Металлические сплав. Их классификация

В обозначение входят: среднее  количество углерода в сотых долях  процента и затем наименования компонентов: марганца — (Г), кремния — (С), хрома  — (X), никеля — (Н), меди — (Д). Цифры после  букв указывают процентное содержание соответствующего элемента в целых единицах. Если количество какого-либо компонента составляет менее 0,3%, то такой компонент вовсе не обозначается и не считается легирующим. Так, сталь марки 14Г2 является марганцовой сталью с содержанием в среднем 0,14% углерода и от 1 до 2% марганца, остальные же компоненты входят в количествах, меньших 0,3%; марка 15ХСНД обозначает сталь, содержащую в среднем 0,15% углерода и легированную хромом, кремнием, никелем и медью в количествах более 0,3 и менее 1%. ГОСТ охватывает большое количество низколегированных сталей, пригодных для строительства. Здесь должны быть отмечены уже освоенные стали 15ХСНД (бывшая сталь НЛ2), 10ХСНД (бывшая сталь СХЛ4), 10Г2СД (бывшая марганцово-кремнистая сталь — МК), применяемая для трубопроводов и листовых конструкций, а также более новые стали 14Г2, 15ГС, 14ХГС и др. Отличием всех этих сталей является то, что они содержат мало углерода (<0,18%), а их повышенные механические свойства достигаются другими присадками (марганцем, кремнием, хромом, никелем и др.). Механические характеристики этих сталей примерно на 40 — 50% выше соответствующих характеристик стали марки Ст. 3.

Все низколегированные стали  поставляются одновременно по механическим свойствам и химическому составу. Механические свойства и химический состав низколегированных сталей, представляющих интерес для строительства, указаны соответственно в табл. 3 и 4.

Все перечисленные виды сталей хорошо свариваются и имеют хорошую  ударную вязкость с низким порогом  хладноломкости (—40^о — —60°). Они изготовляются спокойными и имеют поэтому мелкозернистую структуру. Присутствие меди, хрома и никеля повышает стойкость многих марок против коррозии. С другой стороны, низколегированные стали более чувствительны к концентрации напряжений и потому часто имеют относительно более низкую вибрационную прочность.

Основной причиной, стимулирующей  переход на новые марки низколегированной стали, является сложность легирования стали НЛ2 (15ХСНД) и ее большая стоимость вследствие содержания в ней никеля, меди и хрома. Поэтому основным направлением в создании новых низколегированных сталей является простое легирование дешевыми безникельными присадками. Типичным представителем таких сталей является сталь марки 14Г2, основанная на присадке дешевого марганца, которая и должна рассматриваться как основная строительная низколегированная сталь. Правда, простота легирования приводит к некоторому снижению прочностных показателей и требует особой тщательности изготовления (наличие чистого ферромарганца), поскольку плавку нельзя корректировать другими компонентами, как в многокомпонентных сталях, но зато плавка последних более трудоемка и дорога. Компромиссным решением являются стали марок 15ГС и 14ХГС, которые должны рассматриваться как весьма перспективные. 

Механические свойства низколегированных  сталей 

		Механические свойства при  растяжении
Марки стали	Толщина проката в мм	предел прочности (временное  сопротивление) в кг/мм2	предел текучести в кг/мм2	относительное удлинение  длинного образца  в %	Испытание на загиб в холодном состоянии на 180°. а — толщина образца; d—диаметр оправки
		не менее
15ХСНД	4—32	52	35	18	d=2a
ЮХСНД	4—32	54	40	16	d=-2a
	33—40	51	37	15
14Г2	4—10	48	34	18	d=2a
	11—20	47	33	18
15ГС	4—10	50	35	18	d=2a
	11—20	48	34	18
14ХГС	4—10	50	35	18	d=2a
	11—20	50	34	18
10Г2СД	4—10	50	35	18	d=2a
	11—20	48	34	18
	21—32	48	33	18

 

Химический состав низколегированных  сталей

	Содержание элементов  в %
Марки стали	углерод	кремний	марганец	хром	никель	медь	фосфор	сера
							не более
15ХСНД
(НЛ2)	0,12-0,18	0,4—0,7	0,4-0,7	0,6—0,9	0,3-0,6	0,2-0,4	0,04	0,04
ЮХСНД	<0,12	0,8—1,1	0,5-0,8	0,6—0,9	0,5—0,8	0,4—0,65	0,04	0,04
14Г2	0,12—0,18	0,2—0,4	1,2-1,6	<0,3	<0,3	<0,3	0,04	0,04
15ГС	0,12—0,18	0,7—1	0,9—1,3	<0,3	<0,3	<0,3	0,04	0,04
14ХГС	0,11—0,17	0,4—0,7	0,9—1,3	0,5—0,8	<0,3	<0,3	0,04	0,04
10Г2СД	<0,12	0,8—1,1	1,3-165	<0,3	<0,3	0,15—0,3	0,04	0.04

 

 

Произведенные исследования показывают, что стали марок 14Г2 и 14ХГС столь же однородны, как сталь  НЛ2 (хотя и уступают в однородности стали 3), и достаточно хорошо выдерживают наименьшие значения своих прочностных показателей по ГОСТу.

