Легированные стали (стр. 1 из 2)

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Классификацияи маркировкауглеродистых и легированныхсталей
1. Влияниеуглерода
2. Влияниепримесей
3. Классификациясталей
4. Дефектылегированныхсталей
Цементуемыестали
Улучшаемыестали
Высокопрочныестали
Пружинно-рессорныестали
Шарикоподшипниковыестали
Износостойкиестали
Строительныестали
Автоматныестали

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Конструкторыпри выборематериала длякакой-либоконструкцииили изделияне могут учитыватьтолько одинили два каких-либокритерия,характеризующиесвойства материала,им необходимознать егоконструктивнуюпрочность.

Конструктивнаяпрочность - этоопределенныйкомплекс механическихсвойств, обеспечивающийдлительнуюи надежную работу материалав условиях егоэксплуатации.Конструктивнаяпрочность - этопрочностьматериала конструкциис учетом конструкционных,металлургических,технологическихи эксплуатационныхфакторов, т. е.это комплексноепонятие. Считается,что как минимумнужно учитыватьчетыре критерия:жесткостьконструкции,прочностьматериала, надежностьи долговечностьматериала в условиях работыданной конструкции.

Жесткостьконструкции.Для многихсиловых элементов конструкций- шпангоутов,стрингеров,плоских пластинок,цилиндрическихоболочек и т,п. - условием,определяющимих работоспособность,является местнаяили общая жесткость(устойчивость),определяемаяих конструктивнойформой, схемойнапряженногосостояния ит. д., а также исвойствамиматериала. Показателемжесткостиматериала является модульпродольной упругости Е(модуль жесткости)- структурнонечувствительнаяхарактеристика,зависящаятолько от природыматериала.

Средиглавных конструкционныхматериаловнаиболее высокоезначение модуляЕ имеет сталь,наиболее низкое- магниевыесплавы и стеклопластики.Однако оценкаэтих материалов существенноизменяетсяпри учете ихплотности ииспользованиикритериевудельной жесткостии устойчивости: Е/,(E/)^1/2,(E/)^1/3 (табл.1).

аблица1.Удельная жесткость(устойчивость)конструкционныхматериалов

Приоценке по этимкритериям,выбираемымив соответствии с формой инапряженнымсостоянием,во многих случаяхнаиболее выгоднымматериаломявляются магниевыесплавы и стеклопластики,наименее выгодным- углеродистыеи легированныестали.

Прочность- способностьтела сопротивлятьсядеформациями разрушению.Большинствотехническиххарактеристикпрочности (_в,_0,2)определяют в результатестатическогоиспытания нарастяжение.

Этихарактеристикизависят отструктуры итермическойобработки.

Прочностьконструкционныхматериалов,используемыхв технике, изменяетсяв очень широкомдиапазоне - от100150до 2500350ОМПа. Однаковыбор материалатолько по абсолютномузначению показателейпрочности _т(_0,2),_ви др. не дает правильнойоценки возможностейматериала. Длясоздания конструкции(машины) с минимальноймассой большоезначение имеет плотностьматериалов.С учетом этогоболее правильнооценивать значение егоудельной прочностиотношениемхарактеристикпрочности _т,_ви др. к плотностиматериала(например, _в/,_т/,где - плотностьматериала,г/см3).

Изданных, приведенныхв табл.2, видно,что, например, алюминиевыесплавы, имеязначительноменьшую абсолютную прочность, чемуглеродистыеи многие легированныестали, превосходятих по удельнойпрочности. Этоозначает, чтопри равнойпрочности массаизделия изалюминиевыхсплавов меньше,чем

Таблица2. Удельная прочностьнекоторыхконструкционныхматериалов

изделияиз стали. Наиболеевысокую удельнуюпрочность имеют стеклопластикитипа СВАМ, а изметаллическихконструкционныхматериалов- титановыесплавы.

Оцениваяреальную прочностьконструкционногоматериала, следует учитыватьхарактеристикипластичности,,а также вязкостьматериала, таккак именно этипоказателив основномопределяютвозможностьхрупкого разрушения.Это относитсяи к высокопрочнымматериалам,которые, обладаявысокой прочностью, склонны к хрупкомуразрушению

Модульупругости Еи _0,2 являются расчетнымихарактеристиками,определяющимидопустимуюнагрузку.

Надежность-свойствоизделия выполнятьзаданные функции,сохраняя свои эксплуатационныепоказателив заданныхпределах втечение требуемогопромежуткавремени илитребуемой наработки.Надежностьконструкции- это также ееспособность работать внерасчетнойситуации, например,выдерживатьударные нагрузки.Главным показателемнадежностиявляется запас вязкости материала,который зависитот состава,температуры (порог хладноломкости),условий нагружения,работы, поглощаемойпри распространениитрещины и т. д.

Сопротивлениематериалахрупкому разрушениюявляется важнейшейхарактеристикой,определяющейнадежностьработы конструкций.

Долговечность-свойствоизделия сохранятьработоспособностьдо предельногосостояния(невозможностиего дальнейшейэксплуатации).Долговечностьконструкции зависит отусловий ееработы. Преждевсего этосопротивление износу притрении и контактнаяпрочность(сопротивлениематериалаповерхностномуизносу, возникающемупри трениикачения соскольжением).Кроме того,долговечностьизделия зависитот пределавыносливости,зависящегов свою очередьот состоянияповерхности и коррозионнойстойкостью материала.

Классификацияи маркировкауглеродистых и легированныхсталей

Сплавыжелеза - стальи чугун - основныеметаллическиематериалы,используемыев различныхотраслях народногохозяйства.Наиболее широкоприменяютстали. Они должныиметь хорошиетехнологическиесвойства: легкообрабатываться давлением(многие изделияполучают прокаткой,ковкой илиштамповкой),а также хорошообрабатываютсяна металлорежущихстанках, свариваться.В ряде случаевот них требуетсявысокая коррозионнаястойкость илижаропрочностьи т. д.

