Стали специального назначения реферат
Обновлено: 05.07.2024
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
Содержание
Введение…………………………………………………………………………3
1. Строение и свойства конструкционных сталей……………………………4
2. Классификация конструкционных сталей………………………………….6
3. Конструкционные легированные стали…………………………………….8
3.1 Конструкционные низколегированные стали ……………………………8
3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали …………………..8
4. Конструкционные машиностроительные стали и плавы специального назначения ……………………………………………………………………. 12
4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали……………………….…12
4.2 Коррозионностойкие стали ………………………………………………..13
4.3 Жаростойкие стали ………………………………………………………. 14
4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы……………………. 16
Заключение……………………………………………………………………. 17
Список литературы………………………………………………………….….18
Прикрепленные файлы: 1 файл
Реферат (практика).docx
1. Строение и свойства конструкционных сталей……………………………4
2. Классификация конструкционных сталей………………………………….6
3. Конструкционные легированные стали…………………………………….8
3.1 Конструкционные низколегированные стали ……………………………8
3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали …………………..8
4. Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения ……………………………………………………………………. 12
4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали……………………….…12
4.2 Коррозионностойкие стали ………………………………………………..13
4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы……………………. 16
Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых - эксплуатационные, технологические и экономические.
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.
Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуны и особенно стали.
Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.
1. Строение и свойства конструкционных сталей
Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми другими химическими элементами. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14%. Однако в сталях, применяемых в машиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%.
При содержании углерода более 1,3% стали становятся слишком хрупкими, и существенно затрудняется их обработка режущим инструментом.
На сегодняшний день стали являются основным конструкционным материалом для изготовления нагруженных деталей машин, сооружений, элементов подвижного состава. Кроме железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси. Сталь - основной металлический материал, широко применяемый для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.
Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX века. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки. конструкционный сталь закалка
Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного хозяйства.
Если сталь имеет в своем составе только железо и углерод (Fе, С) и некоторое количество постоянной примеси, то такую сталь называют углеродистой. Если в углеродистую сталь специально введены один или несколько так называемых легирующих элементов (Сr, Ni, W и др.) с целью улучшения ее служебных и технологических свойств, то такую сталь называют легированной. При легировании могут возникать новые свойства, не присущие углеродистым сталям.
2. Классификация конструкционных сталей
Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению.
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы: малоуглеродистые - менее 0,3% С; среднеуглеродистые - 0,3-0,7% С; высокоуглеродистые - более 0,7 %С.
Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.
В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: низколегированные - менее 2,5%; среднелегированные - 2,5-10%; высоколегированные - более 10%. Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:
- в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
- в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный.
К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.
По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные.
Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойства стали, а также её технологичность во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей - серы и фосфора.
Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными.
По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные.
Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования.
Конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.
3. Конструкционные легированные стали
3.1 Конструкционные низколегированные стали
Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15. 30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.
Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической обработки. Низколегированные стали не образуют при сварке холодных и горячих трещин.
3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали
Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки. Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30. 45).
Хромистые стали (15Х,15ХА). Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Введение 0,1 – 0,2% ванадия повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Введение бора увеличивает прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.
Хромованадиевые стали(15ХФ). Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.
Хромоникелевые стали(12ХН3А,12Х2Н4А). Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках (крупные детали ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки). Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению. Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.
Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.
Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.
Хромомарганцевые стали (20ХГ, 25ХГТ). Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.
Хромомарганцевые стали применяют в автомобильной и тракторной промышленности, а также в станкостроении.
Хромомарганцевоникелевые стали (20ХГНМ, 15ХГН2ТА). Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.
Хромокремнемерганцевые стали (хромансил) (20ХГС, 25ХГС). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).
Хромоникельмолибденовые стали (40ХН2МА). Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.
Хромоникельмолибденованадиевые стали (38ХНЗМФ, 36Х2Н2МФА) . Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.
Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованади- евых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.
Специальными (или легированными) называются стали, особые свойства которых получаются за счет введения в их состав специальных добавок (легирующих элементов). В качестве таких добавок к простой углеродистой стали употребляют никель, хром, вольфрам, молибден, медь, ванадий, титан, кобальт, алюминий, цирконий и др.; к специальным также относят те стали, в которых содержание Мn или Si превосходит обычное для простых углеродистых сталей.
КЛАССИФИКАЦИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Классификация по роду примесей и назначению. В зависимости от рода специальной примеси сталь называется марганцевой, никелевой, хромоникелевой и т. п., а в соответствии с назначением — машиноподелочной (конструкционной), инструментальной и прецизионной; последнее название присваивается сталям, предназначенным для работы в особых условиях, например, для изготовления физических приборов, деталей холодильных машин, для работы при высоких температурах, при резких переменах температур и т. д.
Классификация по структуре. Критические точки на кривых охлаждения специальных сталей по сравнению с критическими точками простых углеродистых сталей обычно смещены книзу. Таким образом, при охлаждении специальных сталей вследствие большого торможения превращений можно и при сравнительно медленном охлаждении получить структуру сорбита, мартенсита и даже аустенита.
Большой гистерезис, свойственный специальным сталям, дает возможность получения таких сортов стали, как самозакаливающаяся, т. е. дающих мартенситную структуру даже при медленном охлаждении (на воздухе).
В зависимости от того, какая структура получается при охлаждении на воздухе той или другой специальной стали, их разделяют на четыре главных класса: перлитный, мартенситный, аустениткый и карбидный (ледебуритный).
Перлитный класс. Стали перлитного класса получаются при добавлении к стали небольших количеств специальных примесей. Критическая точка Аr1 у сталей этого класса понижается незначительно; при изменении скорости охлаждения стали перлитного класса дают все переходные структуры. Некоторые специальные примеси в сталях перлитного класса, образуя твердые растворы с железом, дают дополнительное повышение твердости стали. Вследствие большой чувствительности к термической обработке стали перлитного класса являются весьма ценным машиноподелочным материалом, они довольно вязки и хорошо обрабатываются резцом.
Мартенситный класс. Стали мартенситного класса содержат более значительное количество примесей, чем стали перлитного класса, и отличаются весьма большой твердостью и хрупкостью. Большая твердость этих сталей, затрудняющая их механическую обработку, ограничивает их применение.
Аустенитный класс. Стали аустенитного класса содержат еще большее количество примесей, чем стали мартенситного класса; структура аустенита сохраняется у них и при медленном охлаждении. Их свойства подобны свойствам аустенита простых углеродистых сталей; они имеют максимальную плотность, низкий предел упругости, большую вязкость, хорошо сопротивляются ударному действию и истиранию и немагнитны.
Некоторые из сталей аустенитного класса слабо окисляются и обнаруживают большую сопротивляемость ржавлению и разъеданию кислотами (нержавеющая сталь).
Отрицательным качеством стали аустенитного класса является трудность обработки ее резцом.
Вследствие особых физических и химических качеств эти стали получили широкое применение в технике; многие сорта стали с особыми физическими качествами принадлежат к аустенитному классу; к этому же классу принадлежат весьма распространенная износоустойчивая марганцевая сталь, содержащая около 13% Мn, и высоконикелевые стали, известные под названиями инвар и платинит, а также нержавеющие и жаростойкие стали.
При ковке этих сталей ледебуритная составляющая разрушается, а карбиды распределяются более или менее равномерно в общей массе стали.
Структура кованой дедебуритной стали похожа на структуру заэвтектоидной стали, но с большим количеством карбидных включений, которые без расплавления стали нельзя целиком перевести в твердый раствор, что можно сделать с обычной заэвтектоидной сталью.
Стали карбидного класса применяют главным образом в качестве инструментальных; сюда относятся, например, хромовольфрамовая и хромомолибденовая быстрорежущие стали и высокохромистая сталь, применяемая для волочильных досок.
При маркировке специальных сталей по ГОСТ приняты следующие обозначения входящих в их состав элементов: Н — никель, X — хром, Г — марганец, С — кремний, В — вольфрам, Ф — ванадий, Ю — алюминий, М — молибден, К — кобальт, Д — медь, Т — титан. Каждая марка специальной стали состоит из определенного сочетания цифр и букв. Первые две цифры показывают количество сотых долей процента углерода; после соответствующей буквы следует цифра, показывающая среднее содержание в процентах обозначенного буквой элемента. Пример: сталь марки 12Х2Н4А содержит 0,12% углерода, около 2% хрома и около 4% никеля; буквой А отмечаются высококачественные стали.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА СВОЙСТВА СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Различного рода примеси оказывают разное влияние на свойства специальных сталей.
Наиболее характерные влияния, свойственные элементам, вводимым в сталь в качестве примесей, указаны в табл. 15; знак + поставлен в графе элементов, обладающих способностью увеличивать соответствующие свойства.
ПРИМЕРЫ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Марганцевая сталь. Марганцевая сталь была первой специальной сталью, получившей практическое применение (1840 г.).
В обыкновенной углеродистой стали содержание марганца не превышает 0,8%, а в специальных достигает 14,0%.
Меняя содержание марганца и углерода, можно получить марганцевую сталь различных классов — перлитного, мартенситного или аустенитного. На фиг. 132 представлена структурная диаграмма марганцевой стали: по оси X здесь отложено содержание углерода, а по оси Y — марганца.
Из диаграммы следует, что при одном и том же содержании углерода и различном содержании марганца структура медленно охлаждаемой стали может быть различной, например, при 0,4% С и 6,0% Мn стали будет свойственна мартенситная структура (точка а диаграммы), а при том же содержании С и 12% Мn — аустенитная (точка b диаграммы). При 3,5% Мn и 0,5% С медленно охлажденная марганцевая сталь получает перлитную структуру (точка с диаграммы), а при том же содержании углерода и 10,0% Мn — аустенитную (точка d диаграммы).
Марганец способствует росту зерна и сильно уменьшает теплопроводность стали. Пониженная теплопроводность марганцевой стали заставляет осторожно обращаться с ней при нагреве и охлаждении во избежание появления трещин в обрабатываемом изделии.
Вследствие большого сродства марганца с кислородом марганцевая сталь плохо сваривается кузнечным способом.
При высоких температурах марганцевая сталь обладает хорошей ковкостью. Применяют марганцевую сталь следующих марок:
1) среднемарганцовистая (1,0—1,8% Мn и до 0,5% С) для рельсов, валов, зубчатых колес и пр.;
2) высокомарганцовистая сталь аустенитного класса (1,0—1,5% С и 12,0—-14,0% Мn), применяемая для изготовления деталей, предназначаемых для работы на удар и истирание, например, для железнодорожных крестовин,
частей дробильных машин, ковшей землечерпалок.
Вследствие трудности обработки такой стали резанием изделия из нее получают только путем отливки.
Наилучшие качества высокомарганцовистая сталь получает при закалке в холодной воде с нагрева около 1000°; при медленном охлаждении происходит выпадение карбидов, располагающихся между зернами аустенита, сталь становится хрупкой и теряет основное свое свойство — вязкость.
Марганцевую сталь можно обрабатывать давлением и в холодном состоянии, например, из нее возможна протяжка проволоки. Для устранения наклепа марганцевую сталь следует подвергать нагреву до 1000—1100° и закаливать в холодной воде.
Влияние характера обработки на механические свойства марганцевой стали можно видеть из табл. 16, составленной на основании испытаний стали (0,85% С и 14,01% Мn).
На фиг. 133 дана фотография микроструктуры такой стали после отливки; структура стали — аустенит и карбиды по границам зерен аустенита.
Марганцевые стали аустенитного класса немагнитны.
Хромистая сталь. На фиг. 134 приведена структурная диаграмма хромистых сталей. Из диаграммы следует, что в зависимости от количества хрома при содержании углерода около 0,45% могут быть получены хромистые стали всех классов. Добавка хрома в количестве около 1% оказывает большое влияние на прокаливаемость стали и тормозит процесс отпуска ее.
Хром является сильным карбидообразующим элементом, поэтому в машиностроении широко распространены цементуемые малоуглеродистые стали с добавкой хрома в количестве до 1,0% (стали марок 15Х и 20Х).
Большая чувствительность хромистых сталей перлитного класса к термической обработке и недефицитность хрома обусловливают широкое распространение ее в машиностроении.
Одной из распространенных хромистых машиноподелочных сталей является сталь марки 38ХА (0,34—0,42% С; 0,5—0,8% Мn; 0,17—0,37% Si; 0,8—1,1% Сг). Так как хром повышает критические точки Ас1 и Ас3, нагрев под закалку этой стали необходимо производить до более высоких температур, чем для углеродистых (приблизительно до 860°). После закалки обычно проводят высокий отпуск (550—600°). В состоянии поставки (в отожженном состоянии) предел прочности стали 38ХА составляет 50 кг/мм 2 ; после закалки и отпуска — около 90 кг/мм 2 . Вследствие большой прокаливаемости этой стали ее механические качества с увеличением сечения изделия уменьшаются не так интенсивно, как у машиноподелочных сталей без примеси хрома.
Хром в количестве около 1 % вводят также в инструментальную сталь для повышения твердости и улучшения режущих ее свойств. Хромистые инструментальные стали перлитного класса применяют для изготовления бритв, хирургического инструмента (сталь Х05), мерительного и режущего инструмента, от которого требуется высокая твердость (сталь X и 9Х).
Подобные же стали используют для изготовления шариковых и роликовых подшипников (например, сталь ШХ15).
В качестве примера хромистой инструментальной стали карбидного класса можно привести сталь марки Х12 (2,0—2,3% С и 12—13% Сr). Эту сталь используют для изготовления матриц, штампов, волочильных досок, сверл и другого инструмента, от которого требуется высокая твердость и хорошая стойкость на истирание.
Быстрорежущая сталь. Выше были рассмотрены специальные стали, легированные одним элементом— марганцем или хромом. Однако в настоящее время чаще всего используют специальные стали, легированные несколькими элементами, например, хромомарганцевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.
Необходимость усложнения составов сталей обусловлена все возрастающими требованиями техники. Типичным примером такой сложнолегированной стали является инструментальная быстрорежущая сталь.
Основными специальными примесями в быстрорежущей стали являются хром и вольфрам. По структуре эта сталь относится к карбидному классу.
Основное свойство быстрорежущей стали заключается в ее способности после специальной термической обработки не терять твердости при нагреве до 600°, вследствие чего резцы, изготовленные из такой стали, допускают большие скорости резания. Быстрорежущая сталь обладает также свойством самозакаливаемости.
Способность вольфрамовой стали самозакаливаться была впервые отмечена в 1868 г. Одновременно было обращено внимание на то, что насколько такая сталь легко закаливается, настолько трудно она отпускается. Последнее свойство особенно ценно в случае применения этой стали для изготовления металлорежущего инструмента, который может нагреваться в процессе работы без уменьшения твердости.
Первая сталь, применявшаяся для изготовления резцов, содержала 5—8% W, 2% Мn и 2,0—2.5% С; впоследствии состав ее постепенно менялся: в нее введен был хром, уменьшено количество углерода, марганца и кремния. Кроме того, было выяснено значение и установлен режим термической обработки для повышения полезных свойств этой стали.
Сохранение быстрорежущей сталью твердости при нагреве объясняется ее способностью сохранять мартенситную структуру при нагреве до 600°.
Термическая обработка прокованного инструмента из быстрорежущей стали состоит из следующих операций:
1) медленного нагрева до 700°;
2) быстрого нагрева от 700° до температуры, близкой к 1300° (начало оплавления кромок резца);
3) быстрого охлаждения от 1300 до 600°;
4) медленного охлаждения от 600° до температуры окружающего воздуха;
5) медленного нагрева до 550—600° и выдержки при этой температуре;
6) медленного охлаждения от 600° до температуры окружающего воздуха.
Медленность нагрева до 700° вызывается большой чувствительностью быстрорежущей стали к нагреву при низких температурах, вследствие чего при быстром нагреве она может давать трещины. Нагрев от 700° можно производить быстро, так как сталь становится достаточно вязкой и можно не опасаться появления трещин. Нагрев стали до температуры, близкой к температуре плавления, необходим для растворения карбидов хрома и вольфрама в аустените. Это обеспечит получение после охлаждения (закалки) наиболее стойкого против нагрева мартенсита. Большая устойчивость мартенсита при нагреве объясняется наличием в нем примесей вольфрама и хрома. Медленное охлаждение
этой стали от 600° вызывается теми же причинами, которые обусловливают медленность ее нагрева до 700° в начале термической обработки. Вторичный нагрев до 600° производят с целью превращения остаточного аустенита (частично оставшегося после закалки) в мартенсит. Таким образом, этот вторичный нагрев, называемый отпуском быстрорежущей стали, увеличивает ее твердость. Последние операции (отпуск) обычно проводят многократно (до 3 раз).
На фиг. 135 дана схема описанного выше процесса термической обработки быстрорежущей стали. На фиг. 136 дана фотография микроструктуры закаленной быстрорежущей стали до отпуска; здесь структура аустенито-мартенситная с включениями карбидов.
На фиг. 137 дана фотография микроструктуры быстрорежущей стали после отпуска до 600°; здесь видна мартенситная структура, обладающая большей твердостью, чем предыдущая структура. Приводим в виде примера химический
состав одной из марок быстрорежущей стали РФ1: 0,70—0,80% С; до 0,40% Мn; до 0,40% Si; 3,8—4,6% Сr; 17,5—19,0% W; 1,0—1,4% V; до 0,20% Ni.
При применении инструментов из быстрорежущей стали можно увеличивать скорость резания по сравнению со скоростью при работе инструментом из обычной углеродистой стали в 6—7 раз.
В настоящее время быстрорежущая сталь получила широкое применение и как материал для изготовления штампов при горячей штамповке, так как штампы при соприкосновении с заготовкой, нагреваемой часто до 1300°, сильно разогреваются и в случае изготовления их из простой углеродистой стали утрачивают необходимую твердость.
Наряду с использованием высоковольфрамовой быстрорежущей стали типа РФ1 применяются также и менее легированные вольфрамом стали, являющиеся во многих случаях заменителями быстрорежущей; например, сталь марки ЭИ184, содержащая 3,6.—4,8% W; 7,0—8,0% Сr; 1,0—1,5% V и ряд других. Заменители быстрорежущей стали обладают по сравнению с ней несколько меньшей красностойкостью и твердостью.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали относятся к специальным сталям и идут на изготовление деталей, работающих под воздействием агрессивных сред. Эти стали при эксплуатации должны обладать не только определенными механическими свойствами, но и высокой коррозионной стойкостью. Наиболее часто в таких случаях используются хромистые и хромоникелевые стали.
Хромистые нержавеющие стали содержат 0,1. 0,45 % углерода и не менее 13 % хрома. Они сопротивляются коррозии при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, азотной и многих органических кислотах. В морской воде они подвержены коррозионному растрескиванию.
Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Стали 12X13 и 20X13 доэвтектоидные и в отожженном состоянии их структура состоит из хромистого феррита и перлита. После закалки с температуры 1000. 1100 °С в масле и отпуска при 700. 750 °С структура стали состоит из феррита и карбидов хрома. Твердость стали 200. 250 НВ. Эти стали хорошо свариваются, штам-■ пуются и идут на изготовление лопаток гидравлических турбин, емкостей, арматуры.
Сталь 30X13 эвтектоидная и имеет перлитную структуру, 40X13 - заэвтектоидная, в структуре которой дополнительно образуется легированный цементит и карбиды хрома. После закалки с 1000. 1050 °С в масле и отпуска при 180. 200 °С структура этих сталей состоит из мартенсита с высокой твердостью (50. 60 HRC3) и достаточной коррозионной стойкостью. Эти стали используются для изготовления шестерен, пружин, хирургического инструмента и т. д.
Хромоникелевые нержавеющие стали 04Х18Н10,08Х18Н10,12Х18Н10Т содержат большое количество хрома и никеля, мало углерода и относятся к сталям аустенитного класса, в структуре которых иногда присутствуют карбиды хрома. Они используются в тех же средах, что и хромистые, но могут работать и при повышенных температурах. Эти стали технологичны, хорошо обрабатываются давлением и сваркой.
Структура сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля, а также вида термической обработки, которой они подвергнуты. Термическая обработка этих сталей заключается в нагреве и выдержке при 1100. 1150 °С с целью более полного растворения карбидов в ау-стените и закалке в воде для предотвращения выделения карбидов. Аустенитные стали не склонны к межкристаллитнои коррозии из-за малого содержания углерода и дополнительного легирования титаном, поэтому их называют стабилизированными. Они используются в авиа-, судо- и машиностроении.
Жаростойкие и жаропрочные стали относятся к специальным сталям, которые предназначены для изготовления деталей, стойких к химическому разрушению поверхности при высоких температурах (выше 550 °С). Жаростойкостью называется способность материала сопротивляться химическому действию окружающей среды при высокой температуре'.
При эксплуатации в среде нагретого воздуха и в продуктах сгорания топлива происходит окисление стали, на поверхности металла образуется рыхлый оксид железа FeO. На интенсивность окисления влияет состав и строение оксидной пленки: если она пористая, окисление происходит интенсивно, если плотная - окисление замедляется или даже совершенно прекращается. Хром, кремний и алюминий являются теми элементами, которые образуют плотные оксиды.
Для уменьшения интенсивности окисления сталей при повышении рабочих температур необходимо увеличивать степень их легиро-ванности. Сталь 15X5 жаростойка до температур 700 °С; 12X17 - до 900 °С; 15X28 - до 1110. 1150 °С. Структура стали на жаростойкость не влияет.
Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению при высоких температурах. Оценивается жаропрочность испытанием материала на растяжение при высоких температурах. Так как напряжение, вызывающее разрушение металла в условиях повышенных температур, сильно зависит от продолжительности приложения нагрузки, при тестировании материала учитывается время действия нагрузки. По сопротивлению пластической деформации определяется предел ползучести, а по сопротивлению разрушения - предел длительной прочности.
Например, предел ползучести ст^,,^ =100 МПа означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при температуре 550 °С в материале появится пластическая деформация 1 %; предел длительной прочности ст,6°°00 = 130 МПа означает, что при температуре 600 °С материал выдержит действие напряжения 130 МПа в течение 10 000 ч. На повышение жаропрочности влияют:
□ высокая температура плавления основного металла, наличие в структуре сплава твердого раствора и мелкодисперсных частиц упрочняющей фазы;
□ пластическая деформация, вызывающая наклеп;
□ высокая температура рекристаллизации;
□ термическая и термомеханическая обработка;
□ введение в жаропрочные стали таких элементов, как бор, цезий, ниобий, цирконий в десятых, сотых и даже тысячных долях процента.
Основными жаропрочными материалами являются перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали, используемые при температурах 450. 700 °С.
Перлитные жаропрочные стали содержат 0,08. 0,15 % углерода, легированы кобальтом, молибденом, марганцем, хромом (12Х1МФ, 25Х1МФ). После нормализации с нагревом до 1000 °С и отпуска при температуре 650. 750 °С в течение 2. 3ч стали имеют структуру пластинчатого перлита. Эти стали предназначены для длительной эксплуатации при температуре 450. 580 °С и используются главным образом в котлостроении. Критерием жаропрочности для них является предел ползучести с допустимой деформацией 1 % за 104 или 105 ч.
Мартенситные жаропрочные стали содержат 0,10. 15 % углерода, 10. 12 % хрома и легированы молибденом-, ванадием, ниобием,-вольфрамом (20Х12ВНМФ, 15X11МФ, 11Х11Н2В2МФ). Стали, содержащие до.0,55 % углерода, 5. 15 % хромай 1,5. 3 % кремния, получили название силъхромы. Это 40Х6С, 40Х9С2, 40X10С2М. Жаропрочные свойства сильхромов возрастают по мере увеличения степени легиро-ванности сплава.
Стали мартенситного класса после закалки или нормализации с температур 950. 1100 °С (для растворения карбидов) и отпуска при 600.. .740 °С имеют структуру легированного феррита и мелких карбидов. Эти стали глубоко прокаливаются и предназначены для длительной эксплуатации при температуре до 600 °С. Из них изготавливают детали паровых турбин (диски, лопатки, бандажи, диафрагмы, роторы), а также трубы и крепежные детали.
Сильхромы закаливают с температуры свыше 1000 °С и отпускают при 720. 780 °С. Применяют сильхромы для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей моторов с рабочими температурами в интервале 600. 900 °С. При более сложных условиях эксплуатации клапаны мощных двигателей изготавливают из сталей аустенитного класса.
Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н20ТЗР) содержат около ОД % углерода и легированы хромом и никелем. Содержание хрома и никеля выбирают такое, чтобы получить устойчивый аустенит, не склонный к фазовым превращениям. Такие элементы, как молибден, ниобий, титан, алюминий, вольфрам и др., вводят в сталь для повышения жаропрочности, так как они образуют карбидные и интерметаллидные фазы-упрочнители. В результате закалки с 1050. 1200 °С получают высоколегированный твердый раствор. В процессе старения при 600. 800 °С происходит выделение из аустенита мелкодисперсных фаз, упрочняющих сталь, благодаря чему увеличивается сопротивление ползучести. Эти стали применяются для изготовления деталей, работающих при температуре 500. ..700 °С (например, клапаны двигателей, лопатки газовых турбин и т. д.).
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет 2,14 % (теоретически). На практике концентрация углерода составляет не более 1,5 %. Кроме углерода в стали находятся постоянные примеси: кремний, марганец, сера, фосфор и другие химические элементы. Производство стали заключается во вторичной переработке передельного белого чугуна различными способами: мартеновским, конвертерным, электроплавкой и др. Сущность производства стали заключается в удалении углерода и других химических элементов в процессе плавки шихты, состоящей из жидкого или чушкового чугуна, стального лома, железной руды и известняка. Плавку производят в различных сталелитейных агрегатах: мартеновских печах, конвертерах, электродуговых, электроиндукционных и в других металлургических агрегатах.
Наряду с чугунами сталь также является основным конструкционным материалом в машиностроении и других отраслях промышленного производства.
В обычных условиях применяются простые углеродистые стали; при высокой температуре и активной среде — специальные легированные стали (например, для изготовления насоса для перекачки кислот, механизмов, работающих в морской воде, и др.).
В связи с этим черная металлургия нашей страны выпускает стали с различными физико-химическими и механическими свойствами. Все отрасли промышленности получают от металлургов стали различных марок, сортаментов и наименований. Запомнить это многообразие сталей, поставляемых металлургами, практически невозможно, поэтому наука о металлах — металловедение — классифицирует все выпускаемые стали по различным признакам. Каждый квалифицированный рабочий должен не только запоминать отдельные марки сталей, а знать принципы классификации этих сталей (рис. 1).
Рис. 1. Классификация сталей
По химическому составу стали и сплавы подразделяются на две большие группы: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали в своем составе содержат железо, углерод и постоянные примеси, присущие железоуглеродистым сплавам. Другие химические элементы в углеродистых сталях отсутствуют. Углеродистые стали по массовой доле углерода подразделяются на низкоуглеродистые (до 0,3 % углерода), среднеуглеродистые (0,3 … 0,6 % углерода) и высокоуглеродистые (более 0,6 % углерода). Легированные стали кроме углерода содержат различные химические элементы, как металлы, так и неметаллы. Эти элементы вводятся в процессе плавки для получения более высоких физикохимических и механических свойств, чем в углеродистых сталях.
Легировать — значит сплавлять, соединять, поэтому химические элементы, вводимые в сталь, называются легирующими элементами, а стали, сплавленные с ними, получили название легированных сталей.
Качество сталей зависит от особенностей металлургических процессов, перерабатываемого сырья, вида плавки и других факторов. Эти факторы определяют химический состав сталей, наличие в них вредных примесей — серы и фосфора, а также наличие различных газов: азота, водорода и кислорода. Вредные примеси и присутствующие в них газы придают сталям отрицательные физико-химические и механико-технологические свойства, т. е. ухудшают их качество. В связи с этим по качеству стали, как углеродистые, так и легированные, подразделяются на четыре группы: стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные.
Стали обыкновенного качества содержат 0,045 … 0,060 % серы, 0,04 … 0,07 % фосфора.
Качественные стали изготавливаются с массовой долей серы не более 0,04 %, фосфора — 0,035 … 0,040 %. Качественные стали бывают как углеродистые, так и легированные.
Высококачественные углеродистые и легированные стали содержат не более 0,02 % серы и 0,03 % фосфора.
Особовысококачественные стали имеют массовую долю серы не более 0,015 %, фосфора — не более 0,025 %. Легированные особовысококачественные стали получают методами электрошлакового или вакуумно-дугового переплава.
По назначению углеродистые и легированные стали и сплавы подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные.
Конструкционные стали, как углеродистые, так и легированные, идут на изготовление различных деталей машин, сварных строительных конструкций и т. д. К этим сталям предъявляются определенные требования по химическому составу, механическим, технологическим, эксплуатационным и химическим свойствам. Это могут быть цементуемые, улучшаемые и высокопрочные стали. Одни из этих сталей подвергаются химико-термической обработке, другие — только термической обработке. По технологическим признакам конструкционные стали подразделяются на штампуемые, свариваемые, литейные и высокой обрабатываемости резанием (автоматные). По назначению эти стали могут быть рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, магнитные, электротехнические, строительные и др.
По химическим свойствам конструкционные стали подразделяются на коррозионно-стойкие, кислотостойкие, окалиностойкие и др. В зависимости от химической стойкости эти группы сталей выпускаются конструкционные и специального назначения.
К конструкционным углеродистым сталям относятся стали обыкновенного качества (марок Ст0, Ст1 и т. д.), а также качественные стали (марок 05, 10, 15 и т. д.). К легированным конструкционным сталям относится большая группа низко- и среднелегированных сталей, подвергаемых химико-термической и термической обработке (например, 20Х, 15Г, 15ХФ, 40Х, 45ХН и др.).
Инструментальные углеродистые и легированные стали идут на изготовление режущего, измерительного и ударного инструмента, штампов для деформирования в горячем и холодном состоянии. К инструментальным углеродистым и легированным сталям предъявляются высокие требования по прокаливаемости, красностойкости, стойкости (время работы от заточки до заточки) и др.
Специальные легированные стали и сплавы — это, как правило, конструкционные материалы со специальными свойствами. К ним относятся коррозионно-стойкие, жаростойкие, магнитные, электротехнические, с высоким электрическим сопротивлением, теплостойкие стали и др. Эту группу составляют высоколегированные стали и сплавы, имеющие массовую долю легирующих элементов свыше 10 %. Для легирования применяют хром, никель, марганец и др. Применение тех или иных легирующих элементов определяется требуемыми свойствами. Например, коррозионностойкие стали должны иметь массовую долю хрома не менее 13 %, жаростойкие — в зависимости от требуемой температуры — 9 … 17 % хрома, 2 % кремния. Отдельные марки, кроме того, содержат никель или титан (например, 40Х9С2, 06Х17Г и др.).
По способу раскисления стали подразделяются на три категории: кипящие, спокойные и полуспокойные.
Раскисление — это процесс удаления из стали в жидком состоянии оксида железа (FеО), который образуется в процессе плавки и придает стали активную склонность к коррозии. Кроме того, в процессе раскисления из стали в жидком состоянии удаляются азот и водород. Раскисление производят путем добавки перед выпуском стали в разливочный ковш кремния, марганца или алюминия в зависимости от требуемой степени раскисления.
Практически установлено, что при наличии в стали кислорода, вступившего в реакцию с железом (FеО), при горячей деформации образуется высокая хрупкость. Кроме того, оксид железа способствует понижению прочности при отрицательных температурах и образует высокую склонность к межкристаллитной коррозии.
Кипящие стали раскисляют марганцем. При охлаждении стали в изложницах выделяются газы, которые создают ложное впечатление, что сталь при затвердевании кипит. Кипящие стали производят как обыкновенного качества, так и качественными. Как правило, эти стали бывают низкоуглеродистыми.
Спокойные стали раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. В этих сталях кислород практически полностью вступает в реакцию с раскислителями, всплывает вверх и удаляется со шлаком. При охлаждении они затвердевают спокойно, без газовыделения. Все легированные качественные и углеродистые стали выпускаются спокойными.
Полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными сталями. Их раскисляют марганцем и алюминием. Полуспокойные стали выпускают только углеродистыми.
На структуру стали большое влияние оказывают массовая доля углерода, легирующие элементы и состояние поставки. В связи с этим по структуре стали классифицируются в отожженном (равновесном) и нормализованном состоянии.
В отожженном состоянии структура сталей подразделяется на шесть классов:
- доэвтектоидные — структура феррита и перлита (см. рис. 2, а);
- эвтектоидные — структура перлита (см. рис. 2, б );
- заэвтектоидные — структура перлита и цементита;
- ледебуритные — структура первичного ледебурита или карбида (рис. 2, в);
- аустенитные — структура твердых растворов, перенасыщенных углеродом (рис. 2, г);
- ферритные — структура твердых растворов со слабо насыщенным углеродом.
Рис. 2. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в отожженном состоянии: а — ферритная; б — ферритно-перлитная; в — легированная ледебуритная сталь; г — легированная аустенитная сталь
Рис. 3. Микроструктура углеродистых и легированных сталей в нормализованном состоянии: а — сталь ферритного класса; б — сталь перлитного класса; в — сталь мартенситного класса
Углеродистые стали имеют структуру первых трех классов, легированные — всех шести классов. Ледебуритные, аустенитные и ферритные классы структур образуются при введении в состав никеля, ванадия, вольфрама и других легирующих элементов. При определенном сочетании возможно образование промежуточных классов структур, например полуферритных, полуаустенитных и др.
В нормализованном состоянии стали имеют четыре класса структур: ферритные, перлитные, мартенситные (рис. 3) и аустенитные.
Структура стали ферритного класса неустойчивая. В зависимости от скорости охлаждения на воздухе эта сталь может приобрести структуру перлита, троостита или сорбита. К ферритному классу относятся все углеродистые и низколегированные стали.
Низкоуглеродистые стали с массовой долей углерода до 0,15 %, легированные хромом (12 … 15 %), образуют устойчивую структуру феррита. При нагревании и охлаждении этот класс сталей свою структуру не меняет.
Стали мартенситного класса имеют высокую устойчивость, при охлаждении образуют твердую мелкодисперсную структуру. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса образуются при высокой массовой доле никеля и марганца в сочетании с хромом. Стали этого класса имеют высокую ударную вязкость.
2. Углеродистые конструкционные стали
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества (общего назначения). Сталь углеродистая обыкновенного качества (общего назначения) по ГОСТ 380—2005 выпускается в виде различного горячекатаного проката (Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст2кп, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст5Гсп, Ст6пс и др.).
Буквы Ст в маркировке сталей обозначают сталь обыкновенного качества; буква Г — повышенное содержание марганца. Буквы кп (сталь кипящая), пс (сталь полуспокойная), сп (сталь спокойная) обозначают способ раскисления. Цифры, стоящие после букв Ст, обозначают условный номер марки в зависимости от массовой доли химических элементов и механических свойств стали. Чем больше номер, тем больше углерода и других химических элементов в стали, а также выше ее механические свойства. В обычных марках массовая доля основного сплавляемого химического элемента (углерода) — 0,06 … 0,49 %, марганца — 0,25 … 0,65 %. При повышенном содержании марганца (0,8 … 1,1 %) сплав содержит 0,1 … 0,3 % кремния и по 0,05 … 0,06 % серы и фосфора. Кроме этих химических элементов углеродистые стали обыкновенного качества содержат хром, никель, медь в пределах 0,3 … 0,4 %, а отдельные марки сталей, выплавляемых из Керченских руд, содержат 0,08 % магния. Это случайные примеси, и в маркировке эти химические элементы не указываются.
Конструкционные углеродистые стали обыкновенного качества имеют прочность σв = 310 … 600 МПа (31 … 60 кгс/мм2); твердость в состоянии поставки 103 … 158 НВ; относительное удлинение δ = 15 … 35 %.
Эти стали хорошо свариваются, куются, штампуются и обрабатываются резанием. Закалке не подвергаются. Улучшение механических свойств деталей машин, изготовленных из этих сталей, производят путем цементации и только после этого осуществляют закалку с последующим отпуском. Температуру нагрева для закалки цементированных деталей выбирают в зависимости от диффузии углерода.
Стали марок Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2Гпс, Ст2сп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс и Ст3Гсп поставляются с гарантией свариваемости. В этом случае в нормативно-технической документации после марки указываются буквы св.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества применяется для изготовления сварных строительных конструкций, крепежных изделий, малонагруженных деталей машин, а также стандартных и нормализованных деталей: рукояток, кнопок, ручек, заглушек, пробок, петель шарнирных и т. д. (табл. 1).
Углеродистая конструкционная качественная сталь. Качественная углеродистая конструкционная сталь выпускается в виде различного сортового горячекатаного и калиброванного проката (ГОСТ 1050—88*) следующих марок: 05кп, 08кп, 08пс, 10пс, 15кп, 15пс, 15, 18кп, 20кп, 20пс, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 и 60. Сталь этой группы выпускается также в виде проката со специальной отделкой поверхности (серебрение) диаметром (или толщиной) до 250 мм.
Цифры в маркировке углеродистой конструкционной качественной стали указывают среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Например, сталь марки 05кп содержит не более 0,06 % углерода, сталь 10 — 0,07 … 0,14 %, сталь 50 — 0,47 … 0,55 %. Буквы кп, пс обозначают способ раскисления (кп — кипящие, пс — полуспокойные). В марках, где способ раскисления не указан, сталь спокойная. Сталь марки 58 (55п) — пониженной прокаливаемости, имеет массовую долю марганца 0,1 … 0,3 %.
Углеродистая качественная сталь содержит 0,05 … 0,65 % углерода, до 0,37 % кремния, 0,25 … 0,50 % (группа низкоуглеродистых сталей) или 0,5 … 0,8 % (группа среднеуглеродистых сталей) марганца. Серы во всех качественных сталях содержится не более 0,04 %, фосфора — не более 0,035 %. Кроме того, в сталях этой группы имеется медь и никель, массовая доля которых не должна превышать 0,25 % для каждого элемента.
Читайте также: