Конструкционные стали

Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

Инструментальные стали

Конструкционные стали

Лекция №11

Цементируемые с низким содержанием углерода до 0,3%.

После цементации они закаливаются с достижением высокой твердости только в насыщенном поверхностном слое - чаще толщиной до 1-1,5 мм и сохраняют при этом вязкую сердцевину со сравнительно невысокой твердостью. Поскольку содержание углерода в поверхностном слое в этом случае повышенное 0,8%, то твердость 60-62 HRC и износостойкость высокие. Однако, сопротивление нагруженности пониженное из-за малой толщины поверхностного слоя и, особенно, из-за сравнительно резкого перепада твердости к более мягкой и менее прочной сердцевине. Более резкий переход в твердости у углеродистых сталей, поэтому они используются для работы с меньшими давлениями; и менее резкий - у легированных, имеющих более высокие прочность и твердость в сердцевине после закалки. В качестве цементируемых углеродистых сталей используются качественные и высококачественные стали, и реже стали обыкновенного качества марок Ст2 и Ст3.

Легированные цементируемые стали применяются для деталей более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы, поскольку они лучше прокаливаются и получают более прочную сердцевину. Кроме того, они принимают закалку с охлаждением в менее резких охладителях, что уменьшает деформацию и опасность возникновения трещин.

Закаливаемые с индукционного нагрева стали содержат больше углерода: 0,4-0,65% и поэтому, при такой обработке закаливаются в поверхностном слое, сохраняя в сердцевине более высокую твердость,чем цементируемые стали. Износостойкость этих сталей несколько ниже цементированных, имеющих больше углерода в поверхностном слое: вязкость тоже ниже из-за большей концентрации углерода в сердцевине. Но из-за создавшегося при этом меньшего перепада твердости по сечению сопротивление усталостным нагрузкам у сталей, закаленных с индукционного нагрева больше чем у цементируемых.

Пониженной прокаливаемости - содержат 0,5-0,6% С и принимают закалку. Однако, в отличие от рассматриваемых ниже углеродистых улучшаемых сталей с таким же содержанием углерода стали пониженной прокаливаемости имеют значительно меньшее содержание марганца и кремния и других сопутствующих элементов. Детали из этих сталей подвергают обычной объемной закалке, но вследствие особенностей состава, они получают высокую твердость лишь в поверхностном слое. Существенно при этом, что поверхностный после закалки точно следует контуру изделия. Это создает полезные сжимающие напряжения. Преимущество сталей пониженной прокаливаемости состоит также в том, что нижележащие слои, располагаются непосредственно под наружным закаленным слоем, принимают частичную закалку и структура их также улучшается. Тогда твердость при переходе к несколько менее твердой сердцевине снижается сравнительно плавно, что позволяет использовать стали пониженной прокаливаемости для эксплуатации при более высоких давлениях.

Азотируемые; для этого назначения из-за особенностей взаимодействия поверхностных слоев с азотом, диффундирующим при азотировании, используются стали, легированные хромом, ванадием, алюминием. Кроме того эти стали должны содержать 0,35-0,5% С и принимать закалку до азотирования. Наибольшая твердость до 69-71 HRC и износостойкость у сталей легированных алюминием (38Х2МЮА); она выше, чем у цементируемых сталей. Высокая твердость азотированного слоя сохраняется при нагреве до 400-420 °С. Из-за резкого перепада твердости по сечению 35HRC и небольшой толщины до 0,5 мм твердого азотированного слоя, такие стали используют для эксплуатации в условиях повышенного износа и нагрева, но при отсутствии больших давлений. У азотируемых сталей без алюминия твердость слоя меньше 50 HRC, но в результате азотирования возрастают усталостная прочность и сопротивление износу.

К улучшаемым сталям (упрочняемым по всему сечению) относятся стали, принимающие закалку и содержащие для этого более 0,35% С (углеродистые и малолегированные стали) и более 0,2-0,3% С (средне- и высоколегированные стали). Поскольку способность упрочняться на ту или иную глубину определяется влиянием легирующих элементов, то она не одинакова в разных сталях этой группы.

Улучшаемые стали при одинаковом содержании углерода, но разном содержании легирующих элементов, имеют близкие прочностные свойства в деталях небольшого сечения, но заметно различаются в деталях крупного сечения. У углеродистых и менее легированных сталей эти свойства ниже. Поэтому выбор марки стали зависит от уровня требуемых свойств и от толщины изделия.

Таблица 22.9

Механические свойства высокопрочных сталей

Обозначение	30ХГСНА	40ХГСН3ВА
sв, МПа	1850(1670)/1850(1570)	2000(1200)/1850(1560)
d, %	13/15	11/12
y, %	50/53	43/45
KCU, МДж/м^2	0,55/0,62	0,45/0,5
K1C, МПа · м^1/2	60/65	45/60

Примечание. в числителе – свойства после закалки с 900 °C и низкого отпуска при 250 °C, в знаменателе – после изотермической закалки.

Стали и сплавы машиностроительные. Специализироанного назначения оцениваются не только по механическим свойствам при 20 °С, как стали общего назначения, но и по ряду других свойств как механических (при низких и высоких температур), так и физических, химических и ряду технологических качеств. Это вызвано тем, что стали и сплавы машиностроительные специального назначения необходимы в отдельных отраслях техники для эксплуатации в строго определенных условиях например при очень высоких напряжениях, на холоде и при нагреве, в условиях износа, при динамических и гидроабразивных нагрузках или для специального назначения в машинах и приборах; для пружин, контактов, а также для деталей которые получают при резании поверхности повышенной чистоты. К ним относятся:

Стали особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареющие) упрочняются в результате мартенситного превращения при закалке и дисперсионного твердения при отпуске (старения). По составу мартенситно-стареющие стали - практически безуглеродистые и высоколегированные никелем, кобальтом, молибденом (и в меньшем количестве титаном). Стали получают очень высокую прочность и сохраняют при этом пластичность и ударную вязкость как при 20 °С, так и при низких температурах.

Технологические свойства сталей повышенные: хорошая свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; деформация деталей при последующем отпуске. Эти стали особо высококачественные. Их выплавляют преимущественно вакуумно-дуговым или вакуумно-индукционным способами. В результате высокой стоимости мартенситно-стареющие стали применяют для деталей наиболее ответственного назначения. Многочисленные и отличающиеся по составу мартенситно-стареющие стали целесообразно распределить на группы: высокой прочности и вязкости, высокой прочности, вязкости и коррозийной стойкости, устойчивые при нагреве (Табл. 2).

Химический состав и механические свойства
мартенситно-стареющих сталей

Марка стали	Содержание элементов	sв	s0,2	d	y	KCU	KCT
МПа	%	МДж/м^2
03Н18К9М5Т 03Н12К15М10 03Х11Н10М2Т	18 Ni; 9 Co; 5 Mo; 0,9 Ti 12 Ni; 15 Co; 10 Mo 11 Cr; 10 Ni; 2 Mo; 0,9Ti; 0,2 Al					0,5 0,3 0,5	0,20 – 0,2

Стали и сплавы для работы при повышенных температурах. По основным свойствам и химическому составу различают две группы сплавов этого назначения: жаростойкие и жаропрочные.

Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии в воздухе, печных газах, продуктах сгорания при высоких температурах до 900-1200 °С. Cтали пригодны лишь для работы без приложения больших нагрузок, т.е. когда деталь не рассчитывается на сопротивление ползучести. Повышенная стойкость сталей против газовой коррозии создается в первую очередь легированием хромом, образующим на поверхности металла защитную окисную пленку. Ее стойкость зависит от температуры эксплуатации и возрастает с повышением содержания хрома. Стойкость против науглероживающих сред создается при легировании никелем.

Свойства этих сталей целесообразно характеризовать по температуре начала интенсивного окисления.

Жаропрочные стали и сплавы используют для длительной эксплуатации под нагрузкой в деталях и установках, работающих при повышенных температурах 400-450°С, когда необходимо предупредить развитие ползучести. Жаропрочные стали и сплавы в отличие от жаростойких должны сохранять при этом повышенные прочностные качества. Вместе с тем жаропрочные стали и сплавы должны обладать высоким сопротивлением химической коррозии. Жаропрочность сплавов в одинаковых условиях длительного нагружения зависит от температуры нагрева. Химический состав, структура и свойства жаропрочных сплавов различны, если они предназначены для работы при различных температурах. При очень высоком нагреве стали, даже высоколегированные, не имеют необходимой жаропрочности и заменяются сплавами на никелевой основе и тугоплавкими сплавами на основе хрома, но более часто молибдена и ниобия. Многочисленные жаропрочные сплавы классифицируются по основному признаку - температуре эксплуатации.

Для работы при низких температурах применяют стали, пластичность и вязкость которых с понижением температуры не изменяются, либо уменьшаются, но мало и без резкого падения вязкости характерного для хладноломкости. В связи с этим, более широко применяют стали:

ферритного (мартенситного) класса, главным образом до температур -196 °С (они имеют низкое содержание углерода и высокое содержание никеля, что сильно снижает порог хладноломкости и увеличивает вязкость);

аустенитного класса хромоникелевые, хромомарганцевоникелевые, сохраняющие решеткуГ.Ц.К. вплоть до водородных (-253 °С) или гелиевых (-269 °С)температур.

