Меню

Урок 10 (вариант А)
Технологии получения сплавов с заданными свойствами

Материальные технологии
Технологии обработки конструкционных материалов
§15. Технологии получения металлов с заданными свойствами. Классификация сталей

Вам уже известно, сталь — это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные.

По применению — на конструкционные и инструментальные (табл. 6).

Таблица 6

Классификация сталей

В углеродистой стали содержится 0,4—2 % углерода. Углерод повышает твёрдость стали, но увеличивает её хрупкость и снижает пластичность.

Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная.

Сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст и цифрами от 0 до 6, т. е. Ст0, Ст 1 и т. д. Цифры показывают порядковый номер марки стали. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода и прочность стали. Из стали обыкновенного качества изготавливают строительные конструкции, гайки, болты, заклёпки, трубы, листовой прокат и др.

Углеродистая качественная сталь отличается повышенной прочностью. Она обозначается двумя цифрами, например 05, 10, 20, 45 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Из этой стали производят зубчатые колёса, валы, оси, шкивы и др.

Инструментальная углеродистая сталь обладает большей прочностью и твёрдостью, чем конструкционная. Её применяют для изготовления молотков, зубил, ножниц по металлу, ножовочных полотен, напильников и др. Она обозначается У10, У11, У12 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в десятых долях процента.

Для придания стали определённых свойств в неё во время выплавки добавляют различные химические элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Одни элементы повышают прочность и твёрдость стали, другие — упругость, третьи — коррозионную стойкость (т. е. сопротивляемость стали, например, воздействию влаги и появлению ржавчины) и т. д. Стали, в состав которых входят эти элементы, называются легированными. Легирующие добавки в сталях обозначают буквами: X — хром, В — вольфрам, H — никель, Г — марганец, Ф — ванадий, M — молибден и др. Например, в стали 40Х содержится 0,4 % углерода и 1 % хрома.

Легированные конструкционные стали применяют для изготовления пружин, шестерён, рессор и др., а легированные инструментальные — для изготовления режущих инструментов — свёрл, плашек, метчиков и пр.

Термическая обработка сталей

Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия — термической обработки (термообработки). Она заключается в нагреве заготовки до определённой температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определённой скоростью. Температура нагрева зависит от вида термообработки и марки стали.

Основные виды термообработки — закалка, отпуск, отжиг.

При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей. Закалка увеличивает твёрдость и прочность стали, но вместе с тем повышает её хрупкость. Качественная закалка возможна только для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.

Хрупкость стали после закалки можно уменьшить с помощью отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей закалённой детали до определённой температуры (обычно ниже температуры закалки) и последующее её охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твёрдость стали, что улучшает её обрабатываемость.

При отжиге заготовку нагревают до определённой температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают (в этом главное отличие от закалки). Отжиг резко снижает твёрдость стали — она становится мягче и лучше обрабатывается.

Проводить рассмотренные выше виды термообработки можно в школьных мастерских, пользуясь муфельными печами небольшого размера. Температуру закалки можно контролировать по цветам свечения разогретого металла (цветам каления). Этот цвет зависит от температуры, до которой нагрета заготовка. Чем выше температура, тем светлее становится металл (рис. 42).

Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости (см. рис. 42). Цвета побежалости — радужная окраска, возникающая на чистой поверхности нагретой стали. Например, если при нагреве поверхность заготовки приобрела синий оттенок, значит, она нагрета до температуры примерно 300 °C.

Практическая работа № 11

Ознакомление с термической обработкой стали

Внимание! Пункты 2, 3, 5 выполняет учитель.

1. Закрепите в тисках образец из незакалённой стали (например, с содержанием углерода 0,42—0,5 %) и проведите по нему несколько раз напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости незакалённой стали.

2. Выполните закалку образца. Для этого поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до температуры 840 °C, и выдержите его 15—20 мин. Температуру нагрева образца определите по рисунку 42.

3. Опустите раскалённый образец в банку с водой.

4. Закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости закалённой стали.

5. Выполните отпуск образца. Для этого поместите образец в печь, нагретую до температуры 450—550 °C, и выдержите 15—20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе.

6. Опилите образец в тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.

Самостоятельная работа

Работа с информацией.

Выясните, выполнив поиск в Интернете и других источниках информации, какие марки сталей, кроме рассмотренных в §15, применяются в различных областях деятельности человека. Сохраните информацию в форме описания, схем, фотографий и др. Подготовьте небольшое сообщение к следующему уроку.

Проверяем свои знания

1. Чем отличаются углеродистые стали от легированных?

2. Что такое термическая обработка?

3. Как изменяются свойства стали при закалке?