ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.04.2024
Просмотров: 58
Скачиваний: 0
гранецентрированного куба, состоящая из 14 атомов, из которых 6 находятся в центре граней, а 8 — по вершинам куба. Такую решетку имеют алюминий, кальций, никель, медь, свинец.
Некоторые металлы изменяют форму атомно-кристал лической решетки в зависимости от температуры нагре ва. Так, например, железо при температуре ниже 910° С
cL
Рис. 3. Атомно-кристаллические решетки металлов:
а— центрированный (а) куб; б— гранецентрированный (7) куб.
имеет атомную решетку в виде объемноцентрированного куба и называется альфа-железо (Fe-a), а в диапазоне температур 910—1400° — в виде гранецентрированного куба — гамма-железо (Fe-y). При этом изменяются не которые свойства железа. В затвердевающем металле сначала образуются отдельные кристаллы правильной формы, называемые центрами кристаллизации. К ним пристраиваются все новые и новые ячейки, кристаллы
10
растут, одновременно зарождаются новые центры кри сталлизации. Развиваясь, кристаллы начинают соприка саться друг с другом, что препятствует их дальнейшему росту ^обусловливает искажение формы (рис. 4).
Кристаллы неправильной формы называются зерна ми. Хотя зерна имеют неправильную внешнюю форму, атомы внутри них располагаются в виде кристалличе ской решетки, свойственной данному металлу. При мед ленном охлаждении расплавленного металла число цент ров кристаллизации небольшое, а зерна получаются
Рие. 4. Схема кристаллизации.
крупными; при быстром охлаждении число центров кри сталлизации больше, но зерна мельче.
Образование кристаллов (зерен) при затвердевании жидкого металла называется первичной кристаллиза цией.
В металлах всегда имеются посторонние примеси, которые при затвердевании металла располагаются по границам зерен, что облегчает их выявление.
Таким образом, металлы имеют зернистое строение (структуру). В зависимости от скорости охлаждения и других факторов структура может быть мелкозернистой или крупнозернистой. Размеры и форма зерен оказы
11
вают значительное влияние на прочность, твердость и пластичность металла.
Структура металла определяется в металлографиче
ской лаборатории методами макроструктурного и микроструктурного анализов.
Макроанализом называется исследование структуры металлов невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Образцы для макроисследования шлифу ются и протравливаются специальными реактивами. Та кие образцы называются макрошлифами. На них выяв ляются трещины, поры, крупные шлаковые включения и границы зерен, образовавшихся при затвердевании
жидкого металла (в процессе первичной кристаллиза ции) .
Микроструктурный анализ заключается в изучении структуры металла при помощи специальных металло
графических микроскопов, дающих увеличение до 2000— 3000 раз.
Этот метод исследования позволяет определить раз меры, форму и характер расположения зерен, выявить микротрещины, мельчайшие шлаковые включения, неви димые невооруженным глазом. Для приготовления ми крошлифа образец металла обрабатывают напильником, шлифуют, полируют до получения зеркально-гладкой
поверхности, затем протравливают 4-процентным раство ром азотной кислоты в спирте.
Различные зерна и включения металла разъедаются кислотой неодинаково. При освещении шлифа в микро скопе одни зерна отражают свет на объектив и кажут ся светлыми, а другие отражают свет в сторону и кажутся темными. Примеси в металле, располагающие ся по границам зерен, разъедаются сильнее, что спо
собствует лучшему выявлению размеров и формы зерен. I
12
ОСНОВНЫЕ МЕТАЛЛЫ И ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ГАЗОВОЙ СВАРКЕ
ИРЕЗКЕ
СТ А Л Ь
Структура стали
Преобладающее большинство деталей машин и эле ментов строительных конструкций изготавливается из черных металлов — стали и чугуна. Сталь — это сплав железа с углеродом, содержащий до 1,7% углерода. В ней всегда имеются в небольшом количестве марганец, кремний, сера и фосфор. Механические и технологиче ские свойства стали зависят от содержания в ней угле рода.
Часто в сталь добавляют хром, никель, молибден, вольфрам, ниобий, титан, алюминий, а также марга нец (более 0,8%-) и кремний (более 0,5%) для придания ей особых свойств: высокой прочности, износостойко сти, твердости, стойкости против коррозии, повышенной прочности при высокой температуре (жаропрочность). Такие стали называют легированными.
Стали, не содержащие легирующих примесей, назы ваются углеродистыми.
Примеси могут находиться в виде твердого раствора в железе или в форме химических соединений. Раство римость примесей в железе зависит от формы атомно кристаллической решетки последнего.
При рассмотрении под микроскопом специально под готовленных образцов — микрошлифов — в стали в зави симости от содержания в ней углерода и легирующих примесей, а также от вида термообработки различают следующие структурные составляющие: феррит, цемен тит, аустенит, перлит.
13
Феррит — твердый раствор углерода в альфа-железе. Под микроскопом он представляет собой светлые зерна средней величины. Растворимость углерода в альфа-же лезе изменяется в пределах от 0,008% при комнатной температуре до 0,04% при 723°. Феррит обладает магнит ными свойствами, он имеет малую прочность и высокую пластичность.
В феррите растворяются почти все примеси, содержа щиеся в легированных сталях. Легирующие примеси повышают прочность феррита, но снижают его пластиче ские свойства. Ферритную структуру имеет сталь, содер жащая 18% хрома и менее 0,1% углерода. Однород ность ферритной структуры делает эту сталь нержа веющей.
Цементит — химическое соединение углерода с желе зом (карбид железа ЕезС). Под микроскопом он выгля дит в виде мелких пластинок или сетки белого цвета по границам зерен. Это самая твердая и хрупкая структур ная составляющая. Если цементит образует вокруг зерен сплошную сетку, то сталь становится очень хрупкой.
Аустенит — твердый раствор углерода в гамма-желе зе, кристаллическая решетка которого — гранецентриро ванный куб, причем в центре куба находится атом угле рода. У железоуглеродистых сплавов (сталь, чугун) граница существования гамма-железа снижается до тем пературы 723° (вместо 910° у чистого железа). У этих сплавов аустенит существует только при высоких темпе ратурах, а при охлаждении ниже 723° он распадается на феррит и цементит. Максимальное содержание угле рода в аустените равно 2% при температуре 1135°.
Структура аустенита при нормальной температуре со храняется только у высоколегированных сталей, напри мер у стали, содержащей 12—14% марганца, или у хро моникелевой стали, содержащей 18% хрома и 9% нике ля. Аустенитная структура придает этим сталям особые
И
свойства. Так, марганцовистая сталь указанного состава обладает высокой стойкостью против истирания, а хро моникелевая сталь не ржавеет и не подвергается корро зии под действием кислот. Стали с аустенитной структу рой не имеют магнитных свойств.
Перлит — равномерная механическая смесь мелких зерен феррита и цементита. Такую структуру имеет сталь, содержащая 0,83% углерода. Перлит получается в результате распада аустенита при температуре ниже
723° С.
Структура стали за висит от ее химсо става, температуры на грева и скорости охла ждения.
В углеродистой ста ли, содержащей ме нее 0,83% углерода, под микроскопом вид ны темные зерна пер лита, окруженные свет лыми зернами ферри та. Такая структура называется ферритно перлитной.
Чем меньше в ста ли углерода, тем меньше зерен перлита в ее структуре.
Но независимо от содержания углерода в стали содер жание его в зернах перлита всегда равно 0,83%.
Сталь, содержащая углерода более 0,83%, состоит из темных зерен перлита, по границам которых располага ются светлые прослойки цементита. С повышением со держания углерода в стали увеличивается количество
цементита в ее структуре.
Когда углеродистую сталь охлаждают медленно,
15
аустенит распадается на перлит и феррит или перлит и цементит. Медленным считается охлаждение со ско ростью не более 100° в час. При быстром охлаждении (со скоростью 50—150° в сек.) аустенит не успевает превра щаться в перлит и переходит в более мелкозернистые структуры: сорбит, троостит и мартенсит.
Сорбит получается при скорости охлаждения 40—50° в секунду, состоит из мелких зерен феррита и цемен тита, обладает более высокой прочностью и твердостью, чем перлит.
Троостит образуется при охлаждении стали со ско ростью 80—100° в секунду, состоит из очень мелких (трудноразличимых даже при большом увеличении) зе рен феррита и цементита и обладает еще более высокой прочностью и твердостью, чем сорбит.
Мартенсит образуется при скорости охлаждения 150—180° в секунду, представляет собой перенасыщен ный твердый раствор углерода в альфа-железе, имеет игольчатое строение, обладает очень высокой твер достью и хрупкостью.
Скорость охлаждения, при которой образуется мар тенсит, называется критической. Она зависит от хи мического состава стали. Углерод и большинство ле гирующих примесей снижают критическую скорость. Некоторые легированные стали имеют настолько низкую критическую скорость охлаждения, что даже при охлаж дении на воздухе образуют мартенсит.
Быстрое охлаждение стали от температуры 900—950° с образованием мартенсита, троостита или сорбита называется закалкой. При закалке изделие охлаждают в воде или в масле. После закалки оно отличается высокой прочностью и твердостью. Недостатком зака ленных деталей является их высокая хрупкость и нали чие значительных внутренних напряжений вследствие
16
неравномерного охлаждения, что служит причиной обра зования трещин и коробления изделий.
