Лекция 8. Конструкционные и специальные стали и сплавы - раздел Высокие технологии, Онищенко В.И. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Ч 1 и 2. – Волгоград.: Изд. Волгогр. Гос. С.-х. акад – 2006. – 272 с Конструкционными Называют Стали, Предназначенные Для Изготовления Деталей Маш...
Конструкционными называют стали, предназначенные для изготовления деталей машин или механизмов и строительных конструкций. Они могут быть углеродистыми или легированными.
Углеродистые стали кроме железа и углерода содержат ряд технологических и вредных примесей.
Технологические примеси (Si до 0,37%, Mn до 0,8%, небольшие добавки Al) вводятся в сталь в процессе плавки с целью раскисления и удаления вредных примесей.
Вредные, но неизбежные примеси (S и P) попадают в сталь из сырьевых материалов. Сера в сплавах железа образует легкоплавкую эвтектику по границам зерен (Тэ=988 °С). При нагреве под ковку или штамповку (ТОМД>1000°С) сернистая эвтектика оплавляется и при последующем механическом воздействии ОМД в металле образуются надрывы и трещины. Это явление называется красноломкость стали. Аналогично влияние фосфора.
В зависимости от содержания S и P углеродистые стали делятся на стали обыкновенного качества (£0,050%S, £0,040%Р) и качественные стали (£0,040%S, £0,035%Р).
Для неответственных или малонагруженных деталей и конструкций используют углеродистые стали общего назначения (обыкновенного качества), которые могут поставляться с регламентируемым составом или с регламентируемыми свойствами, Маркировка сталей общего назначения Ст.1, Ст 2 и т.д. Кроме того, стали этого класса при плавке могут подвергаться не полному раскислению. В зависимости от степени раскисления в обозначении марки стали введены буквы: кп – кипящие (малораскисленные), пс – полуспокойные и сп –спокойные (раскисленные полностью).
Качественные углеродистые стали маркируются цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента в доэвтектоидных сталях и в десятых долях процента в эвтектоидных и заэвтектоидных, последние в начале марочного обозначения имеют букву У.
Например, сталь 20 содержит 0,20 %С, а сталь У10 – 1,0%С.
Углеродистые стали обычно объемной закалке не подвергают из-за низкой прокаливаемости.
Для изготовления ответственных и тяжелонагруженных деталей машин и конструкций, которые необходимо подвергать упрочнению термической обработкой для достижения требуемой конструкционной прочности, применяют легированные стали.
Легированные стали, помимо обычных примесей содержат т. н. легирующие элементы (напр.,— Cr, Ni, Mo, W, V, Nb, Ti и др.), введенные в состав сплавов для придания им определенных физических, химических или механических свойств, чаще всего с целью увеличения прокаливаемости и измельчения зерна.
Различают низколегированную (суммарное содержание легирующих элементов до 2,5%), среднелегированную (2,5-10%) и высоколегированную (св. 10%) сталь.
| Н- никель
| Б – ниобий
| Г – марганец
|
| Х – хром
| М – молибден
| Ю - алюминий
|
| Т - титан
| Ц – цирконий
| В - вольфрам
|
| Р – бор
| С – кремний
| К – кобальт
|
| Д - медь
| П – фосфор
| Ф - ванадий
|
| Ч - РЗМ
| А: в середине марки – азот; в начале – автоматная сталь; в конце – высокочественная (S и P £0,03%)
|
Маркировка легированных сталей обычно производится по химическому составу. На первом месте цифрами указано содержание углерода в сотых или десятых долях процента, аналогично маркировке качественных углеро-дистых сталей. Затем буквами зашифровы-ваются легирующие элементы, концентра-ция которых указана цифрами в % после соответствующей буквы
Специальные стали могут маркироваться с отклонениями от стандартного обозначения.
По назначению среди легированных сталей можно выделить следующие группы:
Цементуемые стали.Имеют низкое содержание углерода – 0,07%...0,25% и обычно комплексное легирование, цели которого:
-предотвратить рост зерна аустенита при длительных высокотемпературных (840-980°С) нагревах на этапе диффузионного насыщения поверхности углеродом или углеродом и азотом (Mo, Ti, Nb, РЗМ);
- обеспечить сквозную прокаливаемость (Cr, Si, Mn, Ni, B) при последующей закалке.
