Содержание
Введение
1. Общие сведения об углеродистых сталях и диаграмма железо – цементит..	5
2. Сплавы на основе железа и их классификация……………………………….	8
3. Общие принципы маркировки легированных сталей……………………….	10
4. Конструкционные стали………………………………………………………..	12
4.1 Углеродистые стали обыкновенного качества……………………………	12
4.2 Углеродистые качественные стали………………………………………...	16
4.3 Углеродистые инструментальные стали………………………………….	21
4.3.1 Быстрорежущие стали………………………………………………..	22
5. Производство стали……………………………………………………….........	24
5.1 Производство стали в конвертерных печах………………………………	24
5.2 Производство стали в мартеновских печах………………………………	31
5.2.1 Конструкция и работа мартеновской печи…………………………	32
5.3 Производство стали в сталеплавильных агрегатах непрерывного действия……………………………………………………………………	34
5.4 Современная технология получения стали высокого качества. Внепечная обработка стали………………………………………………..	34
6. Влияние углерода на свойства стали………………………………………….	36
7. Водород в стали………………………………………………………………..	37
7.1 Растворимость, диффузия и способность к проникновению водорода в сплавах железа………………………………………………………………	38
7.2 Влияние поглощение водорода на механические свойства……….........	43
7.3 Водород как легирующий элемент………………………………….........	46
7.4 Водород как причина некоторых пороков стали…………………..........	47
7.5 Влияние водорода при выплавке и обработке стали…………………….	50
8. Азот в стали………………………………………………………………..........	50
8.1 Общие сведения……………………………………………………….........	50
8.2 Система железо – азот………………………………………………………	50
8.3 Углеродистые сплавы железа с азотом……………………………………	53
8.4 Влияние азота на свойства стали………………………………………….	54
8.5 Азот как легирующий элемент…………………………………………….	56
8.6 Повышение поверхностной твердости путем азотирования……………	57
8.7 Азотируемые стали в технике……………………………………………	58
8.8 Свойства азотируемого слоя………………………………………………	61
8.9 Применение азотирования…………………………………………………	65
8.10 Цианирование…………………………………………………………….	66
8.11 Влияние азота при выплавке и обработке стали……………………….	68
9. Кислород в стали……………………………………………………………….	69
9.1 Система железо – кислород……………………………………………….	69
9.2 Влияние кислорода на свойства стали……………………………………	72
10. Влияние постоянных примесей на свойства стали………………………….	80
11. Химико – термическая обработка стали………………………………........	82
11.1 Цементация сталей………………………………………………………	82
11.2 Азотирование сталей………………………………………………………	96
11.3 Борирование сталей……………………………………………………….	98
11.4 Силицирование сталей……………………………………………………	99
11.5 Алитирование сталей……………………………………………………..	101
11.6 Цинкование сталей…………………………………………......................	103
11.7 Хромирование сталей……………………………………………….........	105
Заключение…………………………………………………………………………	109
Литература…………………………………………………………………………	110
Приложение А……………………………………………………………………..	111
Приложение Б……………………………………………………………………..	114

Введение

Известно, что эффективным и простым методом повышения работоспособности металлических материалов является химико-термическая обработка. Существуют простые и более сложные способы термической и химико-термической обработки, состоящие из прерывистых, ступенчатых нагревов или охлаждений с выдержками при двух и более средах и в различных температурах нагрева. Наконец, известны и многократные термические обработки, примерами которых являются закалка и отпуск, двойная и тройная закалка с отпуском, двойная нормализация и отпуск и т.д. Эти многократные термообработки принципиального отличия от одноразовых не имеют, хотя они часто позволяют получать металл с удовлетворительными свойствами для конкретных условий эксплуатации. Итак, несмотря на различия, всем способам химико-термической обработки свойственны три стадии: нагрев, выдержка и охлаждение в определенной или нескольких средах.

В связи с ускоренным развитием техники крайне актуальными стали вопросы повышения надежности и долговечности деталей машин, приборов, установок, повышение их качества, а, следовательно, вопросы экономии металлов, борьбы с коррозией и износом деталей машин. Решение этих проблем, прежде всего, связано с упрочнением поверхностных слоев изделий. Роль их в долговечности машин и механизмов, приборов и др. особенно возросла в настоящее время, так как развитие большинства отраслей промышленности (авиационная, ракетная, теплоэнергетика, атомная энергетика, радиоэлектроника и др.) связано с повышением нагрузок, температур, агрессивности сред, в которых работает деталь.

Изменить свойства поверхности в необходимом направлении можно различными способами. Их можно условно разделить на два вида: 1) нанесение на поверхность нового материала с необходимыми свойствами; 2) изменение состава поверхностного слоя металла, обеспечивающего желаемое изменение свойств.

