Чем отличается чугун и стали. Чем чугун отличается от стали

Железа добывается из недр земли больше, чем любого другого металла.

Но чистого железа вы не видели. Этот серебристый металл слишком мягок, а поэтому мало пригоден для изготовления изделий (за исключением сердечников электромагнитов). В промышленности, в строительстве, в домашнем быту употребляют не чистое железо, а разнообразнейшие железные сплавы - чугуны и стали. Они сильно отличаются друг от друга по своим свойствам. Стальным пером вы легко выцарапаете свою фамилию на чугунной сковородке.

Чугунный же осколок будет только скользить по поверхности стальных коньков и никакого вреда им не причинит. Огромное большинство сталей тверже чугуна. Как ни старайтесь, вам не удастся согнуть чугунную сковородку: при большом усилии она не выдержит - хрустнет, сломается, но не согнется.

Лезвие же стального обеденного ножа сгибается и снова выпрямляется. Чугун хрупок, а сталь упруга. Впрочем, упругость стали имеет свой предел: лезвие ножа нельзя согнуть в дугу - оно сломается.

Каждый день, заводя часы, вы скручиваете часовую пружину. Заведенная пружина раскручивается, тянет шестеренки-колесики - часы идут. Они служат вам многие годы, и изо дня в день, 365 раз в году, скручивается и раскручивается пружина, не утрачивая упругости. Как мы уже говорили, такие пружины делаются из особо упругой стали. Стремительно вращается сверло сверлильного станка, все глубже вонзаясь в стальную плиту.

Через короткое время в плите появляется сквозное отверстие. Такие сверла, а также резцы изготовлены из особой, быстрорежущей стали. Металлурги изготовляют сотни разнообразных сортов («марок») сталей, десятки сортов чугуна.

Во всех них непременно содержится углерод. Поэтому чугуны и стали называют железоуглеродистыми сплавами. Больше всего углерода (более 2%) содержат чугуны.

В сталях углерода менее 2 %; совсем мало его в мягких сталях, или ковком железе. Из ковкого железа прокатывают листы кровельного железа, протягивают проволоку; из железной проволоки изготовляют на прессах – автоматах гвозди. Удар молотка-пуансона по выступающему из матрицы кончику проволоки - и он сплющен в шляпку будущего гвоздя. Удар откусывающих ножей - и от проволоки отделяется готовый гвоздь с заостренным концом. Мягкость и податливость ковкого железа по сравнению с твердыми сталями и чугунами полезна не только при изготовлении из него проволоки или гвоздей, но иногда и при применении изготовленной из него продукции.

Так, сапожные гвозди, чтобы не царапать пола, должны истираться вместе с кожей. По химическому составу чугуны и стали отличаются друг от друга не только содержанием углерода. В состав железоуглеродистых сплавов входят в небольших количествах и другие элементы - неметаллы (кремний, фосфор, сера) и металлы. Увеличивая содержание одних элементов, уменьшая содержание других, вводя разнообразные легирующие металлы (хром, ванадий, титан и пр.), металлурги получают разнообразные специальные стали. Одни из них обладают удивительной упругостью, другие «сверхтверды», третьи не подвергаются коррозии ни на воздухе, ни в воде.

Огромная область нашей промышленности, которая занята получением чугунов, сталей и ковкого железа, называется черной металлургией, а сами железоуглеродистые сплавы - черными сплавами. Какие бывают чугуны Если железную проволоку нагревать электрическим током, то сначала она все более провисает - от нагревания железо расширяется при 760° проволока без всяких видимых изменений вдруг перестает притягиваться магнитом. А при 906° с железом происходит новое изменение: проволока внезапно натягивается, т. е. сжимается, объем железа уменьшается.

При этой температуре расположение атомов в железе изменяется и обыкновенное железо, или альфа-железо, превращается в гамма-железо. Одно из отличий гамма-железа от альфа-железа заключается в способности гамма-железа науглероживаться оно впитывает в себя углерод, как губка впитывает воду, пока не насытится им. Наконец, при 1539° железо плавится, превращаясь в подвижную, легко расплескивающуюся жидкость. Жидкое железо еще более жадно поглощает углерод, чем твердое гамма-железо. Железо выплавляют из его руд с помощью кокса. Последний как раз и представляет собой почти чистый углерод.