Для снятия внутренних напряжений и повышения пластических свойств закаленной стали применяется от пуск. Отпуском называется нагрев закаленной стали до температуры не выше 723°, выдержка при заданной тем пературе и охлаждение. После отпуска твердость и прочность стали снижаются, а пластические свойства по вышаются. При отпуске до температуры 300—400° мар тенсит превращается в троостит, до 500° — в сорбит, до 650° — в перлит.
Если после нагревания до температуры 900—950° из делие охладить на воздухе, то такой процесс называется нормализацией. После нормализации структура углеро дистой стали состоит из феррита и перлита или перлита и цементита.
Очень медленное охлаждение (вместе с печью) от температуры 900—950° называется отжигом. Структура после отжига мало отличается от структуры норма лизованной стали, но сталь получается более вязкой и пластичной.
Классификация и маркировка сталей
В зависимости от содержания углерода различают стали малоуглеродистые (до 0,28% углерода), средне углеродистые (до 0,6%) и высокоуглеродистые (более 0,6%). По назначению стали делятся на конструкцион ные, инструментальные и специальные. Конструкционные углеродистые стали бывают обыкновенного качества и качественные. Стали обыкновенного качества обозна чаются буквами Ст и цифрами от 0 до 7, например: СтО, Ст1, Ст2, СтЗ и т. д. Углеродистая сталь обыкновенного качества по ГОСТу 380—60 в зависимости от гарапти-
[ i\jG . ПУбД |
Л» i |
17 |
|
||
|ИЛУЧН-ТЕХ> . |
ЗКА* I |
|
руемых характеристик подразделяется на две группы и одну подгруппу.
Для стали группы А металлургические заводы гаран тируют определенные механические свойства. Химиче ский состав этих сталей указывается в сертификате. Ме ханические свойства стали группы А указаны в табл. 1.
Сталь группы Б поставляется с гарантированным хи мическим составом, а механические свойства не регла ментируются. В табл. 2 указан химический состав стали группы Б.
Сталь подгруппы В поставляется с гарантированны ми механическими свойствами и с дополнительными тре бованиями по химическому составу. Механические свой ства стали группы В должны соответствовать нормам, указанным в табл. 1, а верхние пределы содержания угле рода, кремния, серы и фосфора должны быть в соответ ствии с нормами табл. 2. Сталь подгруппы В изготавли вается мартеновским способом следующих марок: ВСт2кп, ВСтЗкп, ВСтЗ, ВСт4, ВСт5.
Сталь группы Б, выплавленная мартеновским спосо
бом, маркируется следующим образом: |
МСтО, МСгЗ |
и т. д., а бессемеровским способом — |
соответственно |
БСтО, БСтЗ и т. д.
В обозначении марок кипящей стали добавляется ин декс «кп», а полуспокойной — индекс «пс», например: Ст1кп, Ст4пс.
Углеродистая качественная конструкционная сталь но ГОСТу 1050—60 в зависимости от химического состава подразделяется на две группы: группа I — с нормальным содержанием марганца и группа II — с повышенным со держанием марганца. Стали группы I маркируются двух значными числами, выражающими среднее содержание углерода стали в сотых долях процента, например: 10, 20, 30. Стали группы II маркируются так же, но с до бавлением буквы Г, обозначающей повышенное содер
18
жание марганца, например: 15Г, 25Г и т. д. Качествен ные конструкционные углеродистые стали содержат меньше серы, фосфора и шлаковых включений и имеют гарантированные механические свойства и химический состав. В табл. 3 указаны химический состав и механи ческие свойства этих сталей.
Содержание серы и фосфора в качественных сталях должно быть не более 0,04%, а хрома и никеля — не бо лее 0,25% каждого элемента.
Углеродистые инструментальные стали содержат от 0,6 до 1,4% углерода. Они обозначаются буквой У, за которой стоят цифры, указывающие содержание углеро да в десятых долях процента. Например: стали, содер жащие углерода 0,7%, 1,0%, 1,2%, маркируются соответ ственно У7, У10, У12. Если в обозначении марки стали после цифры стоит буква А, то это значит, что в стали содержится меньшее количество серы и фосфора.
Инструментальные стали после закалки и отпуска обладают высокой твердостью и прочностью.
Стали, содержащие в своем составе специально вво димые легирующие элементы, называются легированны ми. Они делятся на низколегированные (при суммарном содержании легирующих элементов не более 3%), сред нелегированные (от 3 до 10%) и высоколегированные
(свыше 10%).
Низколегированные стали обладают высокой проч ностью при достаточно высокой пластичности. Они при меняются в машиностроении и строительстве для изго товления ответственных деталей и конструкций.
Среднелегированные стали имеют очень высокую прочность после закалки. Многие из них обладают спе циальными свойствами: высокой, износостойкостью, ж а ропрочностью (сохраняют высокую прочность при нагре ве до 600—700°), окалиностойкостью и другими. В зави симости от содержания легирующих элементов различа
19