Достоинствомсталей являетсявозможностьполучать нужный комплекс свойств,изменяя ихсостав и видобработки.

Сталиподразделяютна углеродистыеи легированные.

Углеродистыестали - это основнойконструкционныйматериал, которыйиспользуютв различныхобластяхпромышленности.Они проще впроизводстве и значительно дешевле легированных.Свойства ихопределяютсяколичеством углерода и содержаниемприсутствующихв них примесей,которые взаимодействуюти с железом, ис углеродом.

1.1Влияние углерода

Механические свойства углеродистойстали зависят главным образомот содержанияуглерода. С ростом содержания углерода встали увеличиваетсяколичество цементита исоответственно уменьшаетсяколичествоферрита, т. е.повышаютсяпрочность итвердость иуменьшаетсяпластичность.Как видно изграфика, приведенногона рис.1, прочностьповышаетсятолько до 1 % С, а при болеевысоком содержанииуглерода онаначинает уменьшаться.Происходитэто потому, чтообразующаясяпо границам зерен в заэвтектоидныхсталях сеткавторичногоцементитаснижает прочность

Рис.1.Зависимостьсвойств горячекатанойуглеродистойстали от содержанияуглерода

стали.Кроме углерода,в стали естьеще другиеэлементы - примеси, присутствиекоторых обусловленоразными причинами.Различаютпостоянные,скрытые, случайныеи специальновведенные примеси.

1.2.Влияниепримесей

Постоянныепримеси - этокремний, марганец,фосфор и сера.

Марганеци кремний вводятв процессевыплавки всталь для еераскисления,т.е. для удаленияFеО, поэтому их также называюттехнологическими:примесями.

Крометого, марганецспособствуетуменьшениюсодержания сульфида железаFeS в стали: FeS+MnMnS+Fe.Марганец икремний растворяютсяв феррите, повышаяего прочность;марганец можеттакже растворятьсяв цементите.Углеродистые стали обычносодержат до0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % Si.

Сера- вредная примесь- попадает всталь главнымобразом с исходнымсырьем-чугуном.Сера нерастворима в железе, онаобразует с нимсоединениеFeS-сульфид железа.При взаимодействиис железом образуетсяэвтектика(Fе+FеS) с температуройплавления 988С.Поэтому принагреве стальных заготовок дляпластическойдеформациивыше 900 Ссталь становитсяхрупкой. Пригорячей пластическойдеформациизаготовкиразрушаются.Это явлениеназываетсякрасноломкость.Одним из способовуменьшениявлияния серыявляется введениемарганца. СоединениеMnS плавится при1620 С,эти включенияпластичны ине вызываюткрасноломкости.

Содержаниесеры в сталяхдопускаетсяне более 0,06 %.

Фосфорпопадает всталь главнымобразом такжес исходнымчугуном, использованнымдля выплавкистали. До 1,2 % фосфорарастворяетсяв феррите, уменьшаяего пластичность.Фосфор обладаетбольшой склонностьюк ликвации,поэтому дажепри незначительномсреднем количествефосфора в отливкевсегда могутобразовыватьсяучастки, богатыефосфором.Располагаясьвблизи границзерен, фосфорповышает температуруперехода вхрупкое состояние,т. е. вызываетхладноломкость.Поэтому фосфор,как и сера, являетсявредной примесью,содержаниеего в углеродистойстали допускаетсядо 0,05 %.Чем большеуглерода встали, тем сильнеевлияние фосфорана ее хрупкость.

Содержаниесеры и фосфорав стали зависитот способа еевыплавки.

Скрытыепримеси. Такназываютприсутствующиев стали газы- азот, кислород,водород - ввидусложностиопределенияих количества.Газы попадаютв сталь при еевыплавке. Втвердой сталиони могутприсутствовать,либо растворяясьв феррите, либообразуя химическиесоединения(нитриды, оксиды).Газы могутнаходитьсяи в свободномсостоянии вразличныхнесплошностях.Даже в оченьмалых количествахазот, кислороди водород сильноухудшают пластическиесвойства стали.Содержаниеих допускается10^-2-10^-4%. В результатевакуумированиястали их содержаниеуменьшается,свойства улучшаются.Случайнойпримесью можетбыть любойэлемент (медь,алюминий, вольфрам,никель), которыйпопал в шихтувместе с металлоломомили чугуномпри выплавкестали. Содержаниеэтих элементовниже тех пределов,когда их вводятспециальнокак легирующиедобавки.

Специальныепримеси. Этоэлементы, специальновводимые всталь для получениякаких-либозаданных свойств.Такие элементыназывают легирующими,а стали, ихсодержащие- легированнымисталями.

Содержаниелегирующихэлементов всталях можетизменяться в очень широкихпределах. Стальсчитают легированнойхромом илиникелем, еслисодержаниеэтих элементовсоставляет1 % или более. Присодержанииванадия, молибдена,титана, ниобия и других элементовболее 0,1-0,5 % сталисчитают легированнымиэтими элементами.Сталь являетсялегированнойи в том случае, если в нейсодержатсятолько элементы,характерныедля углеродистойстали, марганецили кремний,а их количестводолжно превышать1 %.

Вконструкционныхсталях легированиеосуществляютс целью улучшениямеханическихсвойств - прочности,пластичностии т.д. Кроме того,при введениив сталь легирующихэлементовменяются физические,химическиеи другие еесвойства. Нужныйкомплекс свойствдостигаетсяне тольколегированием,но и рациональнойтермическойобработкой,в результатекоторой получаетсянеобходимаяструктура.

