УТВЕРЖДАЮ:

Зам. директора по УПР

__________ Е.В. Литаврина

Подпись

«___» __________2019 г.

План - конспект занятия

Тема: Железоуглеродистые сплавы

Методы изучения свойств металлов и сплавов

Цель урока:

Обучающая– закрепить и расширить знания о железоуглеродистых сплавах - чугунах, способах его производства, свойствах чугунов, применения чугунов.
Развивающая – развитие логического и технического мышления  у обучающихся, способность анализировать, сравнивать, классифицировать, обобщать полученный материал, вести конспект, развивать внимание, делать выводы.
Воспитывающая - воспитание любви к выбранной профессии, уважения к труду и к людям труда, дисциплины, внимания, аккуратности и коммуникативных навыков.

Тип урока: изучение нового материала

Вид урока: комбинированный.

Методы обучения: объяснительно – иллюстративный, частично –поисковый, ИКТ.

Межпредметная связь: ПМ 1, ПМ 2, ПМ 3

Внутрипредметная связь: тема Типы атомных связей и их влияние на свойства материала. Строение металлических материалов.

Материально-техническое оснащение: мультимедийная аппаратура, учебник «Материаловедение».

Технологии производства металлов и сплавов. Производство чугуна и стали.

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов.

Чугун и сталь это сплавы железа с углеродом, в которых неизбежно наличие примесей других химических элементов:

Сталь:Fe +С( < 2 % ) + примеси (относительно немного);
Чугун:Fe + С ( > 2 % )+ примеси (больше, чем у стали).

Что общего и в чем различия между этими сплавами?

Основа одна — железо. Главное отличие заключается в том, что чугун имеет повышенное содержание углерода (свыше 2 % в чугунах и до 2 % в сталях) Граница между этими сплавами проходит по содержанию углерода в сплаве .Так же больше во многих чугунах марганца, серы, фосфора и кремния.

Стали чаще всего более твердые, прочные и износостойкие. Чугуны же более хрупкие, но обладают хорошими литейными свойствами. Сталь является производной от чугуна, т.к. производство её в основном двух стадийное: из железных руд сначала получают чугун, далее из чугуна и стального лома получают сталь.

Почти половина разведанных мировых запасов железа находится на территории государств СНГ.Добывалось и производилось чугуна и стали в бывшем СССР больше всех в мире . Причинами этого «достижения» были  : несовершенство конструкций и низкая надежность машин и оборудования; низкое качество выплавляемых чугунов и сталей; огромные территории; большая протяженность дорог и коммуникаций; низкая эффективность сельскохозяйственного  производства, ,строительных и дорожных работ.  Всё это требовало намного больше металла, чем в других странах. И, кроме того, зарытого металла  в земле на стройках, брошенного  на свалках, в лесах,  болотах и на полях было больше всех в мире.

В историческом плане производство черных металлов развивалось по следующим этапам:

Сыродутный процесс  ( 1500 лет до н. э. ). Производительность процесса очень низкая, получали за 1 час всего до    0,5… 0,6 кг  железа. В кузнечных   горнах железо восстанавливалось из руды углём  при продувке воздухом  с помощью кузнечных мехов.
Сначала при горении древесного угля образовывалась окись углерода,  которая и восстанавливала чистое железо из руды.

В  результате   длительной продувки воздухом из кусочков руды получались практически без примесей кусочки чистого железа, которые сваривались между собой кузнечным способом в полосу, которые далее использовались для производства необходимых человеку изделий. Это технически чистое железо содержало очень мало углерода и мало примесей (чистый древесный уголь и  хорошая руда), поэтому оно хорошо ковалось и сваривалось и практически не корродировало. Процесс шел при относительно невысокой температуре  (до 1100…1350 oС), металл не плавился, т. е. восстановление металла шло  в твердой  фазе. В результате получалось ковкое (кричное) железо. Просуществовал этот способ  до XIV  века, а в несколько усовершенствованном виде до начала XX века, но  был постепенно вытеснен кричным переделом. Отсюда следует, что  исторически самым первым сварщиком металлов был  кузнец, а самый первый способ сварки - это кузнечная сварка.

