| |||||
МЕНЮ
| Легированные сталиЛегированные сталиВВЕДЕНИЕ Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два каких-либо критерия, характеризующие свойства материала, им необходимо знать его конструктивную прочность. Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических
свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях
его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала
конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и
эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что
как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции,
прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях
работы данной конструкции. Среди главных конструкционных материалов наиболее высокое значение
модуля Е имеет сталь, наиболее низкое - магниевые сплавы и стеклопластики. Таблица 1.Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов При оценке по этим критериям, выбираемыми в соответствии с формой и напряженным состоянием, во многих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгодным - углеродистые и легированные стали. Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Эти характеристики зависят от структуры и термической обработки. Прочность конструкционных материалов, используемых в технике,
изменяется в очень широком диапазоне - от 100(150 до 2500(350О МПа. Однако
выбор материала только по абсолютному значению показателей прочности (т Из данных, приведенных в табл.2, видно, что, например, алюминиевые сплавы, имея значительно меньшую абсолютную прочность, чем углеродистые и многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это означает, что при равной прочности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем Таблица 2. Удельная прочность некоторых конструкционных материалов изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов - титановые сплавы. Оценивая реальную прочность конструкционного материала, следует учитывать характеристики пластичности (, (, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения. Это относится и к высокопрочным материалам, которые, обладая высокой прочностью, склонны к хрупкому разрушению Модуль упругости Е и (0,2 являются расчетными характеристиками, определяющими допустимую нагрузку. Надежность-свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность конструкции - это также ее способность работать вне расчетной ситуации, например, выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры (порог хладноломкости), условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины и т. д. Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций. Долговечность-свойство изделия сохранять работоспособность до
предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). 1. Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей Сплавы железа - сталь и чугун - основные металлические материалы, используемые в различных отраслях народного хозяйства. Наиболее широко применяют стали. Они должны иметь хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие изделия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, свариваться. В ряде случаев от них требуется высокая коррозионная стойкость или жаропрочность и т. д. Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их состав и вид обработки. Стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали - это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом. 1.1 Влияние углерода Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом
от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали
увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается
количество феррита, т. е. повышаются прочность и твердость и уменьшается
пластичность. Как видно из графика, приведенного на рис.1, прочность
повышается только до 1 % С, а при более высоком содержании углерода она
начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам
зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность Рис.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода стали. Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси, присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные примеси. 1.2.Влияние примесей Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их также называют технологическими: примесями. Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида
железа FeS в стали: FeS+Mn(MnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в
феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в
цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным
сырьем-чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %. Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость. Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки. Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот,
кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы
попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать,
либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды,
оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных
несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород
сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2- Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями. Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень
широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если
содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании
ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 %
стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и
в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для
углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура. Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано. Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению. 1.3.Классификация сталей По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т.д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д. По степени легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов,
стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 %
легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах. Рис 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть
спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в
марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании
углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие
заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. (т, Мпа - 210-250 300-320 (, % 31-34 23-26 12-15 Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств. Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Углеродистая сталь обыкновенного качества - дешевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей. Качественные стали. В качественных сталях максимальное содержание
вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора. В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное
содержание серы и фосфора (S(0,035 % и Р( 0,035 %). Поскольку при этом
стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества
стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, никель - Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных
марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых
долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %,
ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках. Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей. По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали,
содержащие 0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.). Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50-0,70 % С. Эти стали также применяют только после соответствующей термической обработки. Из стали с 0,7-1,5 % С изготавливают ударный и режущий инструмент. Углеродистые стали маркируют У7, У8..., У13, где буква У означает углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, т.е. сталь У10 содержит 1 % С. Эти стали иногда выплавляют высококачественными и тогда их маркируют 10А или УЗА и т.п. Химический состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435-74. У инструментальных легированных сталей содержание углерода также
обозначают в десятых долях процента, например, сталь 9ХС содержит 0,9 % С; Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и
жаростойкие стали и сплавы: с особыми магнитными свойствами и т. д. Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода. Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает
температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в
легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается
склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей–флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении). На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 (С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250–200 (С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали. Цементуемые стали Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем цементации. Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др. Изделия небольшого сечения и несложной. формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1(0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость. Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих
при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых
входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного
слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует
росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно
влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля
эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся
хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006–0,12 %): Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей. С целью повышения прочности для цементуемых сталей применяют стали,
легированные бором (0,002–0,005 %): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях
экономии никеля применяют вместо стали 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать,
что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемых сталей, подвергают цементации на небольшую глубину. 3. Улучшаемые стали Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу. При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность. Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является
хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал. Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин
вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко
применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для
увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль,
легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных
легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и
прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет (в=1650 Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д. Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения. Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от
заданной прочности и размера сечения детали: 4. Высокопрочные стали С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой
прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В
обычных конструкционных сталях предел прочности (в как правило, получают не
более 1100–1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически
становится хрупкой. Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием специальной термической обработкой. Их достоинства–высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации. Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода ((0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей; Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800–860 (С, охлаждении на воздухе и затем отпуске–старении. Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились
так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ, Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью.
5. Пружинно-рессорные стали Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д.–сохранение в течение длительного времени упругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости ((уп), высокое сопротивление разрушению (Sk) и усталости при пониженной пластичности. Термически упрочняемые пружинно-рессорные стали обычно содержат Режим термической обработки назначают в зависимости от состава стали и условий работы пружин. Наиболее высокая упругая прочность достигается в результате среднего отпуска на тростит. При этом отношение (уп/(в становится близким к единице (рис. 4). Для повышения выносливости пружин и рессор широко применяют дробеструйную обработку. 6. Шарикоподшипниковые стали Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе работы испытывают высокие удельные переменные нагрузки. Поэтому стали, используемые для их изготовления, должны иметь высокую прочность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты являются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание неметаллических включений, что резко снижает долговечность подшипника. Для изготовления шариковых и роликовых подшипников применяют высокоуглеродистую сталь, легированную хромом (табл. 4). Таблица 4. Химический состав, %, шарикоподшипниковой стали Маркировку ШХ следует расшифровывать как шарикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента. Шарики и ролики небольших диаметров изготавливают из стали ШХ9. Из стали ШХ15–шарики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15–30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диаметром более 30 мм и кольца с толщиной стенки: более 15 мм–из стали ШХ15СГ. Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников, работающих при больших ударных нагрузках (например, подшипников прокатных станов), применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементованный слой глубиной 5–10 мм. 7.Износостойкие стали Износ деталей машин и аппаратов является сложным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой. Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до 1,75 %) и до 1,6 % Si. Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжига (напоминающего отжиг для получения ковкого чугуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых включений графита. При неабразивном износе графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Кроме того, эти стали обладают антивибрационными свойствами. Графитизированную сталь применяют для изготовления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, лопастей, дробеструйных аппаратов и т.д. Высокомарганцовистые стали содержат около 1 % С и 12–13 % Мn,
обозначают их так: сталь Г13Л (1,2 % С; 13 % Мn; (0,5 % Si) и сталь Г13Л Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки и износ одновременно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режущим инструментом, изделия из нее изготавливаются главным образом литьем. Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и др. 8. Строительные стали Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то
основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. В качестве строительных сталей используют главным образом
углеродистые стали обыкновенного качества марок Ст3, Ст4, имеющие Прочность строительных сталей повышается в результате легирования. Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических
свойств, имеют еще одно преимущество–пониженную критическую температуру
перехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до –40 (С, а стали 9. Автоматные стали Таблица 5. Химический состав, %, автоматных сталей |
ИНТЕРЕСНОЕ | |||
|