Для изделий простой конфигурации, не испытывающих высоких напряжений используют нелегированные или малолегированные стали: 10, 20, 15Х; - для тяжелонагруженных деталей, испытывающих ударные нагрузки, работающих в условиях низких температур: 18ХГТ, 20ХГНР, 20ХН3А, 25ХГНМФР.
Улучшаемые стали.Среднеуглеродистые (0,3-0,4%С) и среднелегированные (3-5% л.э. в сумме) стали. Легирование направлено на обеспечение сквозной прокаливаемости, т.к. улучшение – это объемная закалка, которая должна обеспечить получение мартенситной структуры во всем сечении детали, и высокий отпуск 550-600 °С. Кроме того легирующий комплекс часто содержит около 0,1% элементов, измельчающих зерна (V, Zr, Ti, Nb).
Свойства сталей в термоулучшенном состоянии близки, поэтому при выборе марки стали исходят из необходимой прокаливаемости.
Для деталей большого сечения выбирают комплексно легированные стали. Во избежание развития отпускной хрупкости для деталей большого сечения применяют стали, легированные молибденом, например 40 ХНМ, 30ХМ.
Для деталей, работающих в условиях Севера используют стали, содержащие никель, значительно повышающий ударную вязкость и хладноломкость стали, например сталь 40ХГНР.
Строительная и арматурная стали.Для строительных конструкций, мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и других конструкций, в которых обычно применяют сварные соединения, содержание углерода ограничивается £0,22…0,25%. Используются углеродистые стали обыкновенного качества, например Ст3, или низколегированные, например, 17ГС, 17ГСБ, 08Г2СФБ (Т50= -70°С).
Для армирования железобетонных конструкций используют пластины и прутки из стали марок Ст3, 35ГС, 20ХГ2Ц, 80С, 23Х2Г2Т в термообработанном или необработанном состоянии.
Пружинные стали.При работе пружин и рессор наиболее важными являются упругие свойства стали, поэтому необходимо получить высокий предел текучести sт. Высокие значения sт обеспечивает закалка с последующим средним отпуском 300-400°С.
Наибольшее распространение получили кремнистые и кремниймарганцовистые марки пружинных сталей с содержанием углерода 0,5-0,7%, например, 55С2, 60СГ, 60С2ХА.
Шарикоподшипниковая сталь.Элементы подшипников качения должны иметь высокую твердость, которая обеспечивается закалкой стали, с повышенным содержанием углерода (~1,0-1,1%).
Заэвтектоидная сталь подвергается неполной закалке из межкритического интервала температур от температуры Ас1+30…50°С и после закалки имеет структуру мартенсит с включениями избыточных карбидов. Низкий отпуск при 150-160°С практически не изменяет структуру и твердость стали, твердость >62HRC.
Для достижения сквозной прокаливаемости и дополнительного повышения твердости за счет легирования карбидов шарикоподшипниковую сталь легируют хромом в количестве 1,0-1,5%.
Поскольку эта сталь весьма специального назначения – преимущественно для подшипников качения, в маркировке это отражено буквой Ш, содержание углерода не отражено, а концентрация основного легирующего элемента хрома указано в десятых долях процента после буквы Х.
Наиболее распространены марки шарикоподшипниковой стали ШХ15, ШХ15ГС.
Для подшипников, работающих в агрессивных средах используют сталь Х18, состава ~1% С, 18%Cr, ост. Fe и примеси, после закалки от 1050°С в масле, обработки холодом при -70°С и низкого отпуска150-160°С, при твердости 60-61 HRC.
Для подшипников, работающих при повышенных температурах (400-500°С) используют сталь типа быстрорежущей, например Р9, но с пониженным содержанием вольфрама, чтобы избежать карбидной неоднородности.
Все темы данного раздела:
Лекция 1
Предмет материаловедения. Взаимосвязь структуры и свойств материалов.