Большая стоимость сталей, содержащих никель, объясняется тем, что этот дорогой металл приходится вводить в шихту извне, поскольку  на основе месторождений Орско-Халиловских железоникелевых руд металл для строительства еще не производится. При изменении этого обстоятельства дешевые природные никелевые стали войдут в обиход строительства; подготовка таких сталей уже производится.

Среднелегированные  стали – это стали, в которых доля легирующих примесей находится в диапазоне от 2,5% до 10%.

Популярные среднелегированные стали марок 9Х5ВФ, 8Х4ВЗМЗФ2 имеют  более высокую температуру прокаливания в сравнении, например, с низколегированной  сталью 13Х, а также обладают более высокой износостойкостью.

Инструмент, изготовленный  из такой стали может иметь  больший диаметр и длину, чем  инструмент из низколегированной стали  за счет того, что закаливание металла  может происходить в масле  и при более высоких температурах, а это позволяет в свою очередь  уменьшить деформацию и коробленье.

Диаметр инструмента из среднелегированной стали может достигать 40мм и иметь значительную длину.

Среднелегированные стали 9ХС, ХВГ, ХВСГ благодаря своим легирующим добавкам стали популярными при  изготовлении сверл, протяжек диаметром 60-80мм, а также для изготовления розверток.

В каждом конкретном случае для изготовления того или иного  инструмента необходимо выбирать сталь  с теми легирующими элементами, воздействие  которых на металл, наилучшим образом  сказывается на его важных для  данного использования характеристиках.

Высоколегированные  стали – это сталь, в которой содержится более 10% легирующих добавок – одной или сразу нескольких.

Высоколегированные стали, как правило, коррозионностойкие, жаростойкие  и жаропрочные, что обусловило широкое  распространение их применения в промышленности.

Эти высоколегированные стали разделяют на три основные группы: коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные.

Коррозионностойкие высоколегированные стали – это стали, которые  устойчивы от коррозии различных  видов. В частности эти стали  устойчивы против химической, электрической и межкристаллитной коррозии.

Жаростойкие, или как их еще называют окалиностойкие, - это стали, которые устойчивы к химическому разрушению при работе в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при высоких температурах – более 500С – в газовых средах.

Жаропрочные стали – это  стали, из которых изготавливают  инструмент способный работать с  большой нагрузкой определенной время при температурах, превышающих 100С.

Каждый из видов высоколегированной стали имеет свое четкое назначение, которое определяется видом и  количеством специальных легирующих добавок.

 

2.2 Чугун

Чугун – сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67.

Популярность этого материала  обусловлена тем, что он недорогой и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна – машиностроение, кроме того, он широко применяется в искусстве   (художественное литье), архитектуре. Еще одно немаловажное назначение чугуна – это сырье для производства стали.

Кроме того, добавление в  чугун легирующих элементов может  довольно значительно изменить его  свойства, снижая свойственную ему  хрупкость и даже приближая к  углеродистым сталям.

Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Если совсем просто излагать, то процесс  выглядит примерно так: восстановленное  железо из оксидов, в которых оно  присутствует в руде, расплавляют  с подачей воздуха, в результате чего происходит химическая реакция  с углеродом – образование  чугуна.

Чугун имеет большой спектр свойств, в зависимости от своего состава.

Обязательно в состав чугуна входят:

1) кремний (Si) – менее 4,3%; второй по важности элемент после углерода; делает материал более мягким, улучшая его жидкотекучесть и литейные свойства;

2) марганец (Mn) – менее 2%; этот элемент увеличивает прочность сплава;

3) сера (S) – менее 0,07%; этот элемент является причиной «красноломкости» (появление трещин при нагревании отливок), ухудщает жидкотекучесть сплава и литейные свойства;

4) фосфор (Р) – менее  1,2%; наличие фосфора является  причиной «Хладноломкости» (появление трещин при охлаждении отливок), ухудшает механические качества чугуна;

5) углерод (С) – самый  важный элемент в чугуне; от  количества, формы и вида его  зависит разделение чугуна на  сорта; в жидком сплаве чугуна  углерод пребывает в растворенном  состоянии, в твердом или с  железом в химически связанном  виде, или в виде графита (мелких пластинок).

В зависимости от химического  состава, структуры и назначения чугуны также подразделяются на несколько  видов:

1) легированные – хромистые,  титановые, никелевые;

2) ферросплавы или специальные чугуны;