. Если обозначить удельный вес буквой γ , то:

γ=P/V.

С другой стороны, удельный вес можно рассматривать, как силу тяжести единицы объема данного вещества (в нашем случае стали). Удельный вес и плотность связаны таким же соотношением, как вес и масса тела:

γ/d=P/m=g.

За единицу удельного веса принимают: в системе СИ - 1 н/м3, в системе СГС - 1 дн/см3, в системе МКСС - 1 кГ/м3. Эти единицы связаны между собой соотношением:

1 н/м3=0,0001 дн/см3=0,102 кГ/м3.

Иногда используют внесистемную единицу 1 Г/см3.

Так как масса вещества, выраженная в г, равна его весу, выраженному в Г, то удельный вес вещества (в нашем случае стали), выраженный в этих единицах, численно равен плотности этого вещества, выраженной в системе СГС.

Аналогичное численное равенство существует и между плотностью в системе СИ и удельным весом в системе МКСС.

Сталь—сплав железа с углеродом (до 2%) и сопутствующими примесями в виде марганца, кремния, серы, фосфора и др. Стали, при­меняемые в машиностроении, обычно содержат от 0,05 до 1,5% С.

Железо в твердом состоянии может находиться в двух модифика­циях:

Углерод является вторым основным компонентом, определяющим структуру, механические и технологические свойства стали.

Примеси, присутствующие в стали делят на четыре группы:

постоянные, или обычные (табл. 1)—марганец, кремний, фосфор и сера, если их содержание находится в пределах: до 0,8% Mn; до 0,4% Si; до 0,05% Р и до 0,05% S;

скрытые — азот, кислород, водород, присутствующие в любой стали, в очень малых количествах (тысячные доли процента);

случайные — например, мышьяк, свинец, медь и др., попадающие в сталь из-за того, что они содержатся в рудах или шихтовых материа­лах данного географического района или связаны с определенным технологическим процессом производства стали;

специальные (легирующие элементы) — их вводят в состав стали для получения нужных по условиям службы деталей свойств стали. В этом случае сталь называют легированной.

Свойства стали.

Влияние примесей на свойства стали:

Постоянными примесями в углеродистых сталях являются: марганец, кремний, сера, фосфор, а также скрытые примеси — газы: кислород, азот, водород.

Полезными примесями являются марганец и кремний. Их вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления:

FeO + Мn → МnО + Fe; 2FeO + Si → SiO2 + 2Fe.

В углеродистой стали содержится до 0,8 % Мn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы: FeS + Мn → MnS + Fe.

В полностью раскисленной углеродистой стали содержится до 0,4 % Si. Кремний является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению.

Вредными примесями в стали являются сера и фосфор. Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS — сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца благодаря высокой ликвации серы в стали может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe—FeS (Tпл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Марганец устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1 620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Повышенное (до 0,2 %) содержание серы допускается лишь в автоматных сталях для изготовления крепежных деталей неответственного назначения. Сера улучшает обрабатываемость стали.

Основной источник фосфора — руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода, особенно в хромистых и хромо-никелевых сталях, приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

Даже небольшие концентрации газов оказывают резко отрицательное влияние на свойства, ухудшая пластические и вязкие характеристики стали. Поэтому вакуумирование является важной операцией для улучшения свойств стали.

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Сr, Ni, Сu, наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

Применение стали.

1. Классификация в зависимости от основных свойств стали и сплавы подразделяют на группы:

1.1 Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др.;

1.2 Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы, обладающие стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550°С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;

1.3 Жаропрочные стали и сплавы, способные работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

2. Практическое применение высоколегированных сталей

2.1. Примерное назначение марок коррозионностойких сталей и сплавов I группы

Марки сталей и сплавов	Назначение
Новое обозначение	Старое обозначение
20Х13	2Х13	Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидравлических прессов, предметы домашнего обихода), а также изделия подвергающиеся действию слабоагрессивных сред (атмосферные осадки, водные растворы солей органических кислот при комнатной температуре и др.).
30Х13	3Х13	Режущий, мерительный и хирургический инструмент, пружины, карбюраторные иглы, предметы домашнего обихода, клапанные пластины компрессоров.
40Х13	4Х13
14Х17Н2	1Х17Н2, ЭИ 268	Применяется как сталь с достаточно удовлетворительными технологическими свойствами в химической, авиационной и других отраслях промышленности.
15Х25Т	Х25Т, ЭИ 439	Рекомендуется в качестве заменителя стали марки 12Х18Н10Т для сварных конструкций, не подвергающихся действию ударных нагрузок при температуре эксплуатации не ниже − 20°С для работы в более агрессивных средах по сравнению со средами, для которых рекомендуется сталь марки 08Х17Т. Трубы для теплообменной аппаратуры, работающей в агрессивных средах.
10Х17Н13М2Т	Х17Н13М2Т, ЭИ 448	Рекомендуется для изготовления сварных конструкций, работающих в условиях действия кипящей фосфорной, серной, 10%-ной уксусной кислоты и сернокислых средах.
10Х17Н13М3Т	Х17Н13М3Т, ЭИ 432
12Х18Н9	Х18Н9	Применяется в виде холоднокатаного листа и ленты повышенной прочности для различных деталей и конструкций, свариваемых точечной сваркой, а также для изделий, подвергаемых термической обработке (закалке).
08Х18Н10	0Х18Н10
08Х18Н10Т	0Х18Н10Т, ЭИ 914	Рекомендуется для изготовления сварных изделий, работающих в средах более высокой агрессивности, чем сталь марок 12Х18Н10Т и 12Х18Н12Т.
12Х18Н10Т	Х18Н10Т	Применяется для изготовления сварной аппаратуры в разных отраслях промышленности. Сталь марки 12Х18Н9Т рекомендуется применять в виде сортового металла и горячекатаного листа, не изготовляемого на станах непрерывной прокатки.
12Х18Н9Т	Х18Н9Т
12Х18Н12Т	Х18Н12Т	Применяется для тех же целей, что и сталь марки 08Х18Н10, при жестком ограничении содержания ферритной фазы.
06ХН28МДТ	0Х23Н28М3Д3Т, ЭИ 943	Для сварных конструкций, работающих при температурах до 80°С в серной кислоте различных концентраций, за исключением 55%-ной уксусной и фосфорной кислот, в кислых и сернокислых средах.