Какправило, легирующиеэлементы существенноповышают стоимостьстали, а некоторыеиз них к томуже являютсядефицитнымиметаллами,поэтому добавлениеих в сталь должнобыть строгообосновано.

Существуетнесколькоклассификаций,позволяющихсистематизироватьстали, что упрощаетпоиск сталинужной маркис учетом еесвойств.

Сталиклассифицируютпо химическомусоставу, способувыплавки, поструктуре вотожженномили нормализованномсостоянии, покачеству и поназначению.

1.3.Классификациясталей

Похимическомусоставу преждевсего все сталиможно разделитьна две большиегруппы: углеродистыеи легированные.В свою очередьлегированныестали в зависимостиот числа легирующихэлементовразличают как трехкомпонентные(содержат кромежелеза и углеродаодин какой-либолегирующийэлемент),четырехкомпонентныеи т.д. Более распространеннойявляетсяклассификацияс указаниемлегирующихэлементов:стали хромистые,хромоникелевые,хромоникельмолибденовыеи т.д.

Постепени легирования,т.е. по содержаниюлегирующихэлементов,стали условноподразделяютна низколегированные(содержат вобщем 2,5-5 % легирующихэлементов),среднелегированные(до 10 %) и высоколегированные(более 10 %).

оспособу выплавки.Углеродистыестали выплавляютглавным образоммартеновскими кислородно-конвертернымспособами.Наиболее качественнуюуглеродистуюсталь выплавляютв электрическихдуговых печах.

Рис 2.Диаграммыизотермическогораспада аустенитатрех классовстали

Взависимостиот степенираскисленияпри выплавкестали могутбыть спокойными(сп), полуспокойными(пс) или кипящими(кп), что и указываютв марке. Спокойные,полуспокойныеи кипящие сталипри одинаковомсодержанииуглерода имеютпрактическиодинаковуюпрочность.Главное ихразличие заключаетсяв пластичности,которая обусловленасодержаниемкремния. Содержаниекремния в спокойнойстали 0,15-0,35 %, вполуспокойной0,05-0,15 %, в кипящей

Врезультатеуменьшениясодержаниякремния в ферритекипящих сталейони становятсямягкими, поэтомукипящая стальхорошо штампуетсяв холодномсостоянии(например, дляизготовлениядеталей глубокойвытяжкой). Ноиз-за большогосодержаниягазов, особенноазота, кипящиестали склоннык деформационномустарению. Крометого, большоесодержаниекислорода вэтой сталиповышает порогхладноломкости,кипящие стали становятсяхрупкими ужепри -10 С,в то время какспокойные стали, содержащиеодинаковоеколичествоуглерода, могутработать до-40 С.Они более склоннык зональнойликвации. Этонаиболее дешевыестали, но качествометалла низкое,поэтому ихиспользуютдля изготовлениянеответственныхдеталей.

Поструктуре вотожженномсостоянии сталиделят на доэвтектоидные,эвтектоидныеи заэвтектоидные.Легированныестали, крометого, могутбыть ферритного,аустенитногои ледебуритногоклассов. К ферритномуклассу относятсястали, в которыхпри малом содержанииуглерода имеетсябольшое количествоферритообразующихлегирующихэлементов,например, хрома.К ледебуритномуклассу относятсястали с большимсодержаниемуглерода икарбидообразующихэлементов, врезультатечего в их структуре имеются первичныекарбиды - легированныйледебурит.

Поструктуре послеохлажденияна воздухелегированныестали разделяютна три основныхкласса: перлитный,мартенситныйи аустенитный(рис.2) (структуруво всех случаяхопределяютпо образцамнебольшогосечения, диаметромдо 25 мм). Ранеебыло отмечено,что легирующиеэлементы увеличиваютустойчивостьаустенита вперлитнойобласти и понижаюттемпературумартенситногопревращения.Поэтому приодинаковойскорости охлаждениядо комнатныхтемпературпри разномсодержаниилегирующихэлементов иуглерода получаютсяразличныеструктуры.

Воснове классификациистали по качествулежит содержание вредных примесей- серы и фосфора.Различаютуглеродистуюсталь обыкновенногокачества, сталькачественнуюконструкционнуюи сталь высококачественную.

Углеродистыестали общегоназначения(ГОСТ 380-71) содержатповышенноеколичествоS (до 0,05 %) и Р (до 0,04 %, Ст0до 0,07 % Р). Эти сталивыплавляютпреимущественнов большихмартеновскихпечах скрап-руднымпроцессом илив кислородныхконвертерах.Обозначениемарок стали- буквенно-цифровое:буквы Ст означают"сталь" цифрыот 0 до 6-условныйномер марки,например, Ст0,Ст2...Ст6. Степеньраскисленностистали обозначаютбуквами кп, пси сп. Кипящимивыплавляютстали марокСт0-Ст4, полуспокойнымии спокойнымиможно выплавлятьвсе стали отСт1 до Ст6.

Стальподразделяютна три группы:А, Б и В в маркахуказываюттолько группыБ и В, напримерСт2кп (сталь 2,группы А, кипящая);БСт3кп (сталь3, группы Б, кипящая);ВСт3пс (сталь3, группы В,полуспокойная);ВСт4сп (сталь4, группы В, спокойная)и т.п.

Химическийсостав сталигруппы А нерегламентируется,его толькоуказывают всертификатахметаллургическогозавода изготовителя.Стали этойгруппы обычнозаказчикииспользуютв состояниипоставки, поэтомуих поставляютпо механическимсвойствам _в,_т,и .С увеличениемномера сталипрочностьрастет, а пластичностьуменьшается:

Сталь Ст1пс Ст3пс иСт3спСт6сп

_в,Мпа 320-420 380-490 >600

_т,Мпа - 210-250 300-320

,% 31-34 23-26 12-15

Сталигруппы Б поставляютпо химическомусоставу, таккак эти сталив дальнейшемобычно подвергаютразличнойобработке (ковке, сварке,термическойобработке) сцелью получениянужного заказчикукомплексамеханическихсвойств.

