Конструкционные материалы общего назначения

Глава 2. Конструкционные материалы общего назначения

§1. Классификация конструкционных сталей

1. По химическому составу

а) углеродистые (Fe + C):

   - низкоуглеродистые (%С < 0,3);

   - среднеуглеродистые (%С ~ 0,3-0,7);

   - высокоуглеродистые (%С > 0,7);

б) легированные (Fe + C + легирующие элементы):

   - низколегированные (%лег. эл. < 5);

   - среднелегированные (%лег. эл. ~ 5-10);

Рекомендуемые материалы

   - высоколегированные (%лег. эл. > 10, С может отсутствовать).

1. По качеству (S, P, As, Sb – присутствие вредных примесей)

а) обыкновенного качества (%(S, P) < 0.1);

б) качественные(%(S, P) < 0.075);

в) высококачественные(%(S, P) < 0.05);

г) особовысококачественные (%(S, P) < 0.4 (0,002)).

1. По степени раскисления ( в основу положено содержание в сталях О₂, Н₂)

 шлак

а) кипящие (плохо раскисленные стали ―› Mn );

б) полуспокойные;

в) спокойные (хорошо раскисленные ―› Mn, Si, Al).

1. По уровню прочности

а) нормальная (σ_В < 1000 МПа);

б) повышенная (σ_В ~ 1000-1500 МПа);

в) высокопрочные (σ_В > 1500 МПа).

1. По равновесной структуре

а) углеродистые

под влиянием небольшого количества легирующих элементов, после медленного охлаждения в структуре всегда содержится перлит, такие стали можно упрочнить при помощи термической обработки;

б) легированные

(1) – γ-стабилизаторы, при введении их значительного количества (Ni, Mn) стали имеют структуру А при всех температурах и после любой скорости охлаждения, она не магнитная;

(2) – α-стабилизаторы (Cr, Mo, W), при вводе их значительного количества стали имеют структуру Ф, ферритные стали магнитные, самые стойкие к коррозии.

Итог: В сталях аустенитного и ферритного классов при нагреве и охлаждении нет превращений, значит, их нельзя упрочнить,

Все легирующие элементы смещают линии вправо, уменьшается V_{крит. охл.}, при охлаждении на воздухе можно получить мартенсит.

§2. Углеродистые конструкционные стали

1. Влияние концентрации углерода на свойства сталей

При увеличении содержания углерода меняются свойства:

а) повышаются все прочностные характеристики;

б) повышается порог хладноломкости;

в) понижаются δ и KCU;

г) ухудшается свариваемость;

д) ухудшаются литейные качества;

е) усложняется обработка резанием;

ж) при охлаждении требуются высокие скорости;

з) уменьшается глубина прокаливания;

и) ухудшается обработка давлением;

              (б – в) -  ухудшается надежность;

              (г – и) -  ухудшаются технологические свойства.

2. Углеродистые стали обыкновенного качества

                                                     

                                                      Стали с низкой прочностью,

                                                      в горячем состоянии без ТО

- Ст 1-5  - пониженная пластичность, рядовой прокат (уголки, трубы);

- Ст 1-4 – строительные;

- Ст 3-4 – сельскохозяйственные;

- Ст 4-6 – применяют для изготовления железнодорожных частей.

3. Качественные стали

%(S, P) < 0.075

Принцип маркировки: _ _ (среднее содержание С в сотых):35-(0,32-0,4%С)

Стали поставляются после ТО – нормализации со следующими свойствами:

Итог: стали дешевые, широкий диапазон прочности, однако закаливаются только в воде, следовательно, обладают небольшой прокаливаемостью, подвержены короблению, появлению трещин, рассчитаны для небольших и средних нагрузок, для не крупных, не ответственных, не сложных деталей.

§3. Легированные конструкционные стали

1.   Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей

● большинство легирующих элементов растворены в решетке железа (за исключением Ag, Pb, Cu);

● элементы, имеющие высокое сродство к углероду образуют карбонные фазы

Fe ―› Cr, Mo, W, Nb, Ta, Zr, Ti

―――――――――――――――――›

Fe₃C                                       TiC

HB ~ 8000 МПа                     HB ~ 29000 МПа;

● некоторые элементы образуют интерметаллидные фазы: Fe₂Mo, Ni₃Ti, Ni₃Al

Большинство легирующих элементов повышают твердость стали

Большинство легирующих элементов уменьшают ударную вязкость

(кроме Ni) и повышают порог хладноломкости.

Все эти элементы, имеющие смещение линий с-образных диаграмм вправо (кроме Со) лучше всего замедляют перлитные превращения, что дает следующие преимущества:

- V_кр становится меньше;

- закаливать можно в масле;

- увеличивается прокаливаемость.

Многие легирующие элементы тормозят рост зерен: карбидообразующие (Ti, V, Zr) ~ 0,01-0,05% - природомелкозернистые стали.

Некоторые легирующие элементы замедляют распад мартенсита (Si, Mo, W)

Некоторые легирующие элементы устраняют отпускную хрупкость (Mo, W) ~ 0,3%

Все легирующие элементы понижают интервал мартенситного превращения

Итог: легированные стали дороже, но при правильном подборе легирующих элементов легированные стали прочнее, надежней и технологичней (прокаливаемость, скорость охлаждения), чем углеродистые (%N ≤ 5, %(Cr, Si) ≤ 2, %(Ti, V, Mo) ≤ 0.2-0.4).

Принцип маркировки:

_ _  ________________   _________

(1)    (2)                                (3)

(1) – среднее содержание углерода в %;

(2) – буквы и цифры – легирующие элементы, их количество в %;

(3) – показатель качества:

        [-] – качественные

        [А] – высококачественные

        [ЭШП, ВАП, ЭЛП] – особовысококачественные;

- если элемента ≤ 1% - цифра не ставится;

- Ni – Н, Cr – Х, Mn – Г, Mo – М, W – В, V – Ф, Si – С, Ti – Т, Al – Ю, Nb – Б, B – Р, Co – К;

Пример: 40ХН5МФА

2. Легированные стали нормальной и повышенной прочности

Это низколегированные стали (%легирующ. эл. ≤5)

1) цементуемые стали

нормальная прочность, σ_U (σ_B) < 1000 МПа, %С ~ 0,1-0,25.

Примеры:

20Х, 18ХГТ, 20ХГМ (прокаливаемость до 25-60 мм), 20ХНЗА (до 100 мм), 18Н4МА (выше 100 мм).

Типичные применение и ТО (детали, работающие в условиях трения и ударов, ХТО – цементация + упрочняющая ТО – закалка + низкий отпуск), получаемые свойства –

2) улучшаемые стали

повышенной прочности, σ_U (σ_B) ~ 1000-1500 МПа, %С ~ 0,3-0,5.

Примеры:

40Х (прокаливаемость до 30 мм), 30ХГСА (до 40 мм), 40 ХНМА (до 100 мм), 38Н3МЮА (до 100 мм, азотируемая сталь)

Типичные применение и ТО (детали машин, работа при статических, небольших ударных и циклических нагрузках – валы, оси, полуоси, ТО – закалка + высокий отпуск 500-600°С), получаемые свойства:

Итог: легируемые стали имеют широкий диапазон свойств, глубокую прокаливаемость и потому применимы для сложных и ответственных, более крупных деталей машин, работающих при средних и умеренных нагрузках.

Для низколегированных сталей по содержанию углерода определен уровень прочности, типичные твердость и применение, подбирают легирующие элементы по прокаливемости.

3. Высокопрочные легированные стали

Свойства:

1) комплекснолегированные стали

% легирующих элементов ≥ 4

% С ~ 0,35-0,4

σ_B ≥ 1500 МПа

% Ni ~ 2-5, вязкость до 5%

% Si ~ 1,5, %(W, Mo, V) ~ 0,2-0,4 – задерживает распад М при отпуске, высокое качество при выплавке, «А» или «ЭШП»

Пример: 40ХН5МФА, 40ХН2СВА

ТО – закалка (в масле или на воздухе) + низкий отпуск (М_отп), 250-300°С, полученные свойства:

2) мартенситно-стареющие стали

а) углерод не применяется;

б) Ni – max, 10-20%;

в) для получения высокой прочности используется различная растворимость элементов замещения в решетках Fe_γ и Fe_α, лучше всего Mo (до 7%), Ti (до 3%), Al (до 2%), Cu (до 10%).

Упрочняющая ТО:

● закалка 820-860°С, воздух. При нагреве Mo, Ti, Al в аустените растворяются, а после охлаждения получается пересыщенный твердый раствор замещения – мартенсит, получаемые свойства:

Такой мартенсит имеет достаточно низкую прочность и очень высокую пластичность, закалку выполняют в заготовках и после этого изготавливают деталь окончательно;

● старение: 500-600°С, 4-6 часов, из Ме выделяются частицы упрочняющих фаз: Fe₂Mo – фаза Лавеса, Ni₃Ti, Ni₃Al – интерметаллиды, получаемые свойства:

Такой к/с – одно из самых больших значений в технике

Мартенситно-стареющие стали не чувствительны к концентрационным напряжениям, у них нет явной хладноломкости, не ограничена прокаливаемость, нет изменения размеров и короблений при ТО, они исключительно технологичны.

Пример: 03Н18К9М5Т

Применение: для силовых и тяжелонагруженных ответственных деталей, в том числе для крупногабаритных изделий сложной формы, для эксплуатации в низких температурах, для транспортировки жидких газов, в ракетостроении.

§4. Стали и методы их обработки для изготовления деталей, работающих при циклических нагрузках

1. Особенности работы металла при циклических нагрузках

● появление трещины:

при циклических нагружениях дислокации скользят к поверхности в разных системах скольжения, в итоге усиливается микронеровность поверхности и после возникают трещины. Для того, чтобы трещины не возникали, необходимо, чтобы дислокации были заблокированы, т.е. Ме должен быть прочным;

● распространение трещины:

, чтобы трещина не распространялась, М е должен быть пластичным (дефекты должны быть не заблокированы).

1. Требования к структуре и свойствам Ме для циклических нагрузок

Для max выносливости сталь должна сопротивляться и зарождению и распространению трещины, т.е. быть одновременно и прочной, и пластичной.

Выводы:

1) max выносливость к циклическим нагрузкам в сталях при σ_U ~ 1200-1500 МПа при структуре тростита;

2) для циклической нагрузке структура мартенсита крайне не желательна, т.е. легко распространяются трещины;

3) структура троостита рекомендуется для пружин, где min ударной нагрузки;

4) для деталей машин, испытывающих также и ударные нагрузки, рекомендуется структура сорбита и ТО – улучшение.

1. Стали и методы их обработки

Типичные детали – валы и оси, типичные стали – улучшаемые (25, 40, 45, 40Х, 40 ХНЮА), типичная ТО – закалка до Ас₃ + высокий отпуск (500-600°), структура – сорбит.

Для повышения выносливости проводят дополнительную обработку поверхности.

1. Повышение долговечности при цементации

Дополнительная обработка поверхности ―› упрочнение ―› снижение остаточных напряжений.

1) закалка с нагревом ТВЧ, 1-3 мм на поверхности, 300-600 МПа, снимающие напряжения;

Бесплатная лекция: "21 Аппаратура ближней навигации рсбн" также доступна.

2) ППО (поверхностная пластическая деформация) – дробью 902 мм, наклеп до 600 МПа, обработка роликами;

3) Азотирование 0,3-0,5 мм, (HV ~ 10000-12000).

Выводы:

1) дополнительная обработка поверхности в 1,5-2 раза (Cu до 3 раз) повышает выносливость сталей;

2) дополнительная обработка поверхности практически нейтрализует вредное влияние концентраторов напряжений;

3) для хорошей работы при циклических нагрузках желательно изменить концентрацию, убрать пониженную шероховатость.