Поэтому ослепительно блестящая струя, вырывающаяся по сигналу доменщика из доменной печи и с шумом низвергающаяся в ковш,- это не чистое железо, а раствор углерода в жидком железе - чугун. Что же произойдет при затвердевании жидкого чугуна? Жидкое железо начнет превращаться в кристаллы железа.

Но эти кристаллы не в состоянии удержать в себе всего растворившегося углерода. Излишек углерода выделяется в виде графита, получается серый чугун. Отливка из серого чугуна слагается из кристаллов железа, переслоенных тонкими широкими чешуйками графита. Графитовые чешуйки легко расщепляются, как спрессованная стопка бумаги. Поэтому графит - «слабое» место серого чугуна.

При ударе отливка из серого чугуна разбивается на куски вдоль прослоек графита, как если бы прослойки графита были в самом деле трещинками. Тусклый серый цвет графита обнаруживается в изломе чугуна. Теперь понятно, почему такой чугун хорошо отливается в формы, но хрупок и его нельзя ковать. Из серого чугуна отливают станины малган, маховые колеса, плиты, канализационные трубы.

Но графит теперь не рассекает отливку тонкими пластинками, он «блокирован» в отдельных участках в виде включений шарообразной формы. Это достигнуто тем, что в расплавленный чугун перед его разливкой в формы ввели незначительное количество магния. Из высокопрочного чугуна можно поэтому отливать и такие ответственные детали, как коленчатый вал мощного судового двигателя.

На примере высокопрочного чугуна мы познакомились с одним из способов изменять по заказу свойства сплавов - с применением модификаторов. При модифицировании химический состав сплава не меняется: ведь высокопрочный чугун по составу практически ничем не отличается от обыкновенного. Изменяются лишь форма, размеры и расположение кристаллов тех веществ, из которых сплав образован. При быстром затвердевании чугуна в особых условиях избыточный углерод выделяется не в виде графита, а в виде блестящих белых кристаллов цементита - химического соединения углерода с железом.

В противоположность графиту цементит очень тверд, но вместе с тем очень хрупок. Благодаря ему очень тверд и хрупок и белый чугун. Когда белый чугун выдерживается в течение нескольких дней при высокой температуре, содержащийся в нем цементит постепенно разлагается, из него выделяется углерод в виде таких же шаровидных скоплений, как и при модифицировании чугуна. Так получается еще один вид чугуна - ковкий чугун. На примере белого и ковкого чугуна мы познакомились еще с одним, наиболее важным способом изменения свойств сплавов - с термической обработкой.

Чугунные и стальные изделия металлургической промышленности находят применение как в быту, так и на производстве. Оба материала представляют собой уникальные сплавы железа и углерода. Всем известно, что железо добывается из глубин земли в огромных количествах. Но в чистом виде эксплуатировать его невозможно, этот элемент слишком мягок, а поэтому непригоден для изготовления высокопрочных изделий. Поэтому в промышленных, строительных и бытовых целях употребляется не железо в чистом виде, а его производные -чугуны и стали. Чем отличается сталь от чугуна?

Чугун и сталь представляют собой сплавы железа и углерода.

Их отличие проявляется во многих качествах, и общность элементов при производстве не дает материалу идентичные характеристики.

Градация стали и чугуна

Вернуться к оглавлению

Сталь

Для получения стали железо сплавляется с углеродом и разнообразными примесями. Обязательным условием является содержание углерода не более 2% (он увеличивает прочность), а железа — не меньше 45%. Оставшуюся часть составляют легирующие связывающие компоненты (хром, молибден, никель и т.д). Хром увеличивает прочность стали, ее твердость и сопротивляемость износу. Никель увеличивает прочность, вязкость и твердость, повышает ее антикоррозийные качества и прокаливаемость. Кремний добавляет прочности, твердости и упругости стали, снижает ее вязкость. Марганец улучшает свариваемость и прокаливаемость.Металлурги выделяют разные виды стали. Классифицируют их в зависимости от объема оставляющих элементов. Например, содержание более 11% легирующих металлов дает высоколегированную сталь. Существует также:

1. Низколегированная сталь — до 4%.
2. Среднелегированная сталь — до 11%.

