СОДЕРЖАНИЕ Введение……………………………………………………..…..3 1.Классификация стали…………………………………………4 2.Структуры сталей и их свойства……………………….…….6 2.1 Структура сталей………………………………...…….….6 2.2 Физические свойства стали……………………..…….….6 2.3 Механические свойства стали………...……..………..….7 3. Характеристики стали………………………………..….….12 4. Зависимость свойств от состава и структуры……….……13 5.Виды стали………………………………………………..…..14 5.1Углеродистые стали……………………………..……......14 5.2 Легированные стали и сплавы…………………………..16 6. Строительные стали и их маркировка……………….....….17 7.Способ производства стали……………………………...….18 Заключение………………………………………………...……24 Список использованной литературы……………………...…..25 2 ВВЕДЕНИЕ Сталь – это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. В этом сплаве железо является основой (растворителем), а другие элементы – примесями, растворенными в железе. Примеси могут оказывать на свойства стали как положительное, так и отрицательное влияние, поэтому их делят на полезные и вредные. Полезные примеси в основном влияют на свойства кристаллов (зерен), а вредные примеси ухудшают межкристаллические (межзеренные) связи. В сталях большинства марок главной полезной примесью является углерод. Такие стали называют углеродистыми. Содержание углерода в углеродистых сталях чаще всего составляет 0,05 – 0,50 %, но может достигать ≥ 1 % (теоретически до 2,14 %). В углеродистых сталях в качестве полезной примеси также могут содержаться марганец (0,3 – 0,6 %) и кремний (0,15 – 0,3 %). Содержание вредных примесей, которыми обычно являются сера, фосфор, кислород и азот, ограничивают сотыми и тысячными долями процента. Металлургия стали как производство возникла примерно 3,5 тыс. лет назад в районе Суэцкого залива (Сирия, Египет). Путь развития черной металлургии можно разделить на несколько этапов. 3 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛИ Полученные тем или иным способом стали чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и составу. Их классифицируют по способу производства, назначению, качеству, химическому составу, характеру застывания в изложницах и строению получающегося слитка. Классификация стали и требования к ее составу и качеству обусловлены соответствующими государственными стандартами и техническими условиями. По способу производства сталь может быть мартеновской, конвертерной, электросталью, электрошлакового переплава и полученной другими способами. По назначению можно выделить следующие основные группы сталей: а) конструкционная сталь, которую применяют при изготовлении различных металлоконструкций (для строительства зданий, мостов, различных машин и т.п.). Конструкционные стали могут быть как простыми углеродистыми, так и легированными. Легированная сталь несколько дороже углеродистой, но так как она обладает значительно лучшими механическими свойствами, то расход ее на изготовление тех или иных конструкций значительно ниже, чем углеродистой; б) топочная и котельная сталь – низкоуглеродистая сталь, применяемая для изготовления паровых котлов и топок. Эта сталь должна иметь хорошие пластические свойства в холодном состоянии, хорошо свариваться, не должна иметь склонности к старению; в) сталь для железнодорожного транспорта – рельсовая сталь, осевая сталь, сталь для бандажей железнодорожных колес. Это среднеуглеродистая сталь, к ней предъявляются высокие требования при механических испытаниях, например на усталость, при проверке сплощности структуры металла; г) подшипниковая сталь служит материалом для изготовления шариковых и роликовых подшипников. К этой стали, содержащей около 1% С и 1,5% Cr, предъявляют очень высокие требования по содержанию неметаллических включений; д) инструментальная сталь применяется для изготовления различных инструментов, резцов, валков прокатных станов, деталей кузнечного и штамповочного оборудования. Она содержит обычно значительное количество углерода, а также в ряде марок – значительное количество легирующих элементов: хрома, вольфрама, молибдена и других. Кроме указанных, имеется еще ряд групп сталей, назначение которых видно из самого их названия: рессорно-пружинные, электротехнические, трансформаторные, динамные, нержавеющие, орудийные, снарядные, броневые, трубные стали и другие. По качеству, то есть по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы: • обыкновенного качества (рядовые) сера,% фосфор,% менее 0,06 менее 0,07; 4 • качественные менее 0,04 менее 0,035; • высококачественные менее 0,025 менее 0,025; • особо высококачественные менее 0,015 менее 0,025. Стали обыкновенного качества по химическому составу - углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений. Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов. Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. По химическому составу различают стали: углеродистые, низколегированные, легированные. По характеру застывания стали в изложницах различают спокойные, кипящие и полуспокойные стали. Поведение металла при кристаллизации в изложнице зависит от степени раскисленности: чем полнее раскислена сталь, тем спокойнее кристаллизируется слиток. Каждый из перечисленных видов классификации стали характеризирует свойства металла, его надежность в работе, стоимость, возможность получения в определенных количествах и другие параметры. 5 2.СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ И ИХ СВОЙСТВА. 2.1 Структура сталей. Феррит — твердый раствор углерода (обычно низкой концентрации, порядка сотых долей процента) и других элементов в α-железе α — Fe (почти чистое железо α). Феррит имеет кубическую объемно-центрированную решетку. Он ферромагнитен (ниже 769 °С), мягок и пластичен. Аустенит — твердый раствор углерода и легирующих элементов в γ-железе γ — Fe. Кристаллическая решетка — куб с центрированными гранями. Аустенит немагнитен, плотность его больше, чем плотность других составляющих стали. Сорбит, тростит, мартенсит относятся к неравновесным структурам стали. Сорбит — продукт превращения (распада) аустенита в интервале (районе) температур 600 — 650 °С, смесь феррита и сфероидального цемента, отличающаяся от перлита большей дисперсностью составляющих и более высокой твердостью. Тростит — продукт превращения аустенита в интервале температур 500 — 600 °С, смесь феррита и цементита еще большей дисперсности и твердости, чем сорбит. Мартенсит — твердый раствор углерода и других элементов в γ-железе, полученный в результате бездиффузнонного превращения. Мартенсит обладает высокой твердостью, ферромагнитен, имеет игольчатое строение — содержание углерода в мартенсите равно исходному его содержанию в аустените. 2.2 Физические свойства стали. Плотность ρ ≈ 7,86 г/см3; Коэффициент линейного теплового расширения α = (11…13)·10-6 К-1; Коэффициент теплопроводности k = 58 Вт/(м·K); Модуль Юнга E = 210 ГПа; Модуль сдвига G = 80 ГПа; Коэффициент Пуассона ν = 0,28…0,30; Удельное электросопротивление (20 °C, 0,37—0,42 % углерода) = 1,71·10−7 Ом·м. 6 2.3 Механические свойства стали. Без сомнения наиболее важными свойствами сталей, благодаря которым они находят такое широкое применение, являются их механические свойства. Эти свойства включают комбинацию очень высокой прочности со способностью к значительному изменению формы, например, пластическому прогибу, перед окончательным разрушением. Чтобы характеризовать прочность и пластичность (меру пластического прогиба) сталей и других металлов разработаны различные методы испытаний. Прочность сталей. Механические свойства сталей, как и других металлических материалов, чаще всего определяются с помощью испытания на растяжение. Испытание на растяжение заключается в приложении растягивающего усилия к образцу – чаще всего, в виде стержня – и измерении изменения длины образца при увеличении прилагаемого усилия (рисунок 1). Образец вырезают из интересующего материала или изделия. Результат испытания представляет собой диаграмму растяжения — график, на котором по вертикали откладывается напряжение (усилие на единицу площади образца), а по горизонтали – деформация (относительное изменение длины образца). Рисунок 1 – Диаграмма напряжение-деформация при испытании образца на растяжение При малых деформациях стержень ведет себя упруго – он «отпружинивает» обратно к своей исходной длине, если приложенные напряжения снимают. При напряжении выше 7 величины, которую называют пределом текучести, стержень начинает деформироваться пластически. Это значит, что после снятия прилагаемых напряжений стержень уже не возвращается к своей исходной длине, а получает необратимое удлинение. Путем растяжения стержня до разрушения находят максимальное напряжение на диаграмме растяжения. Это максимальное напряжение называют прочностью при растяжении или временным сопротивлением растяжению материала, из которого был изготовлен образец. Пластичность сталей. Если при простом испытании на изгиб металл разрушается только после большого пластического прогиба, то его считают пластичным. Если такого прогиба нет совсем или он незначительный – материал называют хрупким. Хорошая пластичность металла проявляется при испытании на растяжение высокой величиной удлинения образца и/или его сужения. Удлинение выражает в процентах увеличение длины образца после разрушения к его исходной длине (см. рисунок 1). Аналогично сужение выражает в процентах уменьшение площади образца по сравнению с его исходной площадью (рисунок 2). Рисунок 2 – Диаграмма растяжения для хрупкого и пластичного металлов Чаще всего механические свойства сталей в целом оценивают по трем показателям: пределу прочности, пределу текучести и удлинению. Пределы прочности и пластичности обычно выражают в мегапаскалях (МПа), удлинение – в процентах (%). Практически всегда с увеличением прочности металла или сплава его пластичность снижается. 8 Твердость сталей. При испытаниях на твердость механические свойства сталей оценивают путем внедрения в него при заданном усилии твердого материала, так называемого индентора (рисунок 3). Часто такой индентор изготавливают из алмаза. В результате испытания в материале образуется отпечаток – по его размерам судят от твердости стали: в испытании по Роквеллу — по глубине отпечатка, в испытаниях по Бриннелю и Викерсу – по его ширине. Рисунок 3 – Схема испытания на твердость и его основные характеристики Соотношение прочности и твердости сталей. В закаленных и отпущенных сталях наблюдается хорошая корреляция между пределом прочности и твердостью – по твердости можно оценивать прочность и наоборот. Для термически упрочненных сталей твердость 45 HRC и выше является обычным делом. Твердость 45 HRC соответствует прочности при растяжении 1480 МПа. Если сравнить это с самыми прочными промышленными сплавами алюминия, меди и титана, которые грубо имеют прочность соответственно 570, 1220 и 1350 МПа, то станет ясно, что сталь прочнее всех этих материалов. Вязкость сталей. Важным механическим свойством стали является ее вязкость. Обычно термин вязкость применяют, как меру способности металла разрушаться нехрупко. Характер разрушения – хрупкий или пластичный – хорошо рассматривать на примере ферритных сталей. Все металлы с объемноцентрированной кубической атомной решеткой – как и ферритные стали – имеют один общий недостаток. Они разрушаются хрупко при 9 низких температурах, тогда как при достаточно высоких температурах разрушаются нормально – пластически. Температура перехода от пластического разрушения к хрупкому называется температурой вязко-хрупкого перехода. Она определяется как температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение. Температуру хрупкого перехода можно в принципе определять испытанием на растяжение, но при одноосном растяжении ее величина значительно ниже, чем та, которую наблюдают в сложных стальных деталях. Опыт показал, что испытания на ударную вязкость по методу Шарпи намного лучше согласуются с опытными данными по хрупкому разрушению сложных деталей. Схема метода испытания на ударную вязкость по Шарпи показана на рисунке 4. Рисунок 4 – Схема ударного испытания по методу Шарпи Усталость сталей. Усталостное разрушение – это тип разрушения, который происходит в металлических деталях, которые подвергаются циклическим нагрузкам. 10 Рассмотрим ось на колесах, на которую «давит» довольно тяжелый груз. Это груз вызывает изгиб в центре в точке посередине между колесами, как показано схематически на рисунке 5. Этот изгиб заставляет металл растягиваться в точке Т и сжиматься в точке С. Другими словами это означает, что в точке Т металл подвергается растягивающим напряжениям, а в точке С – сжимающим. Поэтому, поскольку ось вращается каждая точка посередине оси подвергается циклическим напряжениям – растягивающим, когда она находится внизу и сжимающим, когда вверху. Рисунок 5 – Смена сжимающих и растягивающих напряжения на поверхности вращающейся оси В хорошо спроектированной оси максимальные растягивающие напряжения будут далеко ниже предела текучести и все деформации, которые происходят на поверхности металла во время вращения, будут в упругой области, как это показано в нижней части рисунка 5. Однако, если на поверхности металла есть маленькая царапина, то в этом месте поверхности возникает так называемая концентрация напряжений. Если величина напряжений в этой точке будет превышать предел текучести, то здесь может зародиться трещина. Каждый раз, когда ось делает оборот, эта трещина будет расти, пока не станет достаточно большой, чтобы привести к разрушению оси. Этот процесс называют усталостным разрушением или усталостью сталей. Способность стали сопротивляться циклическим напряжениях называют усталостной прочностью или циклической прочностью. Усталостные разрушения происходят в металлических деталях, которые подвергаются циклическим напряжениям, таких как вращающиеся детали, клапаны, пружины, а также вибрирующие детали, такие как самолетные крылья. 