2.2. Примерное назначение жаростойких сталей и сплавов II группы

15Х25Т	Х25Т, ЭИ 439	Аппаратура, детали, чехлы термопар, электроды искровых зажигательных свечей, трубы пиролизных установок, теплообменники.
08Х18Н10	0Х18Н10	Трубы детали печной арматуры, теплообменники, муфели, реторты, патрубки и коллекторы выхлопных систем, электроды искровых зажигательных свечей.
12Х18Н9	Х18Н9
08Х18Н10Т	0Х18Н10Т, ЭИ 914	То же
12Х18Н10Т	Х18Н10Т	То же
12Х18Н9Т	Х18Н9Т	То же
12Х18Н12Т	Х18Н12Т	Трубы

2.3. Примерное назначение жаропрочных сталей и сплавов III группы

20Х13	2Х13	Лопатки паровых турбин, клапаны, болты и трубы.
14Х17Н2	1Х17Н2, ЭИ 268	Рабочие лопатки, диски, валы, втулки.
12Х18Н10Т	Х18Н10Т	Детали выхлопных систем, трубы, листовые и сортовые детали.
12Х18Н12Т	Х18Н12Т	То же
20Х23Н18	Х23Н18, ЭИ 417	Детали установок в химической и нефтяной промышленности, газопроводы, камеры сгорания (может применяться для нагревательных элементов сопротивления).

Виды изделий.

Сталь – это особый сплав с использованием железа, хрома и прочих примесей. В процессе производства стали используются следующие виды материалов: чугун для переделки в сталь и стальной лом, или скрап. Изготовление нержавеющей стали – процесс сложный и длительный.

Обычно проходит в три этапа. Существует также три основных способа производства: конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный. Первый способ включает в себя технологию продувки воздухом чугуна. Мартеновский процесс производства стали – особая плавка в печи. Так называемые мартеновские печи бывают стационарными и качающимися. Электросталеплавильный способ включает в себя производство стали в электропечах. Это самый распространенный в наше время метод изготовления стальных материалов. Чем он хорош? Во-первых, благодаря легкому нагреву металла, можно вводить большое число легирующих добавок. Во-вторых, возможность регулировки температуры металла. В-третьих, в печи можно создать определенную атмосферу (вакуумную, окислительную и т. п.). Современные печи бывают дуговыми и индукционными.

Теперь перейдем непосредственно к рассмотрению наиболее популярного изделия из нержавеющей стали – стальные трубы. Трубы бывают нескольких видов: стальные бесшовные, электросварные, профильные, стальные котельные, насосно-компрессорные, стальные коррозионно-хладостойкие и другие. Все стальные трубы делятся на 6 классов. Многие изделия подвергаются специальной антикоррозной обработке. Это позволяет улучшить физические свойства и качества продукции. Кроме того, трубы могут покрываться специальными материалами, например пластмассой, цементом, антикоррозными красками и лаками и так далее. Внутреннюю и наружную стороны стальных труб уплотняют с помощью определенных материалов.

Производятся стальные трубы, как и прочий стальной металлопрокат. С помощью прокатки и обжатия изготовляются трубы любой формы и сечения. Их применение сводится не только к строительству, но и к таким отраслям человеческой деятельности, как кораблестроение, строительство мостов, машиностроение, сельское хозяйство и бытовым устройствам.

Нержавеющая сталь – это универсальный материал, а стальные конструкции и изделия отличаются легкостью наряду с прочностью и широкими возможностями их использования. Продукция из стали включает в себя уголки, круги, отводы, а также трубы различного сечения как один из основных видов стальных изделий.

Заключение.

Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его метал­лическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.

Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл – фундамент современной цивилизации, ос­нова основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах.

Библиография.

1.Основы металлургического производства (черная металлургия)

Москва «Металлургия» 1988.

2.Энциклопедия «Радость познания» Том 1 «Наука и вселенная»

Москва «МИР» 1983.

3.Материаловедение и технология металлов / , и др. – М.:Металлургия, 1994.

4.Справочник металлиста. В 5-ти т. Т.2 / Под ред. , . – М.:Машиностроение, 1976.

5.Энциклопедический словарь юного техника / Сост. , . – М.:Педагогика, 1987.