Сталигруппы В поставляютпо химическомусоставу имеханическимсвойствам - понормам длясталей группА и Б.

Углеродистаясталь обыкновенногокачества - дешеваяи во многихслучаях удовлетворяеттребованиямпо механическимсвойствам,предъявляемымк металлу. Еевыплавка составляетоколо 80 % всегопроизводствауглеродистыхсталей.

Качественныестали. В качественныхсталях максимальноесодержаниевредных примесейсоставляетне более 0,04 % серыи 0,04 % фосфора.Качественнаясталь менеезагрязненанеметаллическимивключениямии имеет меньшеесодержаниерастворенныхгазов. В случаепримерно одинаковогосодержанияуглерода качественныестали имеютболее высокуюпластичностьи вязкость посравнению состалями обыкновенногокачества особеннопри низкихтемпературах.Качественныеуглеродистыестали поставляютпо химическомусоставу и помеханическимсвойствам.Марки сталейобозначаютцифрами, указывающимисреднее содержаниеуглерода всотых доляхпроцента (пределыпо углероду0,07-0,08 % для одноймарки), степеньраскисленности- буквами пс,кп (спокойные,качественныестали маркируютбез индекса).Например, сталь10кп (0,10 % С, кипящая),сталь 30пс (0,30 % С,полуспокойная),сталь 45 (0,45 % С, спокойная)и т.д. Качественныеуглеродистыестали поставляютсязаказчику вразличномсостоянии: безтермическойобработки,после нормализации,различнойстепени пластическойдеформациии т.д.

Ввысококачественныхсталях стремятсяполучить минимальновозможноесодержаниесеры и фосфора(S0,035% и Р0,035 %). Посколькупри этом стоимостьстали существенновозрастает,конструкционныеуглеродистыестали редковыплавляютвысококачественными.Для обозначениявысокого качествастали в концеобозначениямарки сталиставят буквуА, например,сталь У10А. Легированныестали выплавляюттолько качественными,а чаще - высококачественными.Для обозначениямарок легированныхсталей в нашейстране принятабуквенно-цифроваясистема.

Легирующиеэлементы обозначаютследующимибуквами: хром- Х, никель - Н,молибден - М,вольфрам - В,кобальт - К, титан- Т, азот - А, марганец- Г, медь - Д, ванадий- Ф, кремний - С,фосфор - П, алюминий- Ю, бор - Р, ниобий- Б, цирконий -Ц.

Маркастали обозначаетсясочетаниембукв и цифр.Для конструкционныхмарок сталипервые двецифры показываютсреднее содержаниеуглерода всотых доляхпроцента. Содержаниелегирующихэлементов, еслионо превышает1 %, ставят послесоответствующейбуквы в целыхединицах. Например,сталь марки18ХГТ содержитоколо 0,18 % С; 1 % Сг;1 % Мn и около 0,1 % Тi;марки 12ХН3 -0,12 % С;1 % Сг и 3 % Мn.

Нестандартныестали обозначаютразличнымобразом. Наиболеечасто встречаетсяобозначениебуквами ЭИ иЭП и номером.Такая маркировкапоказывает,что сталь выплавленана заводе"Электросталь"(буква Э), стальисследовательская(буква И) илипробная (букваП). Состав такихсталей приведенв справочниках.

Особовысококачественнымивыплавляюттолько легированныестали и сплавы.Они содержатне более 0,015 % серыи 0,025 % фосфора. Кним предъявляютповышенныетребованияи по содержаниюдругих примесей.

Поназначениюстали подразделяютна три основныегруппы: конструкционные,инструментальныеи с особымисвойствами.В основу классификациипервых двухгрупп положеносодержаниеуглерода. Стали,содержащиедо 0,25 % С, используюткак котельные,строительныеи для деталеймашин, подвергаемыхцементации.Низкое содержаниеуглерода вкотельных истроительныхсталях обусловленотем, что деталикотлов и строительных конструкцийсоединяютсваркой, а углеродухудшаетсвариваемость.

Длядеталей машин,испытывающихударные нагрузки,применяютстали, содержащие0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь40, сталь 45, сталь40ХН и т.д.). Эти стали подвергаюттермическойобработке-закалкес последующимвысокотемпературнымотпуском (улучшению).

Дляпружин и рессориспользуютстали, содержащие0,50-0,70 % С. Эти сталитакже применяюттолько послесоответствующейтермическойобработки.

Изстали с 0,7-1,5 % Сизготавливаютударный и режущийинструмент.

Углеродистыестали маркируютУ7, У8..., У13, где букваУ означаетуглеродистуюсталь, числопоказываетсодержаниеуглерода вдесятых доляхпроцента, т.е.сталь У10 содержит1 % С. Эти сталииногда выплавляютвысококачественнымии тогда их маркируют10А или УЗА и т.п.Химическийсостав и механическиесвойства углеродистыхинструментальныхсталей приведеныв ГОСТ 1435-74.

Уинструментальныхлегированныхсталей содержаниеуглерода такжеобозначаютв десятых доляхпроцента, например,сталь 9ХС содержит0,9 % С; 1 % Сг и 1,4 % Si. Еслиуглерода больше1 %, то цифры неуказывают,например, сталиХВГ, ХГ и т.д.

Сталии сплавы с особымисвойствами.

Кним относяткоррозионностойкиеи кислотоупорные;жаропрочныеи жаростойкиестали и сплавы:с особыми магнитнымисвойствамии т. д.