11 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛИ. Плотность: 7700—7900 кг/м³ (7,7—7,9 г/см³). Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС). Удельная теплоёмкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C)). Температура плавления: 1450—1520 °C. Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг). Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C[10]: Хромо-никельно вольфрамовая сталь 15,5 Вт/(м·К) Хромистая сталь 22,4 Вт/(м·К) Молибденовая сталь 41,9 Вт/(м·К) Углеродистая сталь (марка 30) 50,2 Вт/(м·К) Углеродистая сталь (марка 15) 54,4 Вт/(м·К) Дюралюминиевая сталь 56,3 Вт/(м·К) Предел прочности стали при растяжении: сталь для конструкций 373—412 МПа сталь кремнехромомарганцовистая 1,52 ГПа сталь машиностроительная (углеродистая) 314—785 МПа сталь рельсовая 690—785 МПа Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C: сталь Ст3 (марка 20) 11,9×10-6 1/°C сталь нержавеющая 11,0×10-6 1/°C 12 4. ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ ОТ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ. Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих: Углерод — элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твёрдость и прочность, при этом уменьшается пластичность. Кремний и марганец (в пределах 0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают. Эти элементы вводятся в большинство углеродистых и низколегированных марок сталей во время операции раскисления (сначала — ферромарганец, затем — ферросилиций, как дешевые раскисляющие ферросплавы). Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость. Фосфор также является вредной примесью, так как придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах)[13]. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию. Однако существует группа сталей с повышенным содержанием фосфора, так называемые — «автоматные стали», металлоизделия из которых легко поддаются обработке резанием (например, болты, гайки и пр. на револьверных токарных станках-полуавтоматах). Феррит — железо с объемно-центрированной кристаллической решеткой. Сплавы на его основе обладают мягкой и пластичной микроструктурой. Цементит — карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, придаёт стали твёрдость. При появлении в структуре заэвтектоидной стали свободного цементита (при С более 0,8 %) пропадает четкая связь между содержанием углерода и комплексом механических свойств: твердостью, ударной вязкостью и прочностью. Перлит — эвтектоидная (мелкодисперсная механическая) смесь двух фаз — феррита и цементита, содержит 1/8 цементита (точнее — согласно правилу «рычага», если пренебречь растворимостью углерода в феррите при комнатной температуре — 0,8/6,67) и поэтому имеет повышенную прочность и твёрдость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные. Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод — графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего 13 большинства сталей — повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями. 5.ВИДЫ СТАЛИ. Сталь по химическому составу делится на две группы: углеродистую и легированную, по качеству - на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества, высококачественную и особовысококачественную. 5.1Углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные. Углеродистые стали обыкновенного качества Это наиболее дешевые стали. В них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как они выплавляются по нормам массовой технологии. Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок. В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп: А, Б, В. Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — сп, полуспокойных — пс, кипящих — кп, например Ст.Зсп, БСт.пс, ВСт.Зкп. 14 Спокойными и полуспокойными производят стали Ст.1 — Ст.6, кипящими Ст.1 — Ст.4 всех трех групп. Сталь Ст.0 по степени раскисления не разделяется. Сталь группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами, химический состав не указывается. Сталь группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, механические свойства не гарантируются. Сталь группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом с нормами для аналогичных сталей групп А и Б. Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям, обладающим хорошими технологическими свойствами, отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность конструкций определяется жесткостью, а прочность их благодаря значительным геометрическим размерам заведомо обеспечивается. Углеродистые качественные стали Характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Маркируются двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20.....85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С; Сталь 45 — 0,45 % С и т. п. Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексами соответственно пс и кп. Механические свойства гарантируются после нормализации, а также по требованию потребителя после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку — отжига или высокого отпуска. Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами. Углеродистые высококачественные стали К составу этого вида стали предъявляются высокие стандарты. В сплаве не должно быть неметаллических вкраплений, процентное соотношение вредных примесей допускается совсем мизерное (серы – до 0,030%, фосфора – до 0,035%). Также понижено допустимое присутствие в высококачественном сплаве углерода. Высококачественные стали выплавляются в электрических и кислых мартенах. Изготавливать из них можно любые металлические изделия, без боязни быстрой поломки 15 или недостаточной износостойкости. При этом, нужно учитывать, что высококачественный сплав отличается повышенной вязкостью, нежели качественный. 5.2 Легированные стали и сплавы. Прочность, вязкость, жаро- и хладостойкость, а также коррозионная стойкость углеродистых сталей являются недостаточными для многих высоконагруженных деталей машин и строительных конструкций; инструменты из углеродистой инструментальной стали тверды, но не выдерживают повышенной скорости резания, так как размягчаются при нагреве уже до температуры 250C, кроме того, они хрупкие. Прокаливаемость углеродистой стали также невелика в связи с большой критической скоростью закалки. Таким образом, углеродистая сталь часто не отвечает повышенным требованиям машиностроения и инструментального производства. Вводимые в сталь легирующие элементы улучшают ее механические, физические и химические свойства. Выше было сказано, что для легирования стали, применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, алюминий, медь и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом при массовом содержании более 1 %, а кремний – более 0,8 %. Большинство легированных сталей приобретают высокие физикомеханические свойства лишь после термической обработки. По суммарному массовому содержанию легирующих элементов сталь делится на низколегированную (суммарное содержание их менее 2,5 %, среднелегированную (от 2,5 до 10 %) и высоколегированную (более 10 %). По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на две группы: 1) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения, - карбиды (хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, цирконий, титан); карбиды могут быть простыми, например, Cr4C, MoC, и сложными легированными - [(Fe, Cr)7] C3; (Fe, W)4C и др. Они твёрже карбида железа и менее хрупкие; 2) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твёрдый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь); они оказывают графитизирующее действие. Легированная сталь также подразделяется на качественную (массовое содержание серы и фосфора не более 0,035 % каждого), высококачественную (не более 0,025 % каждого) и особовысококачественную (не более 0,015 % S и 0,025 % P), получаемую при рафинирующих переплавах. Маркировка легированной стали. В соответствии с ГОСТом для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы; Х – хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М – молибден, Ф – ванадий, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, А – азот (ставить в конце маркировки запрещается), Е – селен, Ц – цирконий. Для обозначения легированной стали той или иной марки применяют определённое сочетание цифр и букв. Для стали конструкционной легированной принята маркировка, по которой первые две цифры указывают среднее массовое содержание углерода в сотых долях 16 процента, если сталь содержит менее 0,1 % углерода, то первая цифра ноль, например 08, 05. Буквы в маркировке указывают наличие соответствующих легирующих элементов, а цифры, следующие за буквами, - процентное массовое содержание этих элементов в стали. Если за какой–либо буквой отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %, кроме элементов, присутствующих в малых количествах (для комплексно-легированных сталей). Например, марка 35X обозначает хромовую сталь с массовым содержанием С около 0,35 % и Сr до 1,5 %; 45Г2 – марганцевую сталь с массовым содержанием С около 0,45 % и Мn около 2 %; марка 38ХН3МФА – сталь, содержащую 0,33-0,4 % С, 1,2-1,6 % Сr, 3,0-3,5 % Ni, 0,35-0,45 % Мо, 0,1-0,18 % V, а также 0,25-0,5 % Мn, не указанного по маркировке, букву А в конце маркировки используют для обозначения высококачественной стали. Для обозначения особовысококачественной стали в конце маркировки ставят букву Ш (через дефис), например, 30ХГС-Ш.