С увеличением размеров сыродутных горнов и интенсификацией процесса возрастало содержание углерода в железе, температура плавления этого сплава (чугуна)  оказывалась ниже, чем у более чистого железа и получалась часть металла в виде расплавленного чугуна, который как отход производства вытекал из горна вместе со шлаком.
В XIV век  в Европе был разработан двухступенчатый способ получения железа (маленькая домна, далее кричной процесс). Производительность увеличилась до 40 …50 кг/час  железа. Использовалось  водяное колесо для подачи воздуха.
Кричный передел - это  процесс рафинирования чугуна (снижение количества  C, Si, Mn) с целью получения из чугуна кричного (сварочного) железа.

В конце  XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом  веке,  выплавляли чугун, а  далее получали  сталь процессом пудлингования. Пудлингование- это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или  прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

В конце XIX века — почти одновременно внедряются три  новых процесса получения стали:  бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает  резко (до 6 тн/час).

В середине  XX века: внедряются  кислородное дутье, автоматизация процесса и  непрерывная разливка стали.

При сыродутном, кричном и пудлинговом процессах железо не плавилось (технический уровень того времени не давал возможность обеспечить температуру его плавления). Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за  резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с  пудлинговой печью.

В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём  имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. Сейчас в стадии развития находится одностадийный процесс производства стали: обогащение руд (получение окатышей, содержащих  90… 95 % железа) и выплавка стали в  электропечи.

Чугун выплавляется в домнах. Это сложное инженерное сооружение, работающее непрерывно в течение 5..10 лет.

Печь работает по принципу противотока. Сверху загружается руда ,флюсы и кокс, а снизу подается воздух. Кокс служит для нагревания и расплавления руды , а также участвует в восстановлении железа из окислов руды. В коксе должно быть минимум серы и фосфора.  Флюсы (известняки, кремнеземы,..) необходимы для получения шлаков  При сгорании топлива образуется окись углерода, которая и является главным восстановителем железа.

Чтобы получить сталь из чугуна надо уменьшить в нем  количество углерода, марганца, серы и  фосфора. Сталь получают в кислородных конверторах, мартеновских печах и электропечах.

Мартеновское производство менее производительное, чем конверторное, но лучше регулируется процесс, используются чугунные чушки и металлолом. Мартен это регенеративная пламенная печь. Газ сгорает над плавильным пространством, где создается температура 1750… 1800 oС.  Газ и  воздух  предварительно  подогреваются  ( до 1200…1250 oС) в регенераторах. За счет тепла сгоревших газов, выходящих в трубу. Два регенератора : один работает, а другой накапливает тепловую энергию. Для интенсификации процесса ванну продувают кислородом. Раскисление ванны проводят ферросилицием и феромарганцем в ванне, а окончательное – алюминием и  ферросилицием в сталеразливочном ковше.

Сталь высокого качества  выплавляют  в дуговых и индукционных электропечах. Процесс примерно такой же как  и в мартеновской печи, но температура выше, поэтому можно получать в электропечах тугоплавкую сталь , содержащую  хром, вольфрам и др.  Два периода при выплавке электростали: окислительный (выгорают Si, Mn, C, Fe) за счет кислорода, воздуха и  оксидов шихты; восстановительный — раскисление стали, удаление серы. Для этого вводят флюс, состоящий из извести и  плавикового шпата.

Индукционная плавка  применяется обычно для переплавки сталей и   получения  высоколегированных и специальных сталей в условиях  вакуума или  специальной регулируемой  атмосферы.

Углеродистые и легированные стали. Влияние примесей и легирующих добавок на свойство стали.

Углеродистой называют нелегированную сталь, содержащую 0,04...2 % углерода. Кроме того, в состав стали входят постоянные примеси - кремний и марганец, а также вредные -фосфор и сера (их содержание не должно превышать 0,05...0,06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (свыше 0,65 %). С повышением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента - цементита.

По назначению углеродистые стали подразделяют на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали содержат углерода не более 0,65 %. Их применяют для изготовления арматуры железобетонных конструкций. Используемые в строительстве конструкционные углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и специальные.

Сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на группы А, Б, В, учитывающие условия поставки. Сталь группы А поставляют потребителям по механическим свойствам: пределам прочности и текучести, относительному удлинению, способности к изгибу в холодном состоянии. В стали группы Б нормируют химический состав, а группы В - одновременно химический состав и механические свойства.

Решающее влияние на механические свойства в углеродистых сталях оказывает содержание углерода (9.15). При увеличении содержания углерода повышаются прочность, твердость и износоустойчивость, но понижаются пластичность и ударная вязкость, а также ухудшается свариваемость.

