мк экзамен / шпоры металлы / 1

1.Структура стали и ее свойства.

Общие сведения.

Качество стали, применяемой при изготовлении металлических конструкций, определяется, ее механическими свойства­ми: прочность, упругость, пластичность, склонность к упругому разрушению, ползучесть, твердость, а также. свариваемость, коррозионная стойкость, склонность к старению и технологичность.

Прочность - характеризует сопротивляемость материала внешним силовым воздействиям без разрушения. Упругость – свойство материала восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Пластичность – свойство материала сохранять деформативное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения. Хрупкость – склонность разрушаться при малых деформациях. Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Твердость – свойство поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала. Прочность металла при статическом нагружении, а также его упругие и пластические свойства определяются испытанием стандартных образцов на растяжение с записью диаграммы зависимости между напряжением  и относительным удлинением ε.

Рис.1.1. К определению механических характеристик металла:

а – образец для испытания на растяжение; б – к определению пропорциональности и предела упругости.

Значения этих показателей устанавливаются ГОСТ. Кроме того, качество стали определяется её сваривае­мостью, которая гарантируется соответствующим химическим составом стали и технологией ее производства. По прочности стали делятся на три группы: малоуглеродистые стали обычной прочности, имеющие бра­ковочное значение предела текучести т=23 кН/см* и временное сопро­тивление в=38 кН/см2;стали повышенной прочности - т =29 ... 40 кН/см: и в= 44...52 кН/см2;стали высокой прочности (низколегированные и термически упрочненные)— т=45...75 кН/см* и более и в=60...85 кН/см1 и более.

В новом СНиП II-В.3-72 по показателям временного сопротивления и предела текучести стали разделены на семь классов. Каж­дому классу стали присвоен индекс С, в числителе указывается наи­меньшее значение временного сопротивления, а в знаменателе — преде­ла текучести в кН/см2 (например. С 38/23).

Механические свойства стали и ее свариваемость зависят от хими­ческого состава, термической обработки и технологии прокатки

Основу стали составляет феррит. Феррит имеет малую прочность и очень пластичен, поэтому в чистом виде в строительных конструкциях не применяется. Прочность его повышают добавками углерода — ма­лоуглеродистые стали обычной прочности; легированием мар­ганцем, кремнием, ванадием, хромом и другими элементами — низколе­гированные стали повышенной прочности; легированием и термическим упрочнением стали высокой прочности.

Структура малоуглеродистой стали, определяющая её механические свойства, зависит от температуры. Температура плавления чистого железа равна 1535º С При охлаждения ниже 1535º -С в процессе кристаллизации образуется так называемое -железо, имеющее кристал­лическую решетку объемно-центрированного куба [ОЦК решетка]. При температуре 1400 º С, когда железо находится уже в твердом состоянии, в процессе охлаждения происходит новое превра­щение и из -железа образуется -железо, обладающее гранецентрированной кубической решеткой (ГЦК- решетка). При температуре 910º С кристаллы с гране центрированной кубической решеткой (-Fe) вновь при охлаждении превращаются в объемно-центрированные, и это со­стояние сохраняется вплоть до комнатной и отрицательных температур. Последняя модификация железа называется -железом.

Температура плавления железоуглеродистых сплавов зависит от со­держания углерода. По мере увеличения содержания углерода в стали температура се плавления снижается. При остывании образуется твер­дый раствор углерода в -железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре кубической гранецентрированной решетки (рис. 11.1.а). При температурах, лежащих ниже 910ºС, из аустенита начинают выделяться кристаллы твердого раствора углерода в -железе, называемого ферритом; -железо в отличие от -железа плохо растворяет углерод, и поэтому его в феррите содержится незна­чительное количество. По мере выделения феррита из аустенита послед­ний все более обогащается углеродом и при температуре 723ºС превра­щается в перлит— смесь, состоящую из перемежающихся пластин феррита и карбида железа, называемого цементитом. Таким образом, структура охлажденной до комнатной температуры ста­ли состоит из двух фаз — цементита и феррита, который образует самостоятельные зерна, а также входит в перлит в виде пластинок.

Феррит весьма пла­стичен и малопрочен, цементит очень тверд и хрупок. Перлит обла­дает свойствами, про­межуточными между свойствами феррита и цементита.

Зерна феррита и перлита в зависимости от числа очагов кристаллизации получаются различной величины. Величина зерен оказывает существенное вли­яние на механические свойства стали (чем мельче зерна, тем выше ка­чество стали).

Структура низколегированных сталей аналогична структуре малоуг­леродистой стали. Низколегированные стали тоже содержат мало углерода, повышение их прочности достигается легированием — добавками, которые, как правило, находятся в твердом растворе с ферритом и этим его упрочняют; некоторые из них образуют карбиды, также упрочняю­щие ферритовую основу и прослойки между зернами.

О сновные химические элементы, применяемые при легировании ма­лоуглеродистой стали, стали повышенной и высокой прочности.

Углеродистая сталь обыкновенного качества состоит из железа и уг­лерода с некоторой добавкой кремния или алюминия, марганца, меди.

Углерод (У), повышая прочность стали, снижает пластичность и ухудшает ее свариваемость; поэтому в строительных сталях, которые должны быть достаточно пластичными и хорошо свариваемыми, угле­род допускается в количестве не более 0,22%.

Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хоро­ший раскислитель; в этом случае кремний в малоуглеродистых сталях добавляется в пределах до 0.3%, в низколегированных сталях — до 1%.

Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите; образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Марганец служит хорошим раскислителем, а соеди­няясь с серой, снижает вредное ее влияние. В малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0.64%, а в легированных — до 1,5%; при содер­жании марганца более 1,5% сталь становится хрупкой.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное ее содержание (более 0.7%) способствует старению стали.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуще­ствляется присадкой металлов, уступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Mn). хром (X). ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля, меди, кремния и алюминия, которые входят в сталь в виде твердых растворов (феррита).

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали: никель повышает прочность стали и пла­стические ее свойства.

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчают получение закалоч­ных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закал­ки и высокого отпуска (улучшения) сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами; такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Азот (А) в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает её хрупкой, особенно при низких температурах. Поэтому его не должно быть более 0,008%. В химически связанном состоянии с алю­минием, ванадием, титаном или ниобием азот, образуя нитриды, стано­вится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой — нормализацией.

Вредные примеси. К ним в первую очередь относятся: фосфор, кото­рый, образуя раствор с ферритом, повышает хрупкость стали особенно при пониженных температурах (хладноломкость) и снижает пластич­ность при повышенных; сера, делающая сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800—1000º С) вследствие обра­зовании легкоплавкого сернистого железа. Поэтому содержание серы и фосфора в стали ограничивается; так, в углеродистой стали СтЗ серы до 0.05% и фосфора до 0.04%.

Вредное влияние на механические свойства стали оказывает насы­щение ее газами, которые могут попасть из атмосферы в металл, нахо­дящийся в расплавленном состоянии. Кислород действует подобно сере, но в более сильной степени и повышает хрупкость стали. Несвязанный азот также снижает качество стали. Водород хотя и удерживается в не­значительном количестве (0.0007%), но, концентрируясь около вклю­чений в межкристаллических областях и располагаясь преимущественно по границам блоков, вызывает в микрообъемах высокие напряжения, что приводит к снижению сопротивления стали, хрупкому разрушению, временного сопротивления и пластических свойств стали. Поэтому рас­плавленную сталь (например, при сварке) необходимо защищать от воздействия атмосферы.

Термическая обработка. Значительного повышения прочности, де­формационных и других свойств стали помимо легирования достигают термической обработкой благодари тому, что под влиянием температуры, а также режима нагрева и охлаждения изменяются структура, ве­личина зерна и растворимость легирующих элементов стали.

Простейшим видом термической обработки является нормализа­ция. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующего охлаждения на воздухе. После нормализация структура стали получается более упорядоченной, сни­маются внутренние напряжения, что приводит к улучшению прочност­ных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости. Поэтому нормализация, являясь простейшим видом термического улуч­шения стали, применяется довольно часто.

При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосхо­дящей температуру фазового превращения, получается закалка. Для закалки необходимо, чтобы скорость остывания была выше скорости превращения фаз. Из переохлажденного аустенита, имеющего углерод в твердом растворе, образуется или бейнит, или мартенсит. Углерода при быстром охлаждении выделяется очень немного, и успевает по­явиться только первая часть фазового превращения—замена решетки аустенита решеткой феррита; в результате получается структура ферри­та, перенасыщенная углеродом, называемая мартенситом. Такая структура оказывается неустойчивой, причем углерод стремится выде­ляться. Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высо­кую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хруп­кому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры произво­дится ее отпуск, т. е. нагрев до температуры, при которой происходят желательное структурное превращение, выдержка при этой температу­ре в течение необходимого времени и затем медленное остывание. По мере нагрева стали при достаточно высоких температурах отпуска (600-800ºС) образуется благоприятная структура, представляющая собой мелкозернистую ферритную основу, в которой распределены мел­кие карбиды. Такая структура называется сорбитом отпуска. Она обладает оптимальным сочетанием прочностных и пластических харак­теристик, высокой стойкостью против хрупкого разрушения и минималь­ным разупрочнением при сварке. Производить отпуск при температурах, превышающих 723°С, нет смысла, так как при этом наступает полная или частичная перекристаллизация стали и эффект термической обра­ботки снимается.

Малоуглеродистая и низколегированная стали повышенной и высо­кой прочности подвергаются термическому упрочнению.

Старение. При температурах ниже температуры образования ферри­та растворимость углерода ничтожна, но все же в небольшом количест­ве он остается в феррите. При благоприятных обстоятельствах углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группиру­ется у различных дефектов кристаллической решётки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и умень­шению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Наряду с углеродом выделяются азот и карбиды других элементов, которые производят аналогичное действие. Эта перестройка структуры и изме­нение прочности и пластичности происходят в течение достаточно дли­тельного времени, поэтому такое явление называется старением.

Старению способствуют: а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение); б) темпе­ратурные колебания, приводящие к изменению растворимости и скоро­сти диффузии компонентов и потому к их выделению (физико-химичес­кое старение, дисперсионное твердение). Невысоким нагревом (до 150-200º) можно резко усилить процесс старения.

При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старе­ние). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воз­действиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению стали, загрязненные и насыщенные газами, например кипящая сталь.