Для инструментальной легированной стали порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционных сталей, но содержание углерода указывается первой цифрой в десятых долях процента. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около 1% углерода. Некоторые стали специального назначения имеют особую маркировку из букв, которые ставятся впереди цифр: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – быстрорежущая, Е – магнитотвердая, Э – электротехническая, Св – сварочная, Нп – наплавочная и т.д. 6. СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ. Строительные стали - это конструкционная низкоуглеродистая и некоторые низколегированные стали с небольшим содержанием углерода; стали обыкновенного качества, применяемая для строительства металлических конструкций со сварными и другими соединениями. В строительстве для изготовления металлоконструкций используют преимущественно различные виды стального проката: листовой, фасонный (уголки, двутавры, швеллеры), универсальный широкополосный прокат, гнутые профили из тонколистового проката, трубы и др. При выборе сталей для строительных металлических конструкций уровень прочностных свойств является определяющим, поскольку размеры поперечных сечений многих элементов металлоконструкций, а следовательно, и их масса, определяются расчѐтом, непосредственно учитывающим прочностные свойства материала предел текучести т и временное сопротивление разрыву при растяжении в. Поэтому обозначение строительной стали, в отличие от марки стали, отражает не химический состав, а назначение стали и основную характеристику для расчѐта металлоконструкции на прочность – предел текучести т – и называется «наименованием» стали или «классом прочности». Прокат из строительных сталей поставляют по ГОСТ 27772- 88*, в соответствии с которым прокат изготовляют следующих наименований: С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345К, С375, С390, С390К, С440, С440Д, С590, С590К. Буква «С» в наименовании 17 означает сталь строительную, цифры обозначают предел текучести т в Н/мм2 (МПа) для минимальной толщины проката. В конце наименования могут стоять буквы «К», «Т» или «Д», обозначающие: К – отличие химического состава стали от состава стали того же класса прочности (наименования), например, С345К отличается от С345 наличием 0,08 – 0,15 % алюминия; Т – упрочнение проката углеродистой стали термической обработкой; Д – введение в сталь 0,15 – 0,30 % Cu для повышения сопротивления атмосферной коррозии. Каждому наименованию стали соответствуют одна или несколько марок углеродистой стали обыкновенного качества или низколегированной стали (прил. 2). Например, наименованию стали С285 соответствуют марки Ст3пс, Ст3Гпс, Ст3Гсп, а наименованию С590 – марка низколегированной стали 12Г2СМФ (прил. 2). При этом только наименования С345 и С375 имеют 4 категории по хладостойкости, которые определяются гарантированными значениями ударной вязкости KCU при разных расчѐтных температурах. Номер категории указывается в конце наименования, например: С345-1, С375-4, С345Д-3. 7.СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ. Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конвертерный, мартеновский и электротермический. Технология производства стали. Передельный или литейный чугун в расплавленном или твёрдом виде и железосодержащие изделия, полученные прямым восстановлением (губчатое железо), составляют вместе с металлическими отходами и ломом исходные материалы для производства стали. К этим материалам добавляются некоторые шлакообразующие добавки, такие как известь, плавиковый шпат, раскислители (например, ферромарганец, ферросилиций, алюминий) и различные легирующие элементы. Процессы производства стали делятся на два основных способа, а именно: конвертерный процесс, в котором расплавленный передельный чугун в конвертере рафинируют от примесей, продувая его кислородом, и подовый процесс, для осуществления которого используются мартеновские или электрические печи. Конвертерные процессы не требуют внешнего источника тепла. Они применяются в том случае, когда загрузка состоит главным образом из расплавленного передельного чугуна. Окисление некоторых элементов, присутствующих в чугуне (например, углерода, фосфора, кремния и марганца), обеспечивает достаточно тепла, чтобы удерживать сталь в жидком состоянии и даже переплавить добавленный лом. Эти процессы включают в себя такие, при которых чистый кислород вдувается в расплавленный металл (процессы Линца — Донавица: ЛД или ЛДАС, ОБМ, ОЛП, Калдо и другие), и такие процессы, ныне уже устаревшие, при которых используется воздух, иногда обогащённый кислородом (томасовский и бессемеровский процессы). 18 Подовые процессы, однако, требуют внешнего источника тепла. Они применяются, когда исходным материалом служит твёрдая шихта (например, отходы или лом, губчатое железо и твёрдый передельный чугун). Двумя основными процессами в этой категории являются мартеновский процесс, при котором нагрев осуществляется при сжигании мазута или газа, и сталеплавильные процессы в дуговых или индукционных печах, где нагрев осуществляется электричеством. Для производства некоторых видов стали могут быть последовательно использованы два различных процесса (дуплекс-процесс). Например, процесс плавки может начаться в мартеновской печи, а закончиться в электропечи; или же сталь, расплавленная в электропечи, может быть слита в специальный конвертер, где обезуглероживание завершается путём вдувания кислорода и аргона в жидкую ванну (процесс, используемый, например, для производства коррозионностойкой стали). Возникло много новых процессов производства сталей специального состава или со специальными свойствами. Эти процессы включают дуговой переплав в вакууме, электронно-лучевую плавку и электрошлаковый переплав. Во всех этих процессах сталь получается из переплавляемого электрода, который при плавлении начинает капать в кристаллизатор. Кристаллизатор может быть изготовлен цельным, или его днище может быть отъёмным для того, чтобы затвердевшую отливку можно было вынуть снизу. Жидкая сталь, полученная вышеописанными процессами, с дальнейшим рафинированием или без него, сливается в ковш. На этом этапе в неё могут быть добавлены легирующие элементы или раскислители. Процесс также можно провести в вакууме, что обеспечивает снижение содержания газообразных примесей в стали. Стали, полученные этими процессами, подразделяются в соответствии с содержанием в них легирующих элементов на «нелегированные стали» и «легированные стали» (коррозионностойкие стали или другие виды). Далее они подразделяются в соответствии с их индивидуальными свойствами, например, на автоматную сталь, кремнистую электротехническую сталь, быстрорежущую сталь или кремнемарганцовистую сталь.[11] Кислородно-конвертерный способ получения стали. По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют кислородом, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах — конвертерах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Ёмкость конвертера 50—60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2, имеющий кислотные свойства), либо доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO3·CaCO3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конвертерный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский. Бессемеровский способ. Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с 19 выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300 °C быстро поднимается до 1500—1600° С. Выгорание 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200 °C. Около 1500 °C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода: Si + O2 = SiO2 2 C + O2 = 2 CO ↑ 2 Fe + O2 = 2 FeO Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак: FeO + SiO2 = FeSiO3 Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P2O5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя. Все процессы в конвертере идут быстро — в течение 10—20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащённым кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, в виде пузырьков газа поднимается вверх, сгорая над поверхностью расплава с образованием над горловиной конвертера факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворённого монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей — ферросилиция, ферромарганца или алюминия: 2 FeO + Si = 2 Fe + SiO2 FeO + Mn = Fe + MnO 3 FeO + 2Al = 3 Fe + Al2O3 Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространён, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много 20 раскислителей. Серьёзным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали. Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п. В настоящее время этот процесс является устаревшим. Томасовский способ. Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (более 2 %). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами. В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак: 4 P + 5 O2 = 2 P2O5 P2O5 + 3 CaO = Ca3(PO4)2 Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертера поднимается на 150 °C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции FeS + CaO = FeO + CaS Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п. В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P2O5. Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах. Метод является устаревшим и в настоящее время практически вытеснен из производства. Мартеновская печь. Мартеновский способ отличается от конвертерного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счёт кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома. 21 Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д. Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600—1700 °C и выше. Выгорание углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счёт избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конвертере, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака — за счёт оксидов железа: 4 Fe2O3 + 6 Si = 8 Fe + 6 SiO2 2 Fe2O3 + 6 Mn = 4 Fe + 6 MnO Fe2O3 + 3 C = 2 Fe + 3 CO ↑ 5 Fe2O3 + 2 P = 10 FeO + P2O5 FeO + С = Fe + CO ↑ Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция: MnO + SiO2 = MnSiO3 3 CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2 FeS + CaO = FeO + CaS Мартеновские печи, как и конвертеры, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертера, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрев печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы. На 2009 год работающие мартеновские печи сохранились только в России, Украине и Индии. В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России[12]. После этого данный способ производства стали сохранился только на Украине и в Индии. Электротермический способ. 22 Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конвертерным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи — не ниже 1650 °C. Это позволяет проводить плавку стали на основных шлаках (которые трудно плавятся), при которой полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами — молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии — до 800 кВт·ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали. Электропечи бывают разной ёмкости — от 0,5 до 180 т. Футеровку печи выполняют обычно из периклазо-углеродистого огнеупора, а свод печи из магнезито-хромитового огнеупора. Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определённой пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах. 23 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Благодаря высоким прочностным свойствам стали, в строительстве появилась возможность строить более высокие дома, более просторные помещения, и легкие но габаритные сооружения (мосты, стадионы и прочее). В химический состав стандартной стали, применяемой в строительстве, входят следующие элементы: •Железо •Углерод •Марганец •Кремний •Сера •Фосфор •Никель •Медь •Хром Кроме того, если соблюсти заданные пропорции элементов в сплаве, или добавить другие, можно получить сталь с уникальными физико-химическими свойствами. Например, при содержании хрома выше 10%, сталь приобретает высокую сопротивляемость ржавлению. Добавление в состав стали химических элементов, влияющих на ее свойства, называется легированием. Также, легированная сталь по сравнению с обычной, имеет повышенную прочность. Причем прочность можно увеличить более чем в 2 раза. Конечно, все эти свойства не всегда находят применение в строительной отрасли, так как основной объем стали уходит на конструкции из металла и на арматуру для железобетонных конструкций, которые защищаются от коррозии оболочками из спец. составов или бетона. А что касается прочности, то она обеспечивается за счет подбора соответствующего профиля, то есть за счет увеличения площади сечения. Поэтому, высоколегированные стали редко применяются в строительстве из-за экономической нецелесообразности. 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Колесов, С.Н. «Материаловедение и технология конструкционных материалов»: - М.: Высш шк., 2004. 2. Б.Н. Арзамасов « Материаловедение». М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 3. http://www.splav-kharkov.com/choose_mat.php?class_id=45 4. http://www.ktovdome.ru/58/369/103/11146.html 5. http://studopedia.org/6-101315.html 6.https://ru.wikipedia.org 7.https://www.hoegert.com 25