Примесь фосфора вызывает хладноломкость, а примесь серы — красноломкость стали. Для различных марок стали допустимое содержание фосфора 0,04...0,09 %, а серы 0,04...0,07 %, Вредное влияние на свойства стали оказывает кислород: содержание его более 0,03% вызывает старение стали, а более 0,1 %—красноломкость. Примеси марганца и кремния в количестве 0,8...1 %   не   оказывают практически влияния на механические свойства углеродистых сталей. В стали, предназначенной для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25 %. Содержание азота повышает прочность и твердость стали и снижает пластичность.

При обозначении марок стали могут быть указаны: группы, по которым сталь поставляется («А» — по механическим свойствам, «Б» — по химическому составу, «В» — по механическим   свойствам   и   дополнительным требованиям по химическому составу); методу производства («М» — мартеновский, «Б» — бессемеровский, «К» — кислородно-конвертерный); дополнительные индексы («сп» — спокойная сталь, «пс» — полуспокойная сталь, «кп» — кипящая сталь). В группе «А» индекс «М» часто опускается, но имеется в виду сталь мартеновская, а при отсутствии индексов сп», «пс», «кп» имеется в виду сталь спокойная.

Спокойная сталь является более качественной, но по стоимости она на 12...15 % дороже кипящей. Полуспокойная сталь занимает по свойствам промежуточное положение между спокойной и кипящей, но в результате незначительного  расхода   раскислителей   стоимость ее меньше, чем спокойной.

Механические характеристики стали зависят также от формы и толщины проката. Углеродистые стали обыкновенного качества применяют без термообработки. В табл. 9.1 приведены нормы на механические свойства стали углеродистой обыкновенного качества (группа А). Ш Сталь   углеродистая   качественная   конструкционная.

Качественная конструкционная сталь выплавляется в мартеновских и электрических печах (спокойная, полуспокойная, кипящая).

В зависимости от химического состава эта сталь делится на две группы: I — с нормальным содержанием марганца и II — с повышенным содержанием марганца. Марки стали и требования к механическим свойствам стали I группы в состоянии нормализации приведены в табл. 9.2. В марке стали двузначные цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сталь в соответствии с требованиями может поставляться в термически обработанном состоянии (отожженная, нормализованная, высокоотпущенная).

Инструментальные качественные углеродистые стали предназачены для изготовления режущего, мерительного и штамповочного инструмента небольших размеров. Марки этих сталей обозначаются буквой У и цифрой, показывающей содержание углерода в десятых долях процента (У7, У8, У9,...,У13). Высококачественные стали имеют низкое содержание серы  (до 0,02 %) и фосфора (до 0,03%), меньше неметаллических включений, обладают повышенными механическими свойствамл. В обозначениях марок высококачественных сталей в отличие от качественных ставится буква А (например, У7А, У8Аит. д.).

Маркировка сталей. Каждая группа включает несколько марок стали - от СтО до Стб. С увеличением номера возрастает прочность стали и уменьшается ее пластичность. Сталь марок от Ст1 до Ст4 выпускают кипящей, полуспокойной, спокойной, марок Ст5 и Стб - полуспокойной и спокойной. Указание о степени раскисления делают в-виде индекса: кп - кипящая, пс -полуспокойная, сп - спокойная. Стали марок СтЗГпс, СтЗГсп и Ст5Гпс содержат повышенное количество марганца, на что указывает буква Г. СтО содержит углерода не более 0,23 %, СтЗ - от 0,14 до 0,22 %, а Стб - от 0,38 до 0,49 %.

Сталь группы Б изготовляют тех же марок, что и сталь группы А, но в начале обозначения марки вводят букву Б, например сталь БСт1кп. Для сталей группы А букву впереди марки не ставят.

В обозначении марок сталей всех групп вводят также цифры от 1 до 6, характеризующие категорию стали. Категория определяется совокупностью механических свойств стали либо особенностями ее химического состава. Цифру 1 в сталях первой категории не указывают.

Примеры обозначения марок стали: СтЗкп - группа А, сталь 3, кипящая, категория 1; БСт2пс2 - группа Б, сталь 2, полуспокойная, категория 2; ВСт2спЗ - группа В, сталь 2, спокойная, категория 3.

В строительстве используют стали всех групп. Наиболее пластичные Ст1 и Ст2 применяют в конструкциях резервуаров, трубопроводах, для заклепок. Из СтЗ, Ст4 и Ст5 изготовляют строительные конструкции, а также арматуру для железобетона. В большом количестве углеродистая сталь обыкновенного качества расходуется на изготовление листового, круглого, швеллерного, двутаврового проката.

