Классификация сталей по назначению
Тема № 11
Классификация сталей по назначению
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.
Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин. Конструкционная (машиноподелочная) сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке. Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).
Близкие по составу к конструкционным сталям, но не предназначаемые для термической обработки у потребителя, объединяются в группу так называемых строительных сталей (они в основном применяются в строительстве). Часто их называют низколегированными.
Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории: углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.
Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д. В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа, т.е. не к сталям, а к сложным многокомпонентным сплавам.
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
Рекомендуемые материалы
Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высокими механическими свойствами. При этом сталь должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.
В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали -сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными. Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.
Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали. Возможными способами улучшения (повышения) механических характеристик стали являются: увеличение содержания углерода; легирование:, диспергирование структурных составляющих (путем понижения температуры превращения аустенита в сочетании с отпуском); измельчение зерна:, наклеп. Однако всякое упрочнение, проведенное указанными способами (кроме измельчения зерна и легирования никелем), снижает вязкость (повышает порог хладноломкости и уменьшает работу распространения трещины).
Поэтому при разработке составов конструкционных сталей и режимов их термической обработки нужно рассматривать такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени.
Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно 1% С и достигает всего лишь 100 кгс/мм2 , тогда как. порог хладноломкости лежит ниже 0°С лишь при содержании углерода не более 0,4%.
Таким образом, предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4%. При этом сталь будет иметь бв =60 кгс/мм 2 .
Если предъявить требования свариваемости, то содержание углерода должно быть снижено во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания; прочность при этом снизится до 35 кгс/мм2.
Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита ведет к непрерывному повышению твердости и прочности: максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При 0,4% С мартенситная структура имеет твердость около HRC 60 (НВ 650), что соответствует прочности порядка. 20-40 кгс/мм2. Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.
Двойная обработка, при которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т.е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказывающей более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).
Такое повышение качества стали в результате двойной термической обработки - закалки и высокого отпуска - называется термическим улучшением).
Оптимальные механические свойства достигаются в результате улучшения (или изотермической закалки), для чего аустенит должен быть при закалке переохлажден до температур образования мартенсита. В углеродистых сталях при применяемых на практике интенсивных закалочных средах (вода) сквозную закалку удается получить в сечениях до -10-15 мм.
Увеличить прокаливаемость термическими средствами (интенсификация охлаждения, выращивания зерна) нецелесообразно, так как возникает опасность получения закалочных дефектов и ухудшения вязких свойств.
Практически остается один способ углубления прокаливаемости -легирование. Было показано, что введение легирующих элементов приведет вначале к улучшению механических свойств (например, порога, хладноломкости) пока при данных условиях (размер деталей, условия охлаждения) не будет достигнута сквозная прокаливаемость, после чего дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит уже к ухудшению свойств. Режим термической обработки конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода.
Рассмотрим применяемые на практике типичные режимы термической обработки для низкоуглеродистой (0,10-0,25% С) и среднеуглеродистой (0,30-0,45% С) сталей. Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке - закалке + отпуску, причем среднеуглеродистые -обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые – низкому.
Режим закалки определяется положением критических точек и способностью аустенита к переохлаждению.
Нагрев под закалку проводят, как правило, до температур, незначительно превышающей (на 30-50°С) точку Асз .У большинства марок конструкционных низкоуглеродистых сталей эта температура находится около 900°С и у среднеуглеродистых - около 850°С. Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах - в масле), так как малая устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (около 600°С) делает необходимым быстрое охлаждение при закалке.
Увеличение содержания легирующих элементов приводит к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита. В конструкционных сталях обычного состава содержание легирующих элементов таково, что становится возможной закалка в масле. В некоторых сталях с несколькими легирующими элементами (например, в хромовольфрамовых или хромоникельмолибденовых, сталях) перлитное превращение аустенита настолько задерживается, что охлаждением деталей больших размеров на спокойном воздухе достигается переохлаждение аустенита до температур мартенситного превращения. Рассматривая условия, которые необходимо создать для охлаждения при закалке легированных конструкционных сталей, мы должны вспомнить еще об одной особенности кинетики распада аустенита сталей, легированных карбидообразующими элементами. В этих сталях (низкоуглеродистых) скорость бейнитного превращения при 300 - 400°С оказывается существенно более высокой, чем скорость перлитного распада 500-600°С). Поэтому при закалке следует ускорять охлаждение в нижнем районе температур (при 300-400°С), чтобы избежать бейнитного превращения.
В виде общего вывода важно заметить, что у легированньк сталей мартенситная структура может быть достигнута более медленным охлаждением, чем у углеродистых; более медленное охлаждение создает меньшие внутренние напряжения, что является фактором, повышающим конструктивную прочность.
Закалка стали на мартенсит - это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения. Отпуск - завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.
В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит.
