ГЛАВА 2 СПЛАВЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
Машиностроительные конструкционные стали
Классификация конструкционных сталей
Стали являютсяуниверсальным конструкционным материалом, способным работать при различных вариантах внешнего воздействия: при высоких статических и циклических напряжениях, климатических, криогенных и повышенных температурах; при воздействии агрессивной внешней среды.
Механические, физические и химические, технологические свойства сталей обусловлены свойствами металла-основы – железа. Стали наследуют от железа: высокий модуль нормальной упругости – 210 ГПа; высокую теплопроводность и низкий коэффициент линейного расширения; хорошие технологические свойства.
Многообразиесвойств вязано с полиморфизмом железа и с возможностью легирования железа углеродом и другими элементами в широком диапазоне концентраций; с возможностью применения практически всех видов термической обработки: отжига, нормализации, закалки с отпуском, закалки со старением, а также химико-термической обработки. Применение сталей для широкой номенклатуры деталей объясняется хорошей технологичностью материала – способностью к различным вариантам обработки: деформированию в горячем и холодном состояниях, к сварке, к обработке резанием, к термической обработке.
В настоящее время не существует единой системы классификации сталей. В основном, она проводится по некоторым общим признакам: назначению; химическому составу; качеству; структуре; прочности; типичной упрочняющей термообработке или ХТО; основному свойству, учитывающему условия работы детали.
|
|
|
По назначению стали подразделяют на следующие группы (рис. 2.35).
– конструкционные,применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении (строительные конструкционные стали не рассматриваются),
– инструментальные, предназначенные для обработки материалов резанием и давлением,
– стали с особыми физическими (магнитными и электрическими) свойствами (две последние группы в настоящем курсе не рассматриваются).
Рис. 2.35. Классификация сталей по назначению
2. По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. Внутри этих двух групп есть градации, учитывающие химический состав (табл. 2.15)
Таблица 2.15
Классификация сталей по химическому составу
| Название сталей по содержанию углерода | Содержание углерода,% С | Название сталей по содержанию легирующих элементов | Суммарное Содержание легирующих элементов, % |
| безуглеродистые | ≤ 0,03 % | низколегированные | ≤ 5 |
| низкоуглеродистые | 0,03…0,30 | среднелегированные | 5 …10 |
| среднеуглеродистые | 0,30…0,70 | высоколегированные | > 10 |
| высокоуглеродистые | > 0,70 | - | - |
В зависимости от типа легирующих элементов стали также называют: хромистые, марганцевые, кремнистые, хромоникелевые, хромомолибденовые и т.п.
|
|
|
3. По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные (табл.2.16).
Качество стали определяется металлургическим производством. Показателями качества являются содержание вредных примесей – серы и фосфора.
Таблица 2.16
Классификация и маркировка
* в зависимости от качества сталей
| Категории качества сталей | Примеры марок сталей | Содержание, % | |
| сера | Фосфор | ||
| Обыкновенного качества | Ст3 | <0,05 | <0,04 |
| Качественные | Сталь 30, 45ХН | < 0,04 | < 0,035 |
| Высококачественные | 40ХМФА | <0,025 | <0,025 |
| Особо высококачественные | 30ХГС - Ш | <0,015 | <0,025 |
Сера – примесь, практически нерастворимая в аустените, вызывающая красноломкость (горячеломкость) сталей при горячей обработке давлением. Красноломкость связана с образованием сульфида железа (FeS), входящего в состав легкоплавкой эвтектики [γ + FeS], которая располагается по границам зерен. При горячей деформации эвтектика оплавляется, нарушая связь между зернами. Устраняет вредное влияние серы марганец за счет образования тугоплавкого сульфида MnS. Однако присутствие пластичных частиц сульфида марганца способствует появлению анизотропии механических свойств горячекатаных полуфабрикатов.
|
|
|
Фосфор – вредная примесь, вызывающая хладноломкость стали: каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 20 – 25ºС.
Углеродистые стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные; легированные – трех видов: качественные, высококачественные и особо высококачественные.
4. По структуре в равновесном состоянии (после отжига) углеродистые и легированные стали подразделяют на: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэтектоидные.
Средне- и высоколегированные стали после отжига могут иметь также ферритную или аустенитную структуры.
По структуре после нагрева до температуры 900ºС и охлаждения на воздухе (термообработка подобна нормализации) образцов небольших сечений стали подразделяют на классы:
· 
перлитный (углеродистые и низколегированные стали);
· мартенситный;
· аустенитный ; средне- и высоколегированные.
|
|
|
· ферритный.
5. По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали можно разделить на стали нормальной прочности (σв < 1000 МПа), повышенной прочности (σв <1500 МПа) и высокопрочные (σв > 1500 МПа).
6. По типичной упрочняющей термической или химико-термической обработке стали подразделяют на цементуемые, азотируемые, улучшаемые и т.д.
7. По основному свойству, учитывающему условия работы деталей (в т.ч. воздействие рабочей среды), машиностроительные стали подразделяют на следующие группы :
– стали с высокой статической прочностью (высокопрочные);
– стали с повышенной циклической прочностью;
– стали рессорно-пружинные и т.д.
Отдельную группу машиностроительных сталей составляют стали с особыми физико-химическими свойствами, которые в зависимости от температуры и агрессивности рабочей среды подразделяют на: коррозионностойкие; жаростойкие; жаропрочные.
Углеродистые стали
Углеродистыми называются стали, в которых единственным легирующим элементом является углерод. Количество углерода в конструкционных сталях составляет от 0,07 до 0,6 %. Кроме основных компонентов (Fe и C) в сталях также присутствуют постоянные (марганец, кремний, сера, фосфор) и случайные примеси.
Основные преимущества углеродистых сталей заключаются в низкой стоимости материала и хороших технологических свойствах. В общем объёме производства сталей на долю углеродистых сталей приходится около 80%.
Основные недостатки углеродистых сталей – высокая критическая скорость закалки и небольшая прокаливаемость (до 12 мм).
Углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94) и качественные стали (ГОСТ 1050-94).
Стали обыкновенного качества, содержащие повышенное количество вредных примесей (см. табл.3.2), маркируют буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, обозначающими порядковый номер стали. Среднее содержание углерода определяют умножением номера марки стали на коэффициент 0,07.
Стали обыкновенного качества различают по степени раскисления при выплавке. Раскисление - процесс введения в расплавленный металл специальных добавок с целью удаления кислорода.
Кипящие стали раскисляют при выплавке марганцем; при этом кислород, находящийся в стали, выделяется в виде пузырьков СО, создавая эффект кипения стали.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Они затвердевают без газовыделения. Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Степень раскисления указывается в марке стали добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных – «пс», кипящих – «кп».В сталях с повышенным содержанием марганца (до 1,1 – 1,2.%) после номера марки указывается буква Г: например, Ст5Г.
Сталь марки Ст 0 по степени раскисления не разделяют; в этой стали указывается только содержание углерода (≤0,23 %), серы (≤ 0,06) и фосфора (≤0,07).
Горячекатаный полуфабрикат поставляется на машиностроительные заводы различного сортамента: круглого, квадратного сечения; полосовой, угловой; швеллеры, двутавровые балки; листы; специальные профили; трубы.
Рис. 2.36. Влияние содержания углерода в сталях обыкновенного качества на уровень прочности и пластичности
Механические свойства сталей обыкновенного качества регламентирует ГОСТ 535– 88. С повышением содержания углерода в сталях увеличивается доля перлитной составляющей, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности горячекатаных полуфабрикатов (рис. 3.2). Временное сопротивление разрыву увеличивается от 300 МПа для стали Ст0 до 590 МПа – у стали Ст6. Гарантированный уровень свойств, в том числе и предел текучести, снижается по мере увеличения толщины полуфабриката (влияние масштабного фактора) (рис .2.37).
Рис. 2.37. Предел текучести сталей марки Ст2кп и Ст4кп (в скобках) в зависимости от толщины проката, мм (цифры внутри столбцов)
Стали обыкновенного качества применяют для изготовления малонагруженных деталей и нормалей.Детали изготавливают из горячекатаных полуфабрикатов без термообработки или с использованием нормализации. Из-за низкой прокаливаемости к сталям Ст4, Ст5, Ст6 упрочняющую термообработку можно применить только для деталей сечением не более 12 мм.
Углеродистые качественные стали, как указано в табл. 3.2, содержат меньшее количество вредных примесей, а также – неметаллических включений (оксидов, сульфидов и др. соединений). Маркируют стали двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Степень раскисления качественных сталей обозначают только в кипящих и полуспокойных сталях соответственно индексами «кп» и «пс». Степень раскисления спокойных сталей не указывают.
Выпускают стали следующих марок:
- Спокойные: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58 (55ПП), 60.
- Кипящие: 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп.
- Полуспокойные: 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.
Качественные стали поставляют на заводы в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (по ГОСТ 1050—88) после следующих обработок: нормализации, нагартовки, нагартовки и отжига, закалки и отпуска.
Низкоуглеродистые стали 08, 10, 15, 20 имеют две области применения:
- для деталей, изготавливаемых методом холодной штамповки – шайб, регулировочных прокладок, деталей кабин и кузовов
- для цементуемых деталей, работающих в условиях трения
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 наилучший комплекс механических свойств приобретают после улучшения, поэтому называются улучшаемыми. Стали применяют для изготовления коленчатых валов, шатунов, зубчатых колес, болтов и осей. Детали из среднеуглеродистых сталей большого сечения можно упрочнять поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ.
Легированные стали
Маркировка легированных сталей. Легированными называют стали, содержащие одновременно с углеродом и другие легирующие элементы для получения требуемых свойств.
Содержание углерода указывают цифрами в начале марки в сотых долях процента. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, Г – марганец, С – кремний, Д – медь, Т – титан, Б – ниобий, Р – бор, А - азот.
Если содержание элемента более 1,5 % , то после буквы указывают его среднее значение в целых процентах. Если содержание элемента менее 1,5 %, то цифру после соответствующей буквы не указывают. Например, сталь 20Х2Н4А содержит 0,2 % С, 2 % Сr, 4 % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС-Ш.
Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 232; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!