Маркировка сталей и сплавов

    Для обозначения марок стали и сплавов разработана система, принятая в стандартах. Обозначения состоят из небольшого числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А - азот (буква А в конце марочного обозначения высококачественной стали указывает, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S и P<0,03% ), а также соблюдены все условия металлургического производства; буква А в начале марки означает - сталь автоматная); Б - ниобий; В - вольфрам; Г - марганец; Д - медь;          К - кобальт; М - молибден; Н - никель; П - фосфор; Р - бор; С - кремний; Т - титан; Ф - ванадий;       Х - хром; Ц - цирконий; Ч - редкоземельные металлы; Ю - алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента          (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, следующие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифра отсутствует; при содержании около 1 % - цифра 1 и около 2 % - цифра 2

Так, марка стали 15ГС содержит С 0,12-0,18 %; Mn 0,9-1,3 %; Si 0,7-1,0 %.

Марка стали 03Х18Н11 содержит не более С 0,03 %; Cr 17-19 %; Ni 10,5-12,5%.

Марка стали 9Х1 содержит не более  С 0,80-0,95 %; Cr 1,4-1,7 %.

    Некоторые марки в начале обозначения имеют три нуля и минимальное содержание углерода не более 0,030%. Например марка 000Х18Н12.

    Один или два нуля в марке перед буквенным обозначением означает, что для данного химического состава легирующих элементов содержится минимальное количество углерода. Например марка 00Х18Н10Т (03Х18Н10Т) содержит С 0,030%; 0Х18Н10Т (08Х18Н10Т) - С 0,08%.

Особо высококачественная сталь обозначается буквами Ш, ВД, ВИ, ПД и т.д. в конце наименования марки, где ВД обозначает, что сталь или сплав получен вакуумно-дуговым переплавом, Ш - электрошлаковым переплавом, ВИ - методом вакуумно-индукционной выплавки, ПД - плазменно-дуговым и т.д.

    Наименование  многих марок сплавов состоит только из буквенных обозначений элементов, расположенных, как правило, в порядке убывания количества их содержания в сплаве. Исключение составляет никель, после обозначения которого указываются цифры его среднего содержания в процентах и некоторых других элементов.

Сплавы (некоторые сплавы) маркируются цифрами в начале обозначения значением не менее 27, указывающее на количество основного или основного легирующего элемента, обозначннного следующей буквой, кроме хрома. (Цифры в начале обозначения перед буквой Х «хром» означают количество углерода). Далее идет буквенное обозначение.

Однако в ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от точного соблюдения системы ГОСТов (особенно это относится к сложнолегированным сталям). Нестандартные стали обозначают самым различным образом. Так, опытные марки, выплавленные на заводе "Электросталь", обозначаются буквой И (исследовательские) и П (пробные) и порядковым номером, например, ЭИ179, ЭИ276, ЭП398 и т.д. Опытные марки, выплавленные на металлургическом заводе "Днепроспецсталь", обозначают ДИ 80, где Д - завод-изготовитель, И - исследовательская, 80 - порядковый номер, присвоенный марке стали.

   В инструментальных сталях, имеющих углерода более 1 %, цифры, обозначающие его содержание, полностью опускают. Так, инструментальная сталь Х6ВФ содержит  С 1,05-1,15 %;        Cr 5,5-7,0 %, W 1,1-1,5 %; V 0,4-0,7%.

 При маркировке электротехнических сталей (типа 1211, 1313, 2211 и т.д.) в обозначении марки цифры означают: первая - класс по структурному состоянию и виду прокатки; вторая - содержание кремния; третья - группу по основной нормируемой характеристике. Вместе первые три цифры в обозначении марки означают тип стали; четвертая - порядковый номер типа стали.

Для изготовления строительных стальных конструкций со сварными и другими соединениями применяются марки стали типа С235, С245, С255, С345, С590К и т.д. Буква С означает сталь строительная, цифры условно обозначают предел текучести проката, буква К - вариант химического состава. По требованию потребителя массовая доля меди в стали С345, С375, С390, С440 должна быть 0,15 - 0,30 %, при этом к обозначению стали добавляется буква Д, например, С345Д.