В первом случае применяют такие хорошо известные покрытия, как гальванические, химические, наплавочные и др. На поверхность металлических сплавов наносят и неметаллические материалы — эмаль, краску, различного рода синтетические материалы.

Во втором случае поверхностные слои металла подвергают диффузионной химико-термической обработке (ХТО), в результате которой на поверхности изделия образуется новый, отличающийся от сердцевины сплав.

ХТО позволяет получить в поверхностном слое изделия сплав практически любого состава и, следовательно, обеспечить комплекс необходимых свойств — физических, химических, механических и др.

Применение ХТО и ТО к металлическим материалам дает положительные результаты, повышая уровень конструкционной прочности обрабатываемого материала.

1.Общие сведения об углеродистых сталях и диаграмма состояния Fe - Fe3c

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния железо - цементит (рисунок 1). Эта диаграмма характеризует фазовый состав в системе железо-цементит.

Координаты характерных точек диаграммы приведены в таблице 1. Точка А определяет температуру плавления чистого железа, а точка D -температуру плавления цементита. Точки N и G - соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и Р характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите.

Превращения в сплавах системы железо - цементит происходят как при затвердевании жидкой фазы, так и в твердом состоянии. Первичная кристаллизация идет в интервале температур, определяемых на линии ликвидуса (ABCD) и линии солидуса (AHJECP). Вторичная кристаллизация вызвана превращением железа одной модификации в другую и переменной растворимостью углерода в аустените и феррите; при понижении температуры их растворимость уменьшается. Избыток углерода из твердых растворов выделяется в виде цементита.

Линии ES и PQ характеризуют изменение концентрации углерода в аустените и феррите соответственно. Цементит имеет почти неизменный состав (вертикальная линия DFKL). Цементит, выделяющийся из аустенита, - вторичный; цементит, выделяющийся из феррита, - третичный. Соответственно линию СВ на диаграмме состояния называют линией первичного цементита, ES - линия вторичного цементита, PQ - линия третичного цементита.

В системе железо - цементит происходит три изотермических превращения:

Перитектическое превращение на линии HJB (1499°С)

Эвтектическое превращение на линии ЕСР (1147°С)

Эвтектоидное превращение на линии PSK (727°C)

Эвтектическая смесь ледебурит (названная в честь ученого Ледебурга) - это смесь аустенита и цементита, а перлит (название структура получила из-за своего перламутрового цвета) - эвтектоидная смесь феррита и цементита.

Эвтектоид - перлит (содержит 0,8% С) и эвтектику - ледебурит (4,3% С) рассматривают как самостоятельные температурные составляющие, оказывающие заметное влияние на свойства сплавов.

В системе Железо - Цементит различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы - феррит и аустенит, а также цементит и графит.

Феррит (Ф) — твердый раствор углерода и других примесей в -железе. Различают низкотемпературный -феррит с растворимостью углерода до 0,02% и высокотемпературный -феррит с предельной растворимостью углерода 0,1%. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных полиэдрических зерен.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо – цементит [1]

Таблица 1 - Координаты характерных точек диаграммы состояния Fe-Fe₃C[l]

Обозначение точки	Температура, t,°C	Содержа­ние углерода, %	Обозначение точки	Температура t,°C	Содержание углерода, %
А	1539	0	J	1490	0,18
В	1490	0,51	G	911	0
С	147	4,3	К	727	6,67
D	1600	6,67	N	1392	0
Е	1147	2,14	Р	727	0,02
F	1147	6,67	S	727	0,8
Н	1490	0,1	Q	20	0,005

Феррит имеет примерно следующие механические свойства: = 250 МПа, = 120 МПа, - 50%, = 80%, НВ = 80 - 90 (800 - 900 МПа).

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и других примесей в -железе.

Предельная растворимость углерода в -железе - 2,14%. Атом углерода в решетке -железа располагается в центре элементарной ячейки.

Различные размеры элементарных сфер в ОЦК и ГЦК решетках и предопределили значительно большую растворимость углерода в -железе по сравнению с -железом. Аустенит обладает высокой пластичностью, низкими пределом текучести и временным сопротивлением разрыву. [1]

До настоящего времени общепринято мнение, что цементит - это химическое соединение железа с углеродом (Fe₃C). Если это так, то совершенно непонятно резкое различие термической стойкости первичного, вторичного и третичного цементитов. В этом случае свойства химического соединения не должна определять температура, при которой оно выделяется. С позиции водородной платформы черной металлургии основная фаза в углеродистой стали - Fe₃(CHNO).[2]

В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1500°С (по некоторым данным 1600°С). До температуры 210°С цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость HV 1000 (10000 МПа) и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновесия в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графит.

Графит. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Межатомные расстояния в решетке наибольшие и составляют 0,142 нм. Графит мягок, обладает низкой прочностью и электропроводностью, подробней на нем остановимся в последующих параграфах.[1]