1.4.Дефектылегированныхсталей

Кромедефектов, характерныхдля углеродистыхсталей, в легированныхсталях проявляютсяи специфическиедефекты: дендритнаяликвация, флокеныи отпускнаяхрупкость IIрода.

Дендритнаяликвация.Наличие легирующихэлементовувеличиваеттемпературныйинтервалкристаллизации.Кроме того,диффузионныепроцессы влегированныхсталях протекаютмедленно. Врезультатеувеличиваетсясклонностьтаких сталейк дендритнойликвации иполосчатостив структуре.Устраняетсядендритнаяликвация диффузионнымотжигом.

Флокены.Как уже отмечалось,газы оказываютразличноевлияние газовна свойствасталей, указывалосьна их нежелательноеприсутствие,так как свойствасталей ухудшаются,например, возникаетодин из дефектовлегированныхсталей–флокены(трещины, которыеможно выявитьпри макротравлении).На изломахфлокены имеютвид блестящихкруглых илиовальных пятен,являющихсяповерхностьютрещин. Установлено,что флокеныобразуютсяпри быстромохлажденииметалла от 200Спосле ковкиили прокаткивследствиеприсутствияв металле водорода,растворившегосяв жидком металлепри плавке.Выделяясь вдеформированнойстали из твердогораствора, онвызывает сильныевнутренниенапряжения,приводящиек образованиюфлокенов. Флокенычаще образуютсяв конструкционныхсталях, содержащиххром и никель.Для предупрежденияих образованияпосле горячейпластическойдеформацииметалл в области250–200 Сохлаждаютмедленно илиподвергаютвыдержке приэтих температурах.Это дает возможностьводороду удалитьсяиз стали.

Цементуемыестали

Некоторыедетали работаютв условияхповерхностногоизноса, испытываяпри этом идинамическиенагрузки. Такиедетали изготавливаютиз низкоуглеродистыхсталей, содержащих0,10–0,30 % С, подвергаяих затем цементации.

Дляизделий небольшихразмеров, деталейнеответственного назначенияприменяют стали10, 15, 20, для деталейболее сложнойформы, деталейсильно нагруженных,крупных применяютнизколегированныестали с небольшимсодержаниемуглерода. Вкачестве легирующихэлементов вцементуемыестали добавляютхром, никельи др.

Изделиянебольшогосечения и несложной.формы, работающиепри повышенныхудельных нагрузках(втулки, валики,оси, кулачковыемуфты, поршневыепальцы и т.д.),делают из хромистыхсталей 15Х, 20Х,содержащихоколо 1 % Сг. Присодержаниихрома до 1,5 % вцементованномслое повышаетсяконцентрацияуглерода, образуетсялегированныйцементит (Fе,Сг)₃С,увеличиваетсяглубина эвтектоидногослоя, а послетермической обработкиувеличиваетсяи глубина закаленногослоя. Дополнительноелегированиеэтих сталейванадием (0,10,2%)–сталь 15ХФ–способствуетполучению болеемелкого зерна,что улучшаетпластичностьи вязкость.

Дляизготовленияцементуемыхдеталей среднихразмеров,испытывающихпри работевысокие удельныенагрузки,используютстали, в составкоторых входитникель (20ХН,12ХНЗА). Несколькоуменьшая глубинуцементованногослоя, Niв то же времяувеличиваетглубину закаленногослоя, препятствуетросту зернаи образованиюгрубой цементитнойсетки. Никельположительновлияет и насвойства сталив сердцевинеизделия. Из-задефицитностиникеля этистали заменяютдругими легированнымисталями. К нимотносятсяхромомарганцевыестали с небольшимколичествомтитана (0,006–0,12 %):18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемыестали титанвводят толькодля измельчениязерна. При большемего содержаниион уменьшаетглубину цементованногозакаленногослоя и прокаливаемость.

Наиболеевысоколегированныецементуемыестали (12Х2Н4, 18Х2Н4Ви др.) используютдля изготовлениядеталей больших сечений. Этистали являютсянаиболеевысокопрочнымииз всех цементуемыхсталей.

С цельюповышенияпрочности дляцементуемыхсталей применяютстали, легированныебором (0,002–0,005 %): 15ХР,20ХГР и др. Сталь20ХГНР в целяхэкономии никеляприменяют вместо стали12ХНЗА. При ХТОследует учитывать,что бор, увеличиваяпрокаливаемость,способствуетросту зернапри нагреве.Для уменьшениячувствительностисталей к перегревуих дополнительнолегируют Тiили Zr.

Обычноизделия, изготовленныеиз высоколегированныхцементуемыхсталей, подвергаютцементациина небольшуюглубину.

3.Улучшаемыестали

Улучшаемымисталями называютсреднеуглеродистыеконструкционныестали (0,3–05%С),подвергаемыезакалке ипоследующемувысокотемпературномуотпуску. Послетакойтермическойобработки сталиприобретаютструктурусорбита, хорошовоспринимающуюударные нагрузки.Углеродистыеулучшаемыестали (стали35, 40, 45 и 50) обладаютнебольшойпрокаливаемостью(до 10 мм), поэтомумеханическиесвойства сувеличениемсечения изделияпонижаются.Для мелкихдеталей послетермическойобработкиполучают _в=600700МПа и КСU=0,4–0,5МДж/м².Если от деталейтребуется более высокаяповерхностнаятвердость(шпиндели, валы,оси и т.д.), топосле закалкиих подвергаютотпуску натвердость НRС40–50. Для получениявысокой поверхностнойтвердостииспользуютзакалку ТВЧ(шестерни, коленчатыевалы, поршневыепальцы и т.д.).