 Для изготовления рельсов широкой колеи типов Р75 (цифра указывает на вес одного метра  - 75кг.), Р65 и Р50 применяются стали марок М76 и М74, где буква М указывает способ выплавки (мартеновский), цифры - среднее содержание углерода в сотых долях процента. Рельсы узкой колеи типа Р33 изготавливаются из спокойной углеродистой стали. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на нормальные (категория Н), твердые (категория Т) и повышенной твердости (категория ПТ).

    Прокат из стали повышенной прочности изготовляют классов прочности: 265, 295, 315, 325, 345, 355, 375, 390 и 440, где цифры обозначают предел текучести.

    Для изготовления конструкций, работающих при низких температурах, применяется сталь марок ОН9, ОН9-Ш, ОН6Б, ОН3, ОН6 и т.д. Содержание углерода в них не более 0,1 %, цифра после буквы Н указывает содержание никеля в целых единицах (например, ОН9 содержит около 9 % никеля).

    Углеродистые литейные стали маркируются числом, обозначающим среднее содержание углерода (в сотых долях процента), и буквой Л.

Одна марка может иметь не сильно отличный химический состав в зависимости от способа получения.

   К марке стали с гарантией свариваемости добавляются буквы св в конце марки.  (Например Ст3сп3 св)

   Сварочная проволока обозначается буквами Св- в начале марки.

Легированные стали: классификация и маркировка

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы (хром, никель, кобальт, молибден, титан, вольфрам и др.). Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

По своему воздействию  на структуру стали легирующие элементы делятся на 2 класса:
- первые расширяют гамма-область и сужают альфа-область
- вторые наоборот – сужают гамма-область и расширяют альфа-область

Легированные стали классифицируют:
- по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе
- по типу легирующих элементов и их процентному содержанию
- по качеству
- по назначению

По структуре в равновесном состоянии разделяют на:
- доэвтектоидные
- эвтектоидные
- заэвтектоидные

После охлаждения на воздухе структура стали может измениться. По структуре в нормализованном состоянии легированные стали подразделяют на:
- перлитные
- аустенитные
- мартенситные

По типу легирующих элементов стали подразделяют на хромовые, никелевые и т.д.
Современные легированные стали – сложнолегированные.

По общему процентному содержанию легирующих элементов легированные стали разделяют на:
- низколегированные – 5-10%
- среднелегированные – 10%
- высоколегированные – более 10%

Все легированные стали являются качественными сталями. Но бывают высококачественные и особо высококачественные.

Все легированные стали подвергаются термообработке, которая существенно улучшает структуру и форму. Использование без термообработки нерационально.

По назначению стали делят на:
- конструкционные
- инструментальные
- стали специального назначения

Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей зависит от их назначения.
В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровой метод.
В начале марки конструкционных легированных сталей (гост 4543-71) ставятся цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента.                              
Далее идут большие буквы, обозначающие тот или иной легирующий элемент:

После буквы может стоять цифра, которая обозначает среднее округленное до целого процентное содержание соответствующего легирующего элемента.
Если цифры нет, то содержание легирующего элемента около 1% (или менее).

Если буква А стоит в середине марки стали – она означает присутствие в стали азота как легирующего элемента.
Если буква А стоит в конце марки – сталь высококачественная. У особо высококачественной стали ставится буква Ш в конце марки.

40ХН3МФА – конструкционная легированная сталь со средним содержанием углерода 0,4%, ~1% хрома, ~3% никеля, ~1% молибдена, ~1% ванадия, высококачественная.

18ХГТ – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18% и по 1% (приблизительно) хрома, марганца и титана.

В начале марки инструментальных легированных сталей (ГОСТ 5950-2000) первая цифра – среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если цифра не стоит, то содержание углерода в этой стали 1% и более.
Затем следуют буквы и цифры, обозначающие тоже самое, что и у конструкционных легированных сталей.
Легирующие элементы, которые вводят в инструментальные стали увеличивают теплостойкость, закаливаемость, вязкость, износостойкость.

ХВГ – инструментальная легированная сталь, углерода более 1%, приблизительно около 1% хрома, вольфрама, марганца.

Стали специального назначения маркируются несколько иначе. В начале марки – большая буква русского алфавита, обозначающая назначение стали:

После буквы ставятся цифры, обозначающие среднее, округленное до целого, содержание ведущего легирующего элемента. Для электротехнических сталей это кремний, для быстрорежущих (используются для изготовления режущего инструмента) – вольфрам.

Р18 – быстрорежущая сталь, 18% вольфрама

Р6М5К4 – быстрорежущая сталь, содержание вольфрама 6%, молибдена 5%, 4% кобальта.