Материаловедение – это наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами материалов, закономерности их изм
Взаимосвязь структуры и свойств материалов
Свойства материала определяются его структурой, которая по степени локальности может быть разделена на следующие ступени:
- макроструктура, составляющие которой различаются невооруженным г
Фазы и структурные составляющие металлических сплавов. Диаграммы состояния.
Основными техническими материалами являются металлические сплавы, состоящие из двух и более компонентов (металлов и неметаллов). Входящие в состав сплава компоненты, взаимодействуя между собой в, з
Диаграмма с идеальной эвтектикой
В диаграммах с эвтектикой линии ликвидуса и солидуса касаются друг друга в точке С, то есть существует такой сплав, который кристаллизуется не в интервале температур, а при постоянной температуре Т
Механические и специальные свойства материалов
Свойство – это качественная или количественная характеристика материала, определяющая общность или отличие его от других материалов и служащая основой выбора материала для использования его в конкр
Лекция 4. Формирование структур литых материалов. Литейные технологии
Расплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (зат
Форма первичных кристаллов и строение слитка.
Лекция 5. Железоуглеродистые сплавы. Система железо - графит и железо - цементит.
Наибольшее распространение среди конструкционных материалов имеют сплавы железа с углеродом: стали и чугуны.
Конечно, промышленные стали и чугуны являются многокомпонентными сплавами и сод
Железоуглеродистых сплавов
При смешении железа и углерода образуются следующие фазы:
- жидкий и твердые растворы углерода в железе, а также такие твердые фазы как, химическое соединение карбид железа Fe3C
Лекция 6. Основы термической обработки сталей и сплавов.
Стали, двухфазные алюминиевые бронзы, сплавы на основе титана претерпевают эвтектоидное превращение. Теоретической основой термической обработки таких сплавов являются следующие превращения при наг
Превращения в стали при нагреве
Таким образом при нагреве стали выше Ас1 происходит превращение обратное эвтектоидному:
П®А, или (a+Fe3C)®g.
В интервале температур Ас1 - Ас3
Превращения аустенита при охлаждении
При охлаждении ниже критической точки Аr3 в интервале Аr3-Аr1 из аустенита начинают выделяться в доэвтектоидных сталях избыточный ф
Превращения при отпуске закаленной стали
После закалки сталь имеет структуру тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Свежезакаленное состояние стали характеризуется крайней нестабильностью структуры и свойств, высокими остаточ
Изменение свойств стали при термической обработке
Закаленная сталь, имеет структуру тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита и характеризуется высокой твердостью, зависящей от содержания углерода.
Поверхностное упрочнение стальных изделий
Если наряду с работой в условиях сложного напряженного состояния, деталь подвергается интенсивному износу, применяют поверхностное упрочнение: используют поверхностную закалку, чаще всего с нагрева
Практические вопросы термической обработки стали
Закалка стали состоит в нагреве до температуры аустенитизации, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью не менее критической скорости закалки.
Температуру нагрева под
Специальные стали и сплавы.
Инструментальная сталь.Инструменты можно условно разделить на измерительные, штамповые и режущие, условия работы этих групп инструментов существенно разнятся, соответственно и треб
Коррозионностойкие (нержавеющие) и кислотостойкие стали и сплавы
Углеродистые и низколегированные стали под действием воды, воздуха и других сред могут подвергаться поверхностному разрушению – коррозии. В результате коррозии ежегодно теряется около 10% общего ко
Износостойкие стали и сплавы
Механизм износа разнообразен и зависит от условий изнашивания, но в общем виде он заключается в удалении ( вырывании) частиц металла с поверхности под действием внешних сил трения.
К износ
Титан и его сплавы
Титан существует в двух модификациях: ниже 883°C устойчива гексагональная a-модификация, плотность 4,505 кг/дм3; выше 883°C устойчива b-модификация с кубической объемно-центрированной решеткой и пл
Медь и её сплавы.
Кристаллическая решетка металлической меди кубическая гранецентрированная, плотность 8,92 г/см3, температура плавления 1083,4°C. Медь среди всех других металлов обладает одной из самых высоких тепл
Алюминий и его сплавы
По масштабам применения