Дляполучениявысоких механическихсвойств в деталяхсечением более25–30 мм применяютлегированныестали, которые обладают большейпрокаливаемостью,более мелкимзерном, ихкритическаяскорость закалкименьше, следовательно,меньше закалочныенапряжения,выше устойчивостьпротив отпуска.Отсюда их основноепреимуществоперед углеродистымиконструкционнымисталями–лучшийкомплекс механическихсвойств: вышепрочность присохранениидостаточнойвязкости ипластичности,ниже порогхладноломкости.

Большинстволегированныхконструкционныхсталей относитсяк перлитномуклассу.

Присоздании легированныхсталей всегдаучитываютстоимостьлегирующегоэлемента и егодефицитность.

Основнымлегирующимэлементом вконструкционныхсталях являетсяхром, содержаниекоторого обычносоставляет0,8–1,1 %; марганцав сталях до 1,5%; кремния 0,9–1,2 %;молибдена0,15–0,45 %; никеля 1–4,5%. Общая суммалегирующихэлементов непревышает 3–5%.

Всеперечисленныеэлементы, кроменикеля, увеличиваяпрочностьстали, понижаютее пластичностьи вязкость.Никель являетсяисключением–оноказываетособенноположительноевлияние насвойства стали,увеличиваяее прочность,не понижаяпластичностьи вязкость.Кроме того,никель понижаетпорог хладноломкости.Поэтому стали,содержащиеникель, особенно ценны какконструкционныйматериал.

Кроменазванныхэлементов, вконструкционныестали для деталеймашин вводятоколо 0,1 % V,Тi,Nb,Zrдля измельчениязерна. Введение0,002–0,003 % В увеличиваетпрокаливаемость.

Улучшаемыестали можноусловно разделитьна несколько групп. Широкоприменяютстали, легированныехромом, особенностали марок40Х, 45Х. Для увеличенияпрокаливаемостив них иногдадобавляют бор(сталь 40ХР). Увеличениепрокаливаемости(в сечении до40 мм) достигаетсяи добавлениемв хромистыестали около1 % Мn:30ХГ, 40ХГ, 40ХГР идр. Для уменьшениясклонностихромистыхсталей к отпускнойхрупкости IIрода вводят0,15–0,25 % Мо.

Хромомарганцевыестали 20ХГС, 25ХГС,30ХГС, называемыехромансиль,легированыхромом, кремниеми марганцем,т.е.не содержатдефицитныхлегирующихэлементов. Этистали обладаютхорошей свариваемостьюи прочностью,например, сталь30ХГС послетермическойобработки имеет_в=1650МПа при КСU=0,4МДж/м².Недостатокэтих сталейсклонностьк отпускнойхрупкости IIрода и к обезуглероживаниюповерхностипри нагреве.

Чембольше размердетали, сложнееее конфигурация,выше напряжения,возникающиев ней в процессеработы, тем сбольшим количествомникеля применяютсталь для ееизготовления:40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФи т.д.

олибдени волъфрамвводятв состав сталейтакже для уменьшениисклонностик отпускнойхрупкости. Нарис.3приведенадиаграмма,позволяющаявыбрать нужнуюмарку стали,в зависимостиот заданныхпрочности и размеров сечения.

Рис.3.Диаграмма длявыбора марокконструкционнойстали в зависимостиот заданнойпрочности иразмера сечениядетали:

1 - 30ХН3М;2 - 30ХН3; 3 - 34ХМА; 4 - 33ХСА;

5 - 30Н3; 6 - 35ХА;7 - 35СГ; 8 - сталь 30

4.Высокопрочныестали

С каждымгодом растетпотребностьв материалах,обладающихвысокой прочностьюи вместе с этимнеобходимымипластичностьюи вязкостью.В обычныхконструкционныхсталях пределпрочности _вкак правило,получают неболее 1100–1200 МПа,так как прибольшей прочностисталь практическистановитсяхрупкой.

Стали,в которых подборомхимическогосостава и оптимальнойтермической обработкиполучают _в=18002000МПа, называютвысокопрочными.

Высокопрочноесостояние можетбыть полученонесколькимиспособами. Одиниз такихспособов–легированиесреднеуглеродистыхсталей (0,4–0,5 % С)хромом, вольфрамом,молибденом,кремнием иванадием. Этиэлементы затрудняютразупрочняющиепроцессы принагреве до200–300 С.При этом получаютмелкое зерно,что в свою очередьпонижает порогхладноломкости,увеличиваетсопротивлениехрупкому разрушению.Например, сталь,содержащая0,4 % С; 5 % Сг; 1 % Мо и 0,5 %V,после закалкив масле инизкотемпературногоотпуска при200 Симеет _в=2000МПа при =10%, =40% и КСU=0,3МДж/м².

Стали30ХГСНА, 40ХГСНЗВА,30Х2ГСНЗВМ и т.п.послетермическойобработки наструктурунижнего бейнита(закалка и низкийотпуск илиизотермическаязакалка) приобретаютвысокую прочность–такаяобработкасообщает сталямменьшую чувствительностьк надрезам.Прочность_в=16001850МПа при 1512% и КСU=0,40,2МДж/м².

Высокаяпрочностьлегированныхконструкционныхсталей можетбыть полученаи за счет применениятермомеханическойобработки(ТМО). Так, сталь30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА,38ХНЗМА послеНТМО имеютвременноесопротивлениеразрыву до 2800МПа, относительноеудлинение иударная вязкостьувеличиваютсяв 1,5–2 раза посравнению собычной термическойобработкой.Объясняетсяэто тем, чточастичноевыделениеуглерода изаустенита придеформацииоблегчаетподвижностьдислокацийвнутри кристалловмартенсита,что и способствуетповышениюпластичности(охрупчиваниепри закалкесталейобъясняетсяименно малойподвижностьюдислокацийв мартенситепри значительномсодержаниив нем углерода).

Мартенситностареющие(Марэйджинг)стали. Эти сталисочетают высокие прочностныесвойства схорошей пластичностьюи вязкостью.Достигаетсяэто легированиемспециальнойтермическойобработкой.Их достоинства–высокаятехнологическаяпластичностьпри обработкедавлением вшироком интервалетемператур;отсутствиетрещинообразованияпри охлаждениис любыми скоростямипосле обработкидавлением;хорошая свариваемость.Недостаткомэтих сталейявляется ихсклонностьк ликвации.

Мартенситностареющиестали относятсяк высоколегированнымсталям. Основнымлегирующимэлементомявляется никель(10–26 %). Кроме того,различаясьпо составу,разные марки этих сталейсодержат 7–9 %Со; 4,5–5 % Мо; 5–11 % Сг;0,1–0,35 Аl;0,15–1,6 % Тi;иногда~0,3–0,5%Nb;0,2%Si,Mn;~0,01 % S,Р каждого. Титани алюминийвводят дляобразованияинтерметаллидов.

Вмартенситностареющихсталях стремятсяполучить минимальноеколичествоуглерода (0,03%),так как углерод,образуя с легирующимиэлементамикарбиды, способствуетохрупчиваниюсталей; Крометого, при этомпонижаетсясодержаниелегирующихэлементов втвердом растворе.Термическаяобработка такихсталей заключаетсяв закалке с800–860С,охлаждениина воздухе изатем отпуске–старении.

Высокаястоимостьлегирующихэлементов, атакже дефицитностьникеля и кобальтаограничиваютширокое применениетаких сталей.Поэтому появилисьтак называемые«экономнолегированные»мартенситностареющиестали: Н8Х6МТЮ,10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Л2ТЮ,Н8ГЗМ4 и др.

Мартенситностареющиестали используютдля изготовленияшасси самолетов,оболочек космическихлетательныхаппаратов,прецизионныххирургическихинструментови штампов ит.д. Используютэти стали и длякриогеннойтехники, таккак и при отрицательныхтемпературахони обладаютвысокой прочностьюв сочетаниис достаточнойпластичностью.

Таблица3. Состав и механическиесвойствамартенситностареющихсталей

5.Пружинно-рессорныестали

Основноетребованиек материалам,используемымдля изготовленияпружин, рессор,торсионныхваликов ит.д.–сохранениев течение длительноговремени упругихсвойств. Пружинныестали должныиметь высокийпредел упругости(_уп),высокое сопротивлениеразрушению(S_k)и усталостипри пониженнойпластичности.

ермическиупрочняемыепружинно-рессорныестали обычносодержат 0,5–0,7% С. Для менееответственныхпружин и пружинс мелким сечениемвитков применяютуглеродистыестали по ГОСТ1050–74. Для пружинболее ответственногоназначенияи при большемсечениивитков применяютлегированныепружинные стали(ГОСТ 14959–79). Чащевсего пружинныестали легируюткремнием. Задерживаяраспад мартенситапри отпускеи упрочняяферрит, кремнийсоздаетвысокое значениепредела упругости.Кремнемарганцовистыеи хромомарганцовистыестали (55СГ2, 50ХГи др.) имеют хорошуюпрокаливаемость,и их применяютдля изготовленияпружин из прутковдиаметром до25 мм. Крупныенаиболееответственныепружины изготовляютиз сталей 65С2ВА,60С2ХФА.

Рис. 4.Схема измененияпрочностипружинныхсталей в зависимостиот температурыотпуска

Режимтермическойобработкиназначают взависимостиот составастали и условийработы пружин.Наиболее высокаяупругая прочностьдостигаетсяв результатесреднего отпускана тростит. Приэтом отношение_уп/_встановитсяблизким к единице(рис. 4).

Дляповышениявыносливостипружин и рессоршироко применяютдробеструйнуюобработку.

6.Шарикоподшипниковыестали

Деталишарикоподшипников(кольца, шарики,ролики) в процессеработы испытываютвысокие удельныепеременныенагрузки. Поэтомустали, используемыедля их изготовления,должны иметьвысокую прочность,износостойкостьи высокий пределвыносливости.Кроме того, кшарикоподшипниковымсталям предъявляютвысокие требованияпо содержаниюнеметаллическихвключений(сульфидных,оксидных), макро-и микрополостей,ликвации, размеруи расположениюкарбидныхвключений. Этообусловленохарактеромработы шарикоподшипников.Указанныедефекты являютсяконцентратораминапряжений,особенно если они находятсяв поверхностныхслоях деталей.Кроме того, приработе подшипниковвозможно выкрашиваниенеметаллическихвключений, чторезко снижаетдолговечностьподшипника.

Дляизготовленияшариковых ироликовыхподшипниковприменяютвысокоуглеродистуюсталь, легированнуюхромом (табл.4).

аблица4. Химическийсостав, %, шарикоподшипниковойстали

МаркировкуШХ следуетрасшифровыватькак шарикоподшипниковуюхромистую.Цифра показываетсреднее содержаниехрома в десятыхдолях процента.

Шарикии ролики небольшихдиаметровизготавливаютиз стали ШХ9.Из стали ШХ15–шарикидиаметромбольше 22,5 мм,ролики диаметром15–30 мм, а такжекольца всехразмеров; роликидиаметром более30 мм и кольцас толщинойстенки: более15 мм–из сталиШХ15СГ.

Дляизготовлениядеталей крупногабаритныхподшипников,работающихпри большихударных нагрузках(например,подшипниковпрокатныхстанов), применяютцементуемуюсталь 20Х2Н4А. Приэтом проводятглубокую цементацию,получая цементованныйслой глубиной5–10 мм.

