Программа и методика эксперимента

     Ориентировочно марку стали можно определить по искре, возникающей при обработке металла шлифовальным кругом.

Имеются предложенные для выполнения лабораторной работы различные марки стали и инструмент обработки – шлифовальный круг.

Марганец и кремний, попадающие в сталь из чугуна, а возможно и вводимые в нее дополнительно при раскаливании, растворяются в феррите, а марганец - в цементе. Благодаря этому при сохраняющейся пластичности несколько возрастают прочность и твердость стали. Помимо положительно влияющими добавками также есть вредные примеси: сера и фосфор. Сера и фосфор снижают прочность и пластичность, а также ударную вязкость стали, при этом фосфор, растворяясь в феррите, упрочняет его и делает хрупким, т.е. снижает вязкость стали, особенно при низких температурах. Отсюда принято считать, что фосфор придает стали хладоломкость. Сера в фазах, находящихся в стали, растворяться не может. Поэтому в стали она располагается между ее зернами в виде легкоплавкого соединения FeS. Это соединение, как бы разъединяя зерна, снижает прочность, пластичность и

вязкость стали. Кроме того, соединение FeS образует с соседними зернами стали плавящуюся при 998°C градусах смесь. Поэтому сильно пораженная серой сталь при ковке разрушается на фрагменты, в связи с этим говорят, что сера придает стали красноломкость.

В настоящее время наибольшее практическое значение имеет приведенная на рисунке 1 диаграмма состояний Fe-C. В соответствии с двумя аллотропическими модификациями железа (α-Fe с решеткой ОЦК и γ-Fe с решеткой ГЦК) в системе Fe-C образуется два твердых раствора. Твердый раствор внедрения углерода в α-Fe называется ферритом, а в γ-Fe – аустенитом. Растворимость углерода в α- и γ- железе увеличится с повышением температуры. Одной из важнейших фаз, влияющих на свойства сплавов, является карбид железа Fe3C или цементит.

Анализ этой диаграммы показывает, что цементит ведет себя как самостоятельный компонент. Поэтому на диаграмме даны две согласующиеся друг с другом шкалы концентраций: одна показывает содержание углерода, а другая – количество цементита в процентах. Напомним, что в цементите Fe3C содержится 6,67 % углерода. Поэтому, если левая ордината соответствует чистому железу, то правая – цементиту.

Сплавы с содержанием углерода до 2,14 % называют сталями. В результате кристаллизации из жидкой фазы в этих сплавах в равновесных условиях получается аустенит.

Углеродистые стали занимают левую часть диаграммы состояний на рисунке 1. Пользуясь этой диаграммой для оценки свойств отожженных, то есть находящихся в равновесном фазовом состоянии сталей, надо помнить отличия химического состояния фаз – феррита и цементита - и металлургические дефекты, которые привносятся в них при выплавке и которые влияют на их металлические и другие свойства.

Рисунок 1- Диаграмма состояний Fe-C

Содержание углерода существенно влияет на свойства стали, от него зависят относительные количества находящихся в стали мягкого и пластичного феррита и очень твердого, но хрупкого цементита. В связи с этим тесно переплетается классификация сталей по содержанию углерода и назначению. Так, низкоуглеродистые стали (до 0,25% углерода) очень пластичны, но сравнительно малопрочны и используются для изготовления слабонагруженных изделий. Среднеуглеродистые стали (0,3-0,6% углерода) сочетают в себе достаточно высокий комплекс вязкостнопрочностных свойств и являются основными конструкционными машиноподелочными материалами. Высокоуглеродистые стали (0,7-1,3% углерода) обладают очень высокой твердостью, низкой пластичностью и вязкостью. По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные и инструментальные.

Качественные углеродистые конструкционные стали выплавляются при более строгом соблюдении технологии выплавки, а содержание вредных примесей серы и фосфора в них не должно превышать 0,03% каждого. Их

маркировка состоит из двузначного числа, означающего содержание углерода в сотых долях процента: сталь 05, 08, 10, 15, 20,…40, 45,..85. Из-за высокой хрупкости конструкционные углеродистые стали не содержат углерода свыше 0,85%. Буква А в конце марки свидетельствует об улучшенном металлургическом качестве стали: более полном раскислении, мелком наследственном зерне, более точном химическом составе и меньшем содержанием серы и фосфора (менее 0,02% каждого). Из этих сталей делают детали ответственного назначения.

Инструментальные углеродистые стали являются высокоуглеродистыми сталями, содержащими 0,7-1,3 % углерода. Это гарантирует им высокую твердость, необходимую для придания инструменту режущих свойств и износостойкости. Их маркируют У7, У7А,.У13, У13А. Цифра означает содержание углерода в десятых долях процента, а буква А- улучшенное металлургическое качество.

Легированной сталью называется такая сталь, в которую кроме углерода вводятся один или несколько других элементов, называемых легирующими, с целью улучшения ее механических и технологических свойств или получения каких-либо новых служебных свойств, не присущих углеродистым сталям. По назначению легированные стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали и сплавы с особыми свойствами. Для изготовления тяжелонагруженных деталей ответственного назначения у углеродистых сталей не хватает прочности и вязкости. Для улучшения механических свойств в конструкционные легированные стали вводятся такие элементы, как хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор, а так же марганец и кремний в количествах, превышающих их обычное содержание в углеродистых сталях.

Конструкционные легированные стали маркируются следующим образом: вначале ставится двузначное число, выражающее среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, затем русскими заглавными буквами перечисляются находящиеся в стали легирующие элементы.

В маркировке инструментальных сталей содержание углерода указывается в десятых долях процента, а отсутствие цифры свидетельствует о том, что углерода содержится около 1%. Отсутствие цифр после символов таких элементов, как хром, кремний и вольфрам, означает, что их количество может доходить до 1,5%.

К сталям с особыми свойствами относятся, прежде всего коррозионно-стойкие и жаропрочные стали.

Коррозионно-стойкими называются стали, противодействующие поверхностному разрушению под действием агрессивных газовых или жидких сред. Жаропрочными называются стали, способные продолжительно работать под нагрузкой при повышенных (свыше 400°C) и высоких (свыше 650°C) температурах. Для этого они, прежде всего, должны быть жаростойкими (окалиностойкими). Сопротивление окалинообразованию при высоких температурах обеспечивается образующейся на их поверхности плотной оксидной пленки из Cr₂O₃ , Al₂O₃ или SiO_2, которая останавливает дальнейшее окисление в глубину. В связи с этим в жаропрочных сталях нужны хром, алюминий или кремний.

3 Результаты измерений и обработка экспериментальных данных

Марку стали можно определить по искре, которая возникала при обработке металла шлифовальным кругом. Каждый образец имел свой индивидуальный цвет и характер пучка искр. В ходе лабораторных исследований были получены данные, которые были занесены в таблицу 1.

Таблица 1- Зависимость типа стали от пучка искр.

Данные образцы используются в промышленности для изготовления оборудования,инструментов,станков и т.д. Например, высокоуглеродистые

стали, обладающие высокой твердостью и низкой пластичностью, служат отличным материалом для получения режущих инструментов, а также изделий с высокой износостойкостью.

Таблица 2-Маркировка стали по их предполагаемому составу