По количеству углерода сталь классифицируется на:

• низкоуглеродистый металл — до 0,25% С;
• среднеуглеродистый металл — до 0,55% С;
• высокоуглеродистый металл — до 2% С.

Состав неметаллических элементов (фосфидов, сульфидов) классифицирует металл на:

• обычную;
• качественную;
• высококачественную;
• особо высококачественную сталь.

В итоге все виды стали представляют собой прочный, износостойкий и устойчивый к деформации сплав с температурой плавления от 1450 до 1520 °C.

Вернуться к оглавлению

Чугун

В производстве чугуна тоже сплавляется железо и углерод. Основным же отличием чугуна от стали является содержание последнего в смеси. Оно должно составлять больше 2%. Помимо этого, смесь содержит примеси: кремний, марганец, фосфор, серу и легирующие металлы. Чугун более хрупок, чем сталь, и разрушается без видимого деформирования. Углерод в металле представлен графитом или цементитом, при этом объем и форма элемента дают определение разновидностям сплава:

1. Белый чугун, в котором весь объем углерода представлен цементитом. На изломе этот материал имеет белый цвет, очень твердый, но при этом хрупкий. Легок в обработке и применяется для производства ковкой разновидности.
2. Серый — углерод представлен графитом, придающим материалу пластичность. Мягок, подвержен резанию, с низкой температурой плавления.
3. Ковкий, который получается из белого чугуна специальным отжигом (томлением) его в особых нагревательных печах при температуре 950-1000 °С. При этом чрезмерная хрупкость и твердость, характерные для белого чугуна, намного снижаются. Ковкий чугун не куется, а название указывает лишь на его пластичность.
4. Высокопрочный чугун, содержащий шаровидный графит, образованный в процессе кристаллизации.

Количеством углерода в сплаве определяется температура его плавления (чем больше содержание элемента, тем ниже температура и выше текучесть при нагреве). Поэтому чугун является жидкотекучим, непластичным, хрупким и трудно поддающимся обработке материалом с температурой плавления от 1150 до 1250 °C.

Вернуться к оглавлению

Устойчивость к коррозии

Оба сплава подвержены коррозии, и неправильная эксплуатация способствуют ускорению этого процесса.

Чугун в процессе использования покрывается сверху сухой ржавчиной. Это так называемая химическая коррозия. Влажная (электрохимическая) коррозия воздействует на чугун медленнее, чем на сталь. Первоначально напрашивается вывод, что антикоррозионные характеристики чугуна гораздо выше. На самом деле оба эти сплава подвержены коррозии в равной степени, просто в отношении чугунных изделий из-за толстых стен процесс занимает больше времени. Этим, например, можно объяснить разницу в сроке службы котлов: стальные — от 5 до 15 лет, чугунные — от 30 лет.

В 1913 году Гарри Бреарли совершил открытие в области металлургии. Он обнаружил, что сталь с высоким содержанием хрома имеет хорошее сопротивление к кислотной коррозии. Так появилась нержавеющая сталь. Она тоже имеет свою градацию:

1. Коррозионно-стойкая сталь имеет стойкость к коррозии в элементарных промышленных и бытовых условиях (нефтегазовая, легкая, машиностроительная промышленность, хирургические инструменты, бытовая нержавеющая посуда).
2. Жаростойкая сталь устойчива к высоким температурам и агрессивным средам (химическая промышленность).
3. Жаропрочная сталь отличается повышенной механической прочностью в условиях высоких температур.

Вернуться к оглавлению

Термический шок и ударопрочность

Чугун и сталь часто применяются при изготовлении отопительных котлов. При этом вопрос устойчивости к термическим ударам становится особенно важным. Если в неостывший чугунный котел попадет холодная вода, он может треснуть. Стальным изделиям термошок не страшен. Сталь более эластична и отлично переносит разницу температур. Но большие и частые температурные перепады у стали способствуют появлению «усталых» зон и, как следствие, трещин в местах, которые ослаблены сваркой.

Хорошая пластичность делает стальные изделия устойчивыми к механическим повреждениям. Хрупкость же чугуна неизбежно приводит к образованию трещин при ударах или перекосах.

