Содержание
Содержание
Введение
1. Характеристика материалов
1.1 Чугун
1.2 Сталь
2. Сравнение свойств чугуна и стали
2.1 Физико-химические свойства материалов
2.2 Механические свойства материалов
2.3 Специфические свойства
3. Вывод
Использованная литература
Введение
Чёрная металлургия — основаразвития большинства отраслей народного хозяйства. Несмотря на бурный рост продукциихимической промышленности, цветной металлургии, промышленности стройматериалов,чёрные металлы остаются главным конструкционным материалом в машиностроении и строительстве.
Современная чёрная металлургияимеет высокий технический потенциал. Значительный прогресс достигнут в технологиипроизводства в отдельных подотраслях и переделах чёрной металлургии. Так, добычажелезной руды в основном ведётся прогрессивным открытым способом; в коксовом производствевнедрены бездымная загрузка шихты и сухое тушение кокса; в доменном производствев печах с повышенным давлением газа под колошником выплавляется 97%, а с вдуваниемприродного газа — 84% всего чугуна; в сталеплавильном производстве растет выплавкастали в кислородных конвертерах и электропечах, внедрены внепечная обработка сталипод вакуумом, синтетическими шлаками, инертными газами, переплавные процессы; увеличиваетсядоля непрерывной разливки стали; в прокатном производстве эффективно применяютсятермическая обработка металлопродукции, средства неразрушающего автоматическогоконтроля; в трубном — совершенствуется технология производства сварных труб большогодиаметра, бесшовных труб; в метизном производстве внедряются автоматизированноепоточные линии. Осуществляется разработка промышленных способов прямого полученияжелеза. Ведутся работы по созданию автоматизированной системы управления чёрнойметаллургии.
Цель данной работы — сравнитьпо свойствам два продукта черной металлургии: чугун и сталь, столь важные для человечества.
Задачи:
1. Изучить характеристику материалов.
2. Разобрать и сравнить физико-химические, механические и специфические свойствачугуна и стали.
3. Сделать вывод.
При написании данной работыиспользовалась учебная и методическая литература.
1. Характеристика материалов1.1 Чугун
Чугун (тюрк.), сплав железа с углеродом(обычно более 2%) содержащий также постоянные примеси (Si, Mn, Р и S). Широко применяемыемарки чугунов обычно содержат 2,5-4% углерода, 1-5% кремния, до 2% марганца, а такжепримеси фосфора и серы. В состав специальных чугунов входят легирующие добавки:ванадий, молибден, никель, титан, хром и др. Температура плавления чугунов зависитот их химического состава и примерно составляет 1200-1250оС.
Виды: белый, серый, ковкий, высокопрочный, половинчатый чугуны.
Структура чугуна зависит от скоростиохлаждения и содержания в нём углерода и легирующих примесей. По структуре чугуныразделяют на белые и серые.
Белый чугун получил своё название отвида излома, который имеет белый или светло-серый цвет. Углерод в нём находитсяв химически связанном состоянии в виде цементита Fe3C. Цементит хрупок и обладает высокой твёрдостью, поэтому белыйчугун не поддаётся механической обработке, для изготовления изделий применяетсяредко и сварке не подлежит.
Из белого чугуна путём специальной термическойобработки (длительная выдержка при температуре 1000оС) получают ковкийчугун. По механическим свойствам он пластичнее белого чугуна. Название «ковкий»это условное название, чугуны не используют в виде поковок, они практически не куются.
Высокопрочные чугуны получают добавлениемв сплав некоторых легирующих элементов (магния, церия и др.). Серый чугун содержитв своём составе почти весь углерод в виде графита, поэтому излом его имеет серебристо-серыйцвет. Серый чугун хорошо обрабатывается режущим инструментом, поэтому он широкоприменяется как конструкционный материал. Серый чугун дешевле стали, отличаетсяхорошими литейными свойствами, высокой износостойкостью, способностью гасить вибрации,хорошей обрабатываемостью. Отрицательными его свойствами являются пониженная прочностьи высокая хрупкость.
Историческая справка. Первыесведения о чугуне относятся к 6 в. до нашей эры. В Китае из высокофосфористых железныхруд получали чугун, содержащий до 7% Р, с низкой температурой плавления, из которогоотливали различные изделия. Чугун был известен и античным металлургам 4-5 вв. донашей эры. Производство чугуна в Западной Европе началось в 14 в. с появлением первыхдоменных печей (штюкофенов) для выплавки чугуна из руд. Полученный чугуниспользовали или для передела в сталь в кричном горне, или для изготовления различныхстроительных деталей и оружия (пушки, ядра, колонны и др.). В России производствочугуна началось в 16 в.; в дальнейшем оно непрерывно расширялось, и при Петре IРоссия по выпуску чугуна превзошла все страны, но через столетие отстала от западно-европейскихстран. Появление во 2-й пол.18 в. вагранок позволило литейным цехам отделиться отдоменных, т.е. положило начало независимому существованию чугунолитейного производства(при машиностроительных заводах). В начале 19 в. возникает производство ковкогочугуна. Во 2-й четверти 20 в. начинают применять легирование чугуна, что дало возможностьсущественно повысить его свойства и получать специальный чугун (износостойкие, коррозионностойкие,жаростойкие и т.д.). К этому же периоду относится также разработка способов модифицированиячугуна. В конце 40-х гг. был получен модифицированный чугун с включениями графиташаровидной формы вместо обычной пластинчатой. В 60-х гг. в электрических печах началиполучать из стальных отходов с добавлением карбюризаторов т. н. синтетический чугунс высокими механическими свойствами при пластинчатой форме графита.
Маркировка. Чугун маркируют побуквенно-цифровой системе: первые буквы (С, К и В) обозначают серый, ковкий и высокопрочныйчугун соответственно; вторая буква (Ч) обозначает чугун. В сером чугуне две цифрыуказывают на временное сопротивление. Например, в марке СЧ10 буквы СЧ обозначаютсерый чугун, 10 — временное сопротивление. В обозначениях ковкого и высокопрочногочугунов после буквенной маркировки (КЧ и ВЧ) первые две цифры также обозначают временноесопротивление, а вторые две — относительное удлинение, например КЧ 35-10 (ковкийчугун с временным сопротивлением не менее 350 МПа и относительным удлинением неменее 10%).
В промышленности разновидности чугунамаркируются следующим образом:
· передельный чугун — П1, П2;
· передельный чугун для отливок — ПЛ1, ПЛ2, передельный фосфористый чугун- ПФ1, ПФ2, ПФ3, передельный высококачественный чугун — ПВК1, ПВК2, ПВК3;
· чугун с пластинчатым графитом — СЧ (цифры после букв «СЧ»,обозначают величину временного сопротивления разрыву в кгс/мм);
· антифрикционный чугун
o антифрикционный серый — АЧС,
o антифрикционный высокопрочный — АЧВ,
o антифрикционный ковкий — АЧК;
· чугун с шаровидным графитом для отливок — ВЧ (цифры после букв«ВЧ» означают временное сопротивление разрыву в кгс/мм и относительноеудлиненние (%);
· чугун легированный со специальными свойствами — Ч.
1.2 Сталь
Сталь (польск. stal, от нем.Stahl), деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и др. элементами.Сталь — важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практическивсех отраслей промышленности. Масштабы производства стали в значительной степенихарактеризуют технико-экономический уровень развития государства.
/>Историческаясправка. Сталь как материал, используемый человеком, имеет многовековую историю.Наиболее древний способ получения стали в тестообразном состоянии — сыродутный процесс,в основе которого лежало восстановление железа из руд древесным углём в горнах(позднее в небольших шахтных печах). Для получения литой стали древние мастера применялитигельную плавку — расплавление мелких кусков стали и чугуна в огнеупорных тиглях.Тигельная сталь характеризовалась весьма высоким качеством, но процесс был дорогими малопроизводительным. Таким способом изготовляли, в частности, булат и его разновидность- дамасскую сталь. Тигельный процесс просуществовал до начала 20 в. и был полностьювытеснен электроплавкой. В 14 в. возник кричный передел, заключавшийся в рафинированиипредварительно полученного чугуна в кричном горне. В конце 18 в. начало применятьсяпудлингование, при котором, как и при кричном переделе, исходным материалом былчугун, а продуктом — тестообразный металл (крица) качество металла при этом быловыше, а сам процесс характеризовался более высокой производительностью. Пудлингованиесыграло важную роль в развитии техники, однако обеспечить всё возраставшие потребностиобщества в стали не могло. Лишь с появлением во 2-й половине 19 в. бессемеровскогопроцесса и мартеновского процесса, а затем и томасовского процесса стало возможныммассовое производство литой стали. В конце 19 в. начала применяться выплавка сталив электрических печах. До середины 20 в. главенствующее положение среди способовпроизводства стали занимал мартеновский процесс, на долю которого приходилось около80% выплавляемой в мире стали. В 50-х гг. был внедрён кислородно-конвертерный процесс,причём в последующие годы его роль резко возросла. Наряду с указанными способамимассового производства стали развиваются более дорогие и менее производительныеспособы, позволяющие получать особо чистый металл высокого качества: вакуумная дуговаяплавка, вакуумная индукционная плавка, электрошлаковый переплав, электроннолучеваяплавка, плазменная плавка.
Стали делятся на конструкционныеи инструментальные. Разновидностью инструментальной является быстрорежущая сталь.
По химическому составу сталиделятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — намалоуглеродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3-0,55%) и высокоуглеродистые(0,6-0,85%); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные,среднелегированные и высоколегированные.
Стали, в зависимости от способаих получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесейлежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные,высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь различаетсяна аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структурепреобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
/>Маркировкасталей. Единой мировой системы маркировки стали не существует. В СССР проведенабольшая работа по унификации обозначений различных марок стали, что нашло отражениев государственных стандартах и технических условиях. Марки углеродистой стали обыкновенногокачества обозначаются буквами Ст и номером (Ст0, Ст1, Ст2 и т.д.). Качественныеуглеродистые стали маркируются двузначными числами, показывающими среднее содержаниестали в сотых долях процента: 05, 08, 10, 25, 40 и т.д. Спокойную сталь иногда дополнительнообозначают буквами сп, полуспокойную — пс, кипящую — кп (например, СтЗсп, Ст5пс,08кп). Буква Г в марке стали указывает на повышенное содержание Mn (например, 14Г,18Г). Автоматные стали маркируются буквой А (А12, А30 и т.д.), углеродистые инструментальныестали — буквой У (У8, У10, У12 и т.д. — здесь цифры означают содержание углеродав десятых долях процента).
Обозначение марки легированнойстали состоит из букв, указывающих, какие компоненты входят в её состав, и цифр,характеризующих их среднее содержание. В СССР приняты единые условные обозначенияхимического состава стали: алюминий — Ю, бор — Р, ванадий — Ф, вольфрам — В, кобальт- К, кремний — С, марганец — Г, медь — Д, молибден — М, никель — Н, ниобий — Б,титан — Т, углерод — У, фосфор — П, хром — Х, цирконий — Ц. Первые цифры марки обозначаютсреднее содержание углерода (в сотых долях процента для конструкционных сталей ив десятых долях процента для инструментальных и нержавеющих сталей); затем буквойуказан легирующий элемент и цифрами, следующими за буквой, — его среднее содержание.Например, сталь марки 3Х13 содержит 0,3% углерода и 13% Cr, стали марки 2X17H2- 0,2% углерода, 17% Cr и 2% Ni. При содержании легирующего элемента менее 1,5%цифры за соответствующей буквой не ставятся: так, сталь марки 12ХН3А содержит менее1,5% Cr. Буква А в конце обозначения марки указывает на то, что сталь является высококачественной,буква Ш — особо высококачественной. Обозначение марки некоторых легированных сталейвключает букву, указывающую на назначение стали (например, ШХ9 — шарикоподшипниковаясталь с 0,9-1,2% Cr; Э3 — электротехническая сталь с 3% Si). Стали, проходящие промышленныеиспытания, часто маркируют буквами ЭИ или ЭП (завод «Электросталь»), ДИ(завод «Днепроспецсталь») или ЗИ (Златоустовский завод) с соответствующимочередным номером (ЭИ268).
2. Сравнение свойств чугуна и стали2.1 Физико-химические свойства материалов
ü Отличия.
Содержание углерода в стали до 2%, вчугуне – более 2%
Чугун относится к материалам, обладающимплохой технологической свариваемостью, в отличие от стали. Основные трудности присварке обусловлены высокой склонностью его к отбеливанию, т.е. появлению участковс выделениями цементита, а также образованию трещин в шве и околошовной зоне.
Чугун имеет низкую по сравнению со стальютемпературу плавления (1200-1250оС) и быстро переходит из жидкого состоянияв твёрдое. Это вызывает образование пор в шве, поскольку интенсивное выделение газовиз сварочной ванны продолжается и на стадии кристаллизации.
В стали растворяясь в феррите, фосфорсильно искажает и уплотняет его кристаллическую решетку. При этом увеличиваютсяпределы прочности и текучести сплава, но уменьшаются его пластичность и вязкость.Фосфор значительно повышает порог хладноломкости стали и увеличивает склонностьсплава к ликвации.
Фосфор повышает жидкотекучесть и износостойкость,но ухудшает обрабатываемость чугуна.
ü Сходства.
Марганец повышает прочность стали ичугуна, не снижая пластичности, и резко уменьшает хрупкость при высоких температурах(красноломкость). Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
Сера является вредной примесью, образуетпри затвердевании сернистое железо (FeS), ухудшаетлитейные свойства чугуна и стали (снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышаетсклонность к образованию трещин).
2.2 Механические свойства материалов
Механические свойства чугунов зависятот металлической основы, а также формы и размеров включений графита. Наиболее прочнымиявляются серые чугуны на перлитной основе, а наиболее пластичными — серые чугунына ферритной основе. Поскольку графит имеет очень малую прочность и не имеет связис металлической основой чугуна, полости, занятые графитом, можно рассматривать какпустоты, надрезы или трещины в металлической основе чугуна, которые значительноснижают его прочность и пластичность. Наибольшее снижение прочностных свойств вызываютвключения графитав виде пластинок, наименьшее — включения точечной или шарообразнойформы.
В стали твердые частицы цементита повышаютсопротивление деформации, уменьшая пластичность и вязкость. Таким образом, с увеличениемв стали содержания углерода возрастают твердость, предел прочности и уменьшаютсяударная вязкость, относительное удлинение и сужение.
Чугун обладает хорошими литейными свойствами,хорошо обрабатывается резанием, сопротивляется износу, обладает способностью рассеиватьколебания при вибрационных и переменных нагрузках. Свойство гасить вибрации называетсядемпфирующей способностью. Демпфирующая способность чугуна в 2-4 раза выше, чемстали.2.3 Специфические свойства
ü Сталь
Сталь — это сплав железа с углеродом.Содержание углерода до 2 %.
Сталь — основной материал, широко применяемыйв машино- и приборостроении, строительстве, а также для изготовления различных инструментов.
Раскислением называют процесс удалениякислорода из жидкой стали. Не раскисленная сталь обладает недостаточной пластичностьюи подвержена хрупкому разрушению при горячей обработке давлением.
Спокойные стали раскисляют марганцем,алюминием и кремнием в печи и ковше. Они затвердевают в изложнице спокойно, безгазовыделения, с образованием в верхней части слитков усадочной раковины. Дендритнаяликвация в крупных слитках такой стали при их прокатке или ковке приводит к появлениюполосчатой структуры.
Для улучшения физических, химических,прочностных и технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различныелегирующие элементы (хром, марганец, никель и др.). Стали могут содержать один илинесколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.
Легирующие элементы вводят в сталь дляповышения ее конструкционной прочности.
ü Чугун
Чугун — это железоуглеродистыйсплав, с содержанием более 2 % углерода
Высокая демпфирующая способность и износостойкостьобусловили применение чугуна для изготовления станин различного оборудования, коленчатыхи распределительных валов тракторных и автомобильных двигателей и др.
Повышенная жидкотекучесть чугуна затрудняетудержание расплавленного металла от вытекания и усложняет формирование шва. Вследствиеокисления кремния на поверхности сварочной ванны возможно образование тугоплавкихоксидов, что может привести к непроварам.
Плохо свариваются также чугунные детали,работающие длительное время в соприкосновении с маслом и керосином. Поверхностьчугуна пропитывается маслом и керосином, которые при сварке сгорают и образуют газы,способствующие появлению сплошной пористости в сварном шве.
Графит повышает износостойкость и антифрикционныесвойства чугуна вследствие собственного смазочного действия и повышения прочностипленки смазочного материала. Чугуны с графитом, как мягкой и хрупкой составляющей,хорошо обрабатываются резанием (с образованием ломкой стружки) и обеспечивают болеечистую поверхность, чем стали (кроме автоматных сталей).
Чугунные детали, работающие длительноевремя при высоких температурах, почти не поддаются сварке. Это происходит в результатетого, что под действием высоких температур (300-400оС и выше) углероди кремний окисляются, и чугун становится очень хрупким.
Наиболее прочными являются серые чугунына перлитной основе, а наиболее пластичными — серые чугуны на ферритной основе.
Механические свойства высокопрочногочугуна позволяют применять его для изготовления деталей машин, работающих в тяжелыхусловиях, вместо поковок или отливок из стали. Из высокопрочного чугуна изготовляютдетали прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, паровых турбин (лопаткинаправляющего аппарата), тракторов, автомобилей (коленчатые валы, поршни) и др.
чугун сталь свойство металлургия
3. Вывод
В результате проделанной работы былирассмотрены характеристики чугуна и стали, их физико-химические, механические испецифические свойства. При сравнении свойств оказалось, что:
· Физико-химические свойства чугуна и стали различны по:
ü содержанию углерода;
ü свариваемости;
ü цвету;
ü температуре плавления;
ü влиянию фосфора.
· Физико-химические свойства чугуна и стали сходны по влиянию марганцаи серы.
· Механические свойства чугуна зависят от металлической основы и включениюграфита, а стали — от включений цементита и повышения содержания углерода.
· Специфические свойства стали:
ü содержит углерода до 2%;
ü обладает свойствами раскисления;
ü для улучшения свойств сталь легируют.
· Специфические свойства чугуна:
ü содержание углерода более 2%;
ü высокая жидкотекучесть;
ü пропитывается маслом и керосином;
ü высокая износостойкость и антифрикционные свойства;
ü обладает литейными свойствами.
Хоть сталь и производится из чугуна,они имеют различные физико-химические, механические и специфические свойства.
Использованная литература
1. Виноградов Ю.Г., Орлов К.С. Материаловедение для слесарей-монтажников. М.1983.
2. Гузова В.В., Синенко Е.Г. и др. «Прикладная механика: учебное пособие.»- 2-е издание, перераб. и доп. — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002.
3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.
4. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.
5. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.