7.Износостойкиестали

Износдеталей машини аппаратовявляется сложнымпроцессом.Типовыми случаямиявляются обычноетрение скольженияи абразивныйизнос. В первомслучае металлнаклепываетсяс поверхности,поэтому износостойкостьсущественнозависит отспособностиметалла наклепываться.Во втором случае,когда частицыметалла вырываютсяс поверхности,износостойкостьопределяетсятвердостьюи сопротивлениемотрыву. Износостойкостьможет бытьповышенахимико-термическойобработкой.

Графитизированныестали содержатповышенноеколичествоуглерода (до1,75 %) и до 1,6 % Si.Кремний вводяткак графитизирующийэлемент.Часть углеродав этих сталяхпосле графитизирующегоотжига (напоминающегоотжиг для полученияковкого чугуна)выделяетсяв виде графита.После термическойобработкиструктура сталисостоит иззернистогоперлита с некоторымколичествоммелких округлыхвключенийграфита. Принеабразивномизносе графитиграет рольсмазки, предотвращаясухое трениеи схватывание.Кроме того, этистали обладаютантивибрационнымисвойствами.

Графитизированнуюсталь применяютдля изготовленияштампов, матриц,коленчатыхвалов, шаров,лопастей,дробеструйныхаппаратов ит.д.

Высокомарганцовистыестали содержатоколо 1 % С и 12–13 %Мn,обозначаютих так: стальГ13Л (1,2 % С; 13 % Мn;0,5% Si)и стальГ13Л (1,2 % С; 12 % Мnи 1% Si).Буква Л означает,что сталь литая.Такая стальимеет структуруаустенита сизбыточнымикарбидами (Fe,Мn)₃С.Выделяясь пограницам, карбидыснижают вязкостьи прочностьстали. Поэтомуобычно изделияподвергаютзакалке с 1050–1100Св воде, получаяструктуруоднородногомарганцовистогоаустенита(_в=8001000МПа; =4050%; НВ=200250).Характернойособенностьюмарганцовистогоаустенитаявляется егоповышеннаясклонностьк наклепу. Придеформациина 60–70 % твердостьстали Г13 увеличиваетсядо НВ 500 (рис. 6), чтообъясняетсябольшими искажениямикристаллическойрешетки, дроблениемблоков мозаикии даже образованиемструктурым

артенситав поверхностныхслоях.

Рис. 4.Влияние степенидеформациина твердостьстали Г13(1) и углеродистойстали 40 (2)

СтальГадфильдашироко используютдля изготовлениядеталей, испытывающихв процессеэксплуатацииударные нагрузки и износ одновременно.Вследствиебольшой вязкостиаустенита этасталь плохообрабатываетсярежущим инструментом,изделия из нееизготавливаютсяглавным образомлитьем.

Из сталиГ13 делают крестовиныжелезнодорожныхи трамвайныхпутей, зубьяковшей землечерпательныхмашин, тракигусеничныхмашин, щекидробилок и др.

8.Строительныестали

Так какдетали строительныхконструкцийсоединяютсваркой, тоосновным требованиемк строительнымсталям являетсяхорошая свариваемость.Поэтому строительныестали содержатдо 0,25 % С. При болеевысоком содержанииуглерода взонах, нагретыхпри сварке дотемпературвыше критических,возможно образованиеструктурымартенсита.В этом случаенаблюдаетсяобъемный эффект,что способствуетобразованиюхолодных трещинв зонах околосварных швов.Кроме того,углерод, расширяяинтервалкристаллизацииметалла шва,способствуетобразованиюгорячих трещинв металле шва.

Вкачестве строительныхсталей используютглавным образом углеродистыестали обыкновенногокачества марокСт3, Ст4, имеющие_т=200270МПа.

Прочностьстроительныхсталей повышаетсяв результателегирования.Посколькустроительнуюсталь используютв большихколичествах,то целесообразновводить в еесостав дешевыелегирующиеэлементы. Такимиэлементамиявляются марганеци кремний.Низколегированнаястроительнаясталь содержитдо 1,75 % Мnи до 0,7 % Si.Предел текучестиувеличиваетсядо 360380МПа.

Низколегированныестроительныестали, кромеулучшениямеханическихсвойств, имеютеще однопреимущество–пониженнуюкритическуютемпературуперехода вхрупкое состояние.Эти стали могутработать до–40 С,а стали 10ХСНЛи 15ХСНД, легированныедополнительноникелем и медью,и до –60 С.

9.Автоматныестали

Длянеответственныхдеталей, производимыхв большом количествена станках-автоматах(болты, гайки,винты, втулкии т.д.), используюттак называемыеавтоматныестали (ГОСТ1414–75). В таких сталяхдопускаетсяповышенноесодержаниесеры и фосфора,поэтому ониобладают меньшейвязкостью,благодаря чемустружка образуетсякороткая иломкая, а поверхностьобработанныхсталей получаетсячистой и ровной.При изготовлениидеталей изавтоматныхсталей можнодопускатьбольшие скорости резания.

Добавкисвинца (0,25%) улучшаютобрабатываемостьрезанием (АС11,АС40). Автоматныестали подвергаютдиффузионномуотжигу, притемпературе1100–1150 Сдля устраненияликвации серы,тем самым исключаетсявозможностькрасноломкости.Для повышенияпрочностиавтоматныестали иногданагартовываютхолодной протяжкой.В последнеевремя автоматныестали, кромесвинца, легируюти другими элементами:марганцем,хромом, никелем(А40Г, АС20ХГНМ идр.).

аблица5. Химическийсостав, %, автоматныхсталей

Нижнетагильскийинститут Уральскогогосударственного техническогоуниверситета

Реферат

по машиностроению на тему: ЛЕГИРОВАННЫЕСТАЛИ

ПреподавательФайншмидт Е.М.