Серый чугун имеет более однородную структуру, повышенные пластичность и антикоррозийные свойства, способен выдерживать большие температурные скачки.

1. Чугун менее прочен и тверд, нежели сталь.
2. Сталь тяжелее и имеет более высокую температуру плавления.
3. Более низкое содержание углерода в стали в отличие от чугуна позволяет более легко ее обрабатывать (варить, резать, ковать).
4. По аналогичной причине чугунные изделия производят только методом литья, стальные же могут быть кованными и сварными.
5. Изделия из стали менее пористые, чем из чугуна, а потому их теплопроводность значительно выше.
6. Изделия из чугуна имеют, как правило, черный цвет и матовую поверхность, а из стали — светлые с блестящей поверхностью.

Чугуном называется сплав железа с углеродом , содержащий углерода от 2,14 до 6,67%.

Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Сталью называется сплав железа с углеродом , содержащий углерода до 2,1%.

Как и чугун, сталь имеет примеси кремния, марганца, серы и фосфора.

Основное отличие стали от чугуна - это то, что сталь содержит меньшее количество углерода и примесей.

2. Какие печи используются для выплавки стали?

Чугун переделывается в сталь в различных по принципу действия металлургических агрегатах: мартеновских печах, кислородных конвертерах, электрических печах.

Марте́новская печь (марте́н) - плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества.

Мартеновская печь (рис. 3) по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.

3. Что такое сталь? Что такое чугун?

Чугун - дешевый машиностроительный материал, обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали.

Сталь- (от нем. Stahl) - сплав (твёрдый раствор) железа с углеродом (и другими элементами), характеризующийся эвтектоидным превращением.

4. Назовите основные механические свойства металлов.

Механические свойства могут изменяться во времени. Для многих материалов (монокристаллич., ориентированных и армированных пластиков, волокон) характерна резкая анизотропия механических свойств. Хотя механические свойства зависят от сил взаимодействия между частицами (ионами, атомами. молекулами), составляющими вещество, прямое их сопоставление со структурными характеристиками затруднено из-за дефектов кристаллич. структуры и неоднородностей, присущих реальным веществам. Так, теоретические значения предела прочности на растяжение, составляющие ~ 0,1 модуля Юнга вещества, в 2-3 раза превышают достигнутые значения для предельно ориентированных волокон и монокристаллов и в сотни раз-для реальных конструкционных материалов.

По механическим свойствам различают следующие основные типы материалов:

1) жесткие и хрупкие (чугуны, высокоориентированные волокна, камни и др.), для них характерны модули Юнга > 10 ГПа и низкие разрывные удлинения (до неск. %);

2) твердые и пластичные (мн. пластмассы. мягкие стали, некоторые цветные металлы), для них характерен модуль Юнга > 2 ГПа и большие разрывные удлинения;

3) эластомеры (резины) - низкомодульные вещества (равновесный модуль высокоэластичности порядка 0,1-2 МПа), способные к огромным обратимым деформациям (сотни %);

4) вязкопластичные среды , способные к неограниченным деформациям и сохраняющие приданную им форму после снятия нагрузки (глины, пластичные смазки, бетонные смеси);

5) жидкости , расплавы солей. металлов, полимеров и т.п., способные к необратимым деформациям (течению) и принимающие заданную форму. Возможны также разнообразные промежуточные случаи проявления механических свойств.

Вопрос: 28 марта 2009
Чем отличается чугун от стали, и почему?

Ответ:
Как ни странно, но, несмотря на обилие специальной литературы на эту тему, часто нам задают и такой вопрос: Чем чугун отличается от стали? Если коротко и в общих чертах, то можно сказать, что по составу чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода, по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами и малой способностью к пластической деформации. Чугун, как правило, дешевле стали.
А если более подробно, то – читайте классиков, уважаемые! Многие тома посвящены материаловедению и металлургии чёрных сплавов. В качестве примера привожу отрывок из фундаментальной работы Гуляева А.П. «Металловедение»:
«Сталь - это железоуглеродистый сплав, содержащий менее 2,14% углерода. Однако указанная граница (2,14% C) относится только к двойным железоуглеродистым сплавам или сплавам, содержащим сравнительно небольшое число примесей. Вопрос о границе между сталями и чугунами в высоколегированных железоуглеродистых сплавах, т.е. содержащих ещё большее количество других элементов, кроме железа и углерода, является спорным.
В свете современной техники известны и в последнее время получили распространение сплавы на основе железа, в которых углерода очень мало и он является даже вредным элементом; тем не менее такие сплавы также называют сталями. Во избежание терминологической путаницы принято считать сплавы, в которых железа более 50%, сталями (чугунами) и не именовать их сплавами, а именовать сплавы, содержащие железа менее 50%. Научно это не строго, но технически чётко».

Продукция черной металлургии широко используется во многих отраслях народного хозяйства, а черный металл всегда востребован в строительстве и машиностроении. Металлургия уже давно успешно развивается, благодаря своему высокому техническому потенциалу. Наиболее часто применяются в производстве и в быту чугунные и стальные изделия.

Чугун и сталь оба относятся к группе черных металлов, эти материалы представляют собой уникальные по своим свойствам сплавы железа с углеродом. В чем отличия стали и чугуна, их главные свойства и характеристики?

Сталь и ее основные характеристики

Сталь представляет собой деформированный сплав железа с углеродом , которого всегда максимум до 2%, а также другие элементы. Углерод является важным компонентом, поскольку придает прочности сплавам железа, а также твердость, за счет этого снижается мягкость и пластичность. В сплав часто добавляются легирующие элементы, что в итоге дает легированную и высоколегированную сталь, когда в составе не менее 45% железа и не более 2% углерода, остальные 53% составляют добавки.

Сталь является важнейшим материалом во многих отраслях, ее применяют в строительстве и по мере роста технико-экономического уровня страны, растут и масштабы производства стали. В давние времена мастера для получения литой стали применяли тигельную плавку и такой процесс был малопроизводительным и трудоемким, но сталь отличалась высокими качествами.

Со временем процессы получения стали менялись, на смену тигельному пришли бессемеровский и мартеновский метод получения стали, что дало возможность наладить массовое производство литой стали. Затем стали выплавлять сталь в электрических печах, после чего был внедрен кислородно-конверторный процесс, он позволил получать особо чистый металл. От количества и видов связующих компонентов сталь может быть:

• Низколегированной
• Среднелегированной
• Высоколегированной

В зависимости от содержания углерода она бывает:

• Низкоуглеродистой
• Среднеуглеродистой
• Высокоуглеродистой.

В состав металла часто входят неметаллические соединения - оксиды, фосфиды, сульфиды, их содержание отличается на качестве стали, существует определенная классификация качества.

Плотность стали составляет 7700-7900 кг/м 3 , а общие характеристики стали складываются из таких показателей, как - прочность, твердость, износостойкость и пригодность для обработки различного вида. По сравнению с чугуном сталь обладает большей пластичностью, прочностью и твердостью. Благодаря пластичности она легко поддается обработке, сталь отличается более высокой теплопроводностью, а ее качество повышается за счет закаливания.

Такие элементы, как никель, хром и молибден являются легирующими компонентами, каждый из них придает стали свои характеристики. Благодаря хрому сталь становится более прочной и твердой, повышается ее износостойкость. Никель также придает прочности, а также вязкости и твердости, повышает ее антикоррозийные свойства и прокаливаемость. Кремний снижает вязкость, а марганец улучшает качества свариваемости и прокаливания.

Все существующие виды стали имеют температуру плавления от 1450 до 1520 о С и представляют собой прочные износостойкие и стойкие к деформации сплавы металла.

Чугун и его основные характеристики

Основу производства чугуна также составляет железо и углерод, но в отличие от стали углерода в нем больше, а также других примесей в виде легирующих металлов. Он отличается хрупкостью и разрушается без видимой деформации. Углерод здесь выступает графитом или цементитом и за счет содержания других элементов чугун делится на следующие разновидности:

Температура плавления чугуна зависит от содержания в нем углерода, чем его больше в составе сплава, тем меньше температура, а также повышается его текучесть при нагреве. Это делает металл непластичными жидкотекучим, а также хрупким и трудно поддающимся обработке. Его температура плавления составляет от 1160 до 1250 о С .