Физические и химические свойства металла

Углеродистые стали — это сплавы в основном железа с углеродом, содержащие до 2% углерода. Кроме углерода, эти стали содержат до 0,8% марганца и до 0,4% кремния, остающихся после раскисления, а также вредные примеси — до 0,055% серы и до 0,045% фосфора.

Углеродистая сталь является основным материалом для изготовления деталей машин и аппаратов. Для котельных агрегатов, турбин, вспомогательного оборудования широко применяют низко углеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода. Они очень пластичны и поэтому хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Эти стали можно использовать также в виде стального фасонного литья. Кроме того, они обладают вполне удовлетворительными механическими свойствами: достаточно прочны при температурах до 450° С, хорошо воспринимают динамические нагрузки.

Особенности производства стали и стальных полуфабрикатов оказывают существенное влияние на механические свойства и качество готовых изделий.

При одинаковом содержании углерода бессемеровская сталь имеет более высокую прочность и твердость, чем мартеновская. Эта разница в свойствах объясняется тем, что в бессемеровской стали содержится повышенное количество растворенных азота и фосфора — элементов, упрочняющих сталь, но делающих ее одновременно и более хрупкой. Применение кислородного дутья в конвертерах значительно ослабляет этот недостаток конвертерной стали.

По назначению углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали в свою очередь разделяют на строительные и машиностроительные.

В строительных сталях содержание углерода обычно не превышает 0,25%, т. е. эти стали относятся к категории малоуглеродистых. Они хорошо свариваются, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, но прочность их относительно невысока.

Углеродистые стали классифицируют также по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, способом производства и постоянством механических свойств и химического состава. Чем меньше содержание вредных примесей, колебание механических свойств и химического состава, тем выше качество стали.

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углерод — элемент, в основном определяющий свойства углеродистых сталей. Влияние углерода на прочность и пластичность углеродистой стали после прокатки показано на рис. 66. С увеличением содержания углерода возрастают предел прочности и твердость стали, снижаются показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение), а также ударная вязкость. При 0,8% углерода прочность стали достигает максимального значения, после чего она начинает снижаться.

Марганец вводят в любую сталь для раскисления (т. е. для устранения вредных включений закиси железа). Марганец растворяется в феррите и цементите, поэтому его обнаружение металлографическими методами невозможно. Он повышает прочность стали и сильно увеличивает прокаливаемость. Содержание марганца в углеродистой стали отдельных марок может достигать 0,8%.

Кремний, подобно марганцу, является раскислителем, но действует более эффективно. В кипящей стали содержание кремния не должно превышать 0,07%. Если кремния будет больше, то раскисление кремнием произойдет настолько полно, что не получится «кипения» жидкого металла за счет раскисления углеродом. В спокойной углеродистой стали содержится от 0,12 до 0,37% кремния. Весь кремний растворяется в феррите. Он сильно повышает прочность и твердость стали.

Содержание в стали легирующих примесей оказывает большое влияние на свариваемость стали.

К основным легирующим примесям относятся хром, никель ,молибден ,ванадий ,титан и ниобий. К ним относятся так же кремний и марганец при повышенном их содержание в стали.

Хром - (Х) снижает свариваемость стали, так как, окисляясь , образует тугоплавкие окислы Cr2O3, резко повышает твердость стали в зоне термического влияния.

Никель – (Н) Никель способствует измельчению кристаллических зерен, повышению пластичности и прочностных качеств стали. В конструкционных сталях никеля содержится от 1,0 до 5%, а в легированных сталях – от 8 до 35%.

Молибден – (М) Содержится от 0,15 до 0,8%. Способствует измельчению кристаллических зерен, повышению прочности и ударной вязкости стали.

Ванадий – (Ф) Содержится в сталях от 0,2 до 1,5%. Ванадий придает стали высокую прочность, повышает его вязкость и упругость.

Вольфрам – (В) Содержится в сталях от 0,8 до 18%. Значительно повышает твердость стали и его теплостойкость.

Титан и ниобий – (Т),(Б) Содержится в нержавеющих и жаропрочных сталях в количестве от 0,5 до 1,0%. Они являются хорошими карбидообразователми и поэтому препятствует образованию карбидов хрома.

Сера и фосфор, вызывая ломкость стали и одновременно понижая механические свойства, улучшают обрабатываемость резанием: повышается чистота обрабатываемой поверхности, увеличивается время между переточками резцов, фрез и т. д. Поэтому для ряда неответственных деталей, подвергаемых механической обработке, применяют так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (до 0,30%) и фосфора (до 0,15%).

Выбор способа сварки

Для выполнения данного изделия я выбрал полуавтоматическую сварку в среде углекислого газа.

Сварка в защитном газе является одним из способов дуговой сварки. При этом в зону дуги подается защитный газ, струя которого, обтекая электрическую дугу и сварочную ванну, предохраняет расплавленный металл от воздействия атмосферного воздуха, окисления и азотирования. Рисунок 1 поясняет принцип дуговой сварки в защитном газе.

Рис. 3. Принцип дуговой сварки в защитном газе

Преимуществами сварки в защитных газах являются:

• высокая производительность (примерно в 2,5 раза выше, чем при ручной дуговой сварке покрытыми электродами);
• высокоэффективная защита расплавленного металла, особенно при использовании инертных газов;
• возможность визуального наблюдения за сварочной ванной и дугой;
• широкий диапазон толщин свариваемых заготовок (от десятых долей миллиметра до десятков миллиметров);
• возможность сварки в различных пространственных положениях;
• отсутствие необходимости зачищать швы при многослойной сварке;
• узкая зона термического влияния.

Существуют следующие разновидности сварки в защитном газе: сварка в инертных одноатомных газах (аргон, гелий), в нейтральных двухатомных газах (азот, водород) и в углекислом газе. Наиболее широкое практическое применение получили: аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе.

Сварку в углекислом газе производят почти во всех пространственных положениях, что является важным качеством, необходимым при производстве строительно-монтажных работ. Сварку осуществляют при питании дуги постоянным током обратной полярности.