Отпуск при 150°С снимает (конечно, только частично) внутренние напряжения и несколько повышает пластичность. В лучших сортах низкоуглеродистых легированных сталей при такой термической обработке (закалка + отпуск при 150°С) достигается высокий комплекс механических свойств ( до 130-140 кгс/мм2 при =50-60% ). Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.
Для среднеуглеродистых конструкционных сталей, у которых после закалки получается мартенсит с большим содержанием углерода, такой отпуск недостаточен, если стремиться получить высокую вязкость.
При низком отпуске прочность будет повышенной (σв =160-170 кгс/мм2, а пластичность и вязкость - низкими. Поэтому для этих сталей необходим более высокий отпуск, который обычно проводят при 550-600°С. При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной феррито-карбидной смеси - сорбита. Механические свойства при этом будут примерно такими же, как и при низкотемпературном отпуске малоуглеродистых сталей т.е.σ в=120-130 кгс/мм2, σ = 50-60.
Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств являются: для малоуглеродистых легированных сталей - закалка с 900°С в масле с отпуском при 150° (структура отпущенного мартенсита); для среднеуглеродистых легированных сталей -закалка с 850°С в масле с отпуском при 550-650°С (структура сорбита). В обоих случаях механические свойства, получаются почти одинаковые. Наиболее высокую прочность получают путем ТМО. Технологическое осуществление ТМО, однако, достаточно сложно.
Влияние температуры отпуска и скорости охлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали. Для случая медленного охлаждения после отпуска кривая ударной вязкости имеет два минимума - для отпуска, при 300°С и при 550°С. Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска, называется отпускной хрупкостью. Понижение вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хладноломкое состояние. Различаются два рода отпускной хрупкости.
Отпускная хрупкость 1 рода проявляется при отпуске около 300°С у всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.
Отпускная хрупкости II рода обнаруживается после отпуска, выше 500°С. Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска Однако отпускная хрупкость П рода снова может быть вызвана новым высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением.
Цементуемые (низкоуглеродистые) стали. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные низкоуглеродистые стали, применяемые для изготовления цеметуемых деталей. Как уже указывалось, для этой цели применяют стали с низким содержанием углерода (0,1-0,25%) с тем, чтобы после цементации, закалки и низкого отпуска получить твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину. Твердость поверхности после такой обработки будет около HRС 60, а сердцевины - порядка HRC 15-30.
В деталях из углеродистой стали вследствие ее слабой прокаливаемости высокую твердость получает лишь поверхностный цементованный слой, а сердцевина не упрочняется.
В легированных же сталях упрочнение сердцевины при термической обработке (закалка +низкий отпуск) будет тем более значительным; чем больше углерода и легирующих элементов они содержат.
Цементуемые стали следует разделять на три группы:
углеродистые стали с не упрочняемой сердцевиной,
низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной,
относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.
Стали последней группы называют иногда высокопрочными цементуемыми сталями. К ним следует также отнести и стали со сравнительно невысоким содержанием легирующих элементов, но с повышенным содержанием углерода (0,25-0,30%).
Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали. Улучшаемые стали содержат 0,3-0,4% С и разное количество легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний) в сумме не более 3-5%, и часто около 0,1% измельчителей зерна (ванадий, титан, ниобий, цирконий). Обычная термическая обработка таких сталей закалка, в масле и высокий отпуск (660-650°). Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше ее прокаливаемость. Поскольку механические свойства стали разных марок после указанной термической обработки в случае сквозной прокаливаемости близки, то не механические свойства, а прокаливаемость определяет выбор стали для той или иной детали.
Чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует выбирать. Во избежание развития отпускной хрупкости, что особенно опасно для крупных деталей, которые невозможны быстро охлаждать при отпуске, следует использовать стали, содержащие молибден (0,15-0,30%).
Сложные по конфигурации детали, особенно если они подвергаются ударным воздействиям, желательно изготавливать из сталей, содержащих никель. Интенсивность падения свойств при увеличении диаметра термически обрабатываемой заготовки тем меньше, чем более легирована сталь.
Строительная сталь. Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций- мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т.д.. Все строительные стали как правило, являются сварными, и свариваемость- одно из основных свойств строительной стали. Поэтому строительная сталь-это низкоуглеродистая сталь, с С<0,22-0,25 %. Повышение прочности достигается легированием обычно дешевыми элементами марганцем и кремнием. В этом случае и при низком содержании углерода предел текучести возрастает до 40-45 кгс/ мм2 (предел прочности до 50-60 кгс/ мм2), а при использовании термической обработки и выше. Простые углеродистые строительные стали-Ст1,Ст2 и СтЗ. Сталь 18Г2АФ имеет феррито-перлитную структуру, но с сильно измельченным зерном благодаря присутствию нитридов ванадия. Измельчение зерна обеспечивает повышение предела текучести примерно на 10кгс/ мм2. Сталь Фортивелл имеет состав: 0.2% С; 0,5% Мо; 0,003% В. Легирование молибденом и бором, замедляющими распад аустенита, приводит к получению бейнитной структуры при охлаждении на воздухе. При содержании 0,2% С бейнитная структура имеет предел текучести 45 кгс/ мм2 при хорошей пластичности.
Арматурная сталь. Для армирования железобетонных конструкций применяют прутки (гладкие и периодического профиля) и проволоку.
В предварительно напряженной железобетонной конструкции металл испытывает значительные напряжения, и поэтому в таких конструкциях применяют высокопрочные стальные стержни или высокопрочную проволоку.
В не напряженных конструкциях применяют стали обыкновенного качества, так как сталь не испытывает больших напряжений (СтЗ, Ст5),а в предварительно напряженных конструкциях-среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали в горячекатанном состоянии, а также упрочненные термической обработкой. Арматурная сталь делится на классы по прочности. Арматурная сталь классов A-I, А-П и A-III применяют для ненапряженных конструкций, а арматурную сталь -более высоких классов- для предварительно напряженных конструкций. Свойства, соответствующие классу A-IV, могут быть получены в горячекатанном состоянии в легированных сталях марок 20ХГЦ или 80С или в простой углеродистой стали марки Ст5 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде, отпуск при 400°С). Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска (300°С), применяемого главным образом для удаления из металла водорода, получает свойства класса A-V. Арматуру. более высоких классов (А-VI- A-VIII) изготавливают только с применением упрочняющей термической обработки.
Для работы при низких температурах лучше применять стали с более низким содержанием углерода или стали после термической обработки.
Пружинная сталь. Работа пружин, рессор и тому подобных деталей характеризуется тем, что в них используют только упругие свойства стали. Большая суммарная величина упругой деформации пружины (рессоры и т.д.) определяется ее конструкцией- числом и диаметром витков, длинной пружины. Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим отпуском при температуре в районе 300-400°С. При такой температуре отпуска предел упругости (текучести) получает наиболее высокое значение, а то, что эта температура лежит в интервале развития отпускной хрупкости I рода, в силу содержания углерода как правило, все же более низким, чем у инструментальных. Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска 300°С( применяемого главным образом для удаления из металла водорода сталей)имеет приблизительно 0,5-07%С, часто с добавками марганца и кремния .Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами.
Термическая обработка пружин и рессор из легированных сталей заключается в закалке от 800-850° (в зависимости от марки стали) в масле или в воде с последующим отпуском в районе 400-500°С на твердость HRC 35-45. Это соответствует бв=130-160 кгс/мм2.
Шарикоподшипниковая сталь. Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии). Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. имела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно хромом). Обозначение марки .например ШХ 15 надо расшифровывать так: шарикоподшипниковая хромистая; цифра показывает примерное содержание хрома в десятых долях процента. Хром, как указывалось, вводят для обеспечения необходимой прокаливаемости. Следовательно, чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали.
Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5 и 22,5 мм и ролики диаметром 10-15 мм- из стали ШХ12 и, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15-30 мм- из стали ШХ15. Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщенной стенки свыше 15 мм- из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы- кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.
Лекция "Виды порчи мяса" также может быть Вам полезна.
Термическая обработка деталей шарикоподшипника (шарики, ролики, кольца) состоит из двух основных операций закалки и отпуска. Закалку проводят в масле, температура нагрева 830-840°С с последующим отпуском при 150-160°С в течении 1-2 ч, что обеспечивает получение твердости не ниже НRС 62. Структура должна представлять собой отпущенный очень мелко игольчатый мартенсит с равномерно распределенными избыточными карбидами.
Дефекты легированных сталей. Высокие механические свойства легированных сталей обеспечили им преимущественное применение по сравнению с углеродистыми во многих отраслях специального машиностроения (авиации, автомобилестроении и т.д.). Вместе с тем в легированных сталях чаще появляются различные дефекты, встречающихся, но реже в углеродистых сталях. Часто при самом строгом соблюдении правильно установленных технологических режимов эти дефекты не поддаются полному устранению. Важнейшие из них: отпускная хрупкость, дендритная ликвация и флокены (явление отпускной хрупкости).
Дендритная ликвация. Появление дендритной ликвации обусловлено неравновесной кристаллизацией сплавов. После прокатки или ковки получаются волокна, вытянутые вдоль направления деформации.
Для уменьшения дендритной ликвации прибегают к диффузионному отжигу слитков перед прокаткой, который состоит в длительном нагреве стали при весьма высоких температурах (1000-1200°С).
Флокены. Флокены представляют собой в изломе пятна (хлопья),а в поперечном микрошлифе - трещины. Естественно, что наличие трещин вызывает снижение механических свойств. Трещины - флокены тем более опасны, чем более высокую прочность имеет сталь. Флокены можно устранить последующей ковкой (прокаткой) на меньший размер, так как при этом трещины (флокены) завариваются. Флокены редко обнаруживаются в малых сечениях (диаметром менее 25-30 мм).
