а - объемно-центрированная; б - гране-центрированная
1.2. Стали и алюминиевые сплавы
1.2.1. Общая характеристика
сталей. Сталь - это сплав железа с углеродом, содержащий легирующие добавки, улучшающие качество металла, и вредные примеси, которые попадают в металл из руды или образуются в процессе выплавки.
Структура стали. В твердом состоянии сталь является поликристаллическим телом, состоящим из
множества различно ориентированных кристаллов (зерен). В каждом кристалле атомы (точнее, положительно заряженные ионы) расположены упорядо-ченно в узлах пространственной решетки. Для стали характерны объемно-центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубическая кристаллическая решетка (рис. 1.4). Каждое зерно как кристаллическое образование резко анизотропно и имеет различные свойства по разным направлениям. При большом числе по-разному ориентированных зерен эти различия сглаживаются, статистически в среднем по всем направлениям свойства становятся одинаковыми и сталь ведет себя как квазиизотропное тело.
Структура стали зависит от условий кристаллизации, химического состава, режима термообработки и прокатки.
Температура плавления чистого железа равна 1535°С, при твердении образуются кристаллы чистого железа - феррита, так называемого <§"-железа с объемно-центрированной решеткой (рис. 1.4,а); при температуре 1490°С происходит перекристаллизация, и S-железо переходит в /-железо с гранецентрированной решеткой (рис. 1.4,6). При температуре 910°С и ниже кристаллы -железа вновь превращаются в объемно-центрированные, и это состояние сохраняется до нормальной температуры. Последняя модификация называется оС -железом.
При введении углерода температура плавления снижается и для стали с содержанием углерода 0,2% составляет примерно 1520°С. При остывании образуется твердый раствор углерода в f -железе, называемый аустенитом, в котором атомы углерода располагаются в центре ГЦК решетки. При температуре ниже 910°С начинается распад аустенита. Образующееся ос -железо с ОЦК решеткой (феррит) плохо растворяет углерод. По мере выделения феррита аустенит обогащается углеродом и при температуре 723°С превращается в перлит - смесь феррита и карбида железа РезС, называемого цементитом. Таким образом, при нормальной температуре сталь состоит из двух основных фаз - феррита и цементита, которые образуют самостоятельные зерна, а также входят в виде пластинок в состав перлита (рис. 1.5; светлые зерна - феррит, темные - перлит).
Феррит веьма пластичен и малопрочен, цементит тверд и хрупок. Перлит обладает свойствами, промежуточными между свойствами феррита и цементита. В зависимости от содержания углерода преобладает та или иная структурная составляющая. Величина зерен феррита и перлита зависит от числа очагов кристаллизации и условий охлаждения и существенно влияет
Рис. 1.5. Микроструктура низкоуглеродистой стали
на механические свойства стали (чем мельче зерно, тем выше качество металла).
Легарующие добавки, входя в твердый раствор с ферритом, упрочняют его. Кроме того, некоторые из них, образуя карбиды и нитриды, увеличивают число очагов
кристаллизации и способствуют образованию мелкозернистой структуры.
Под влиянием термической обработки изменяются структура, величина зерна и растворимость легирующих элементов, что приводит к изменению свойств стали.
Простейшим видом термической обработки является нормализация. Она заключается в повторном нагреве проката до температуры образования аустенита и последующем охлаждении на воздухе. После нормализации структура стали получается более упорядоченной, что приводит к улучшению прочностных и пластических свойств стального проката и его ударной вязкости, а также к повышению однородности.
При быстром остывании стали, нагретой до температуры, превосходящей температуру фазового превращения, сталь закаливается.
Структуры, образующиеся после закалки, придают стали высокую прочность. Однако пластичность ее снижается, а склонность к хрупкому разрушению повышается. Для регулирования механических свойств закаленной стали и образования желаемой структуры производится ее отпуск, т.е. нагрев до температуры, при которой происходит желательное структурное превращение, выдержка при этой температуре в течение необходимого времени и затем медленное остывание
При прокатке в результате обжатия структура стали меняется. Происходит размельчение зерен и различное их ориентирование вдоль и поперек проката, что приводит к определенной анизотропии свойств. Существенное влияние оказывают также температура прокатки и скорость охлаждения. При высокой скорости охлаждения возможно образование закалочных структур, что приводит к повышению прочностных свойств стали. Чем толще прокат, тем меньше степень обжатия и скорость охлаждения. Поэтому с увеличением толщины проката прочностные характеристики снижаются.
Таким образом, варьируя химический состав и режимы прокатки и термообработки, можно изменить структуру и получить сталь с заданными прочностными и другими свойствами.
Классификация сталей. По прочностным свойствам стали условно делятся на три группы: обычной ( (о у <29 кН/см ), повышенной ( ё у = = 29-40 кН/см ) и высокой прочности ( ё у>40 кН/см).
Повышение прочности стали достигается легированием и термической обработкой.
Технология металлов и сварка. - М.: Высшая школа, 1977.
По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода с некоторой добавкой кремния (или алюминия) и марганца. Прочие добавки специально не вводятся и могут попасть в сталь из руды (медь, хром и т.д.).
Углерод (У)\ повышая прочность стали, снижает ее пластичность и ухудшает свариваемость, поэтому для строительных металлических конструкций применяются только низкоуглеродистые стали с содержанием углерода не более 0,22%.
В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стали, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяются низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5%.
Основными легирующими добавками являются кремний (С), марганец (Г), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), алюминий (Ю), азот (А).
Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании свариваемость и коррозионную стойкость. Вредное влияние кремния может компенсироваться повышенным содержанием марганца.
Марганец повышает прочность, является хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. При содержании марганца более 1,5% сталь становится хрупкой.
Медь несколько повышает прочность стали и увеличивает ее стойкость против коррозии. Избыточное содержание меди (более 0,7%) способствует старению стали и повышает ее хрупкость.
Хром и никель повышают прочность стали без снижения пластичности и улучшают ее коррозионную стойкость.
Алюминий хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.
Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности и предотвращают разупрочнение термообрабо-танной стали при сварке.
Азот в несвязанном состоянии способствует старению стали и делает ее хрупкой, поэтому его должно быть не более 0,009%. В химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном и другими элементами он образует нитриды и становится легирующим элементом, способствуя получению мелкозернистой структуры и улучшению механических свойств.
Фосфор относится к вредным примесям, так как, образуя твердый раствор с ферритом, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладноломкость). Однако при наличии алюминия фосфор может служить легирующим элементом, повышающим коррозионную стойкость стали. На этом основано получение атмосферостойких сталей.
Сера вследствие образования легкоплавкого сернистого железа делает сталь красноломкой (склонной к образованию трещин при температуре 800-