Хромомарганцевоникелевые или хромомарганцевые стали аустенитного класса дешевле и обладают большей прочностью, чем хромоникелевые. Но для некоторых из них, например стали 07Х21Г7АН5, после сварки нужна термическая обработка (что не всегда возможно). Перспективны мартенситно-стареющие стали с 18-20% Ni, как обладающие значительно более высокой прочностью. При наличии дополнительных требований к свойствам, применяют также аустенитные дисперсионно-твердеющие сплавы типа 36НХТЮ, превосходящие по прочности указанные выше аустенитные сплавы; сплав инвар 36Н с решеткой ГЦК и низким коэффициентом расширения; медные сплавы, в частности бронзы алюминиевую Бр.АЖ 9-4 или бериллиевую Бр.Б2 с низким коэффициентом трения, и алюминиевые сплавы Амг, Д16 с малой плотностью.

Стали износостойкие. Наибольшая стойкость деталей при кавитационной эрозии и при механическом изнашивании со значительными ударами достигается при создании аустенитной структуры и при ее частичном превращении в эксплуатации, т.е. у сталей с нестабильным аустенитом.

Эти стали применяют чаще в литом или кованном состоянии с последующей закалкой. Их общая технологическая особенность - пониженная обрабатываемость резанием. Она наиболее низкая у сталей второй группы (Г13), имеющих высокое содержание углерода. Стали, стойкие против кавитационной эрозии и имеющие мало углерода, можно обрабатывать быстрорежущей сталью высокой теплостойкости.

а) Стали, износостойкие в условиях кавитационной эрозии применяют для деталей и конструкций (винты, лопасти гидротурбин), которые должны быть стойкими при взаимодействии с потоком жидкости, т.е. в условиях особого вида разрушения - кавитационной эрозии. Это разрушение является следствием образования в движущем потоке жидкости различных пустот, парогазовых пузырей, рост и сокращение которых создают многократное микроударное воздействие. В поверхностном слое металла возникает сложнонапряженное состояние и создаются условия для зарождения и роста трещин. Кавитационная эрозия носит в начале локальный характер, но постепенно может захватить значительную поверхность детали и проникать на большую глубину. Этому виду разрушения способствует также процесс коррозии.

Частичное мартенситное превращение в процессе микроударного воздействия снижает энергию ударов (поскольку часть ее затрачивается на развитие превращения и ускоряет релаксацию напряжений в момент превращения). При образовании мартенсита увеличивается прочность и следовательно сопротивление развитию трещин..

б) Стали, износостойкие в условиях динамических нагрузок. Для деталей, работающих в условиях трения скольжения и высоких механических давлений и ударов применяют аустенитные стали с высоким содержанием углерода. Характерной является высокомарганцовистая сталь. Она имеет низкий предел текучести. При ударах и давлении в поверхностом слое образуется мартенсит, что сильно упрочняет сталь.

Однако, сталь не имеет достаточно высокой износостойкости при отсутствии повышенных давлений, например, при абразивном износе.

Пружинные стали и сплавы. Эти сплавы используются при различных напряжениях, температурах и в разных средах. Разнообразные по составу и свойствам пружинные стали целесообразно распределить на стали и сплавы:

а) с высокими механическими свойствами - это углеродистые и легированные стали, которые должны в первую очередь иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям (предел упругости или предел пропорциональности), высокий предел выносливости и повышенную релаксационную стойкость при достаточной вязкости и пластичности;

б) с дополнительными химическими и физическими свойствами, немагнитные коррозионно-стойкие, с низким и постоянным температурным коэффициентом модуля упругости, с высокой электропроводностью.

Автоматные стали используются для деталей не очень ответственного назначения, не испытывающих динамических нагрузок и изготавливаемых резанием,в частности, для винтов, гаек, болтов.

Для уменьшения трения в подобных сопряженных деталях надо получать при резании поверхность повышенной чистоты. Это достигается если обрабатываемая сталь имеет пониженную вязкость. Требуемое в данном случае ухудшение вязкости (что облегчается дроблением стружки) создается:

- повышенным содержанием серы и фосфора (для возможности горячей деформации и предупреждения красноломкости в в таких сталях необходимо одновременно увеличивать содержание марганца);

- добавлением свинца (0,15-0,30%) в этом случае возрастает производительность резания; механические свойств таких сталей выше, чем сталей с повышенным содержанием серы и фосфора, в которых при этом сохраняется повышенное содержание серы и фосфора.

Для отличия автоматных сталей в марке перед цифрами, обозначающими содержание углерода указывается буква А (для сталей с серой и фосфором) и буквы АС (для сталей со свинцом).

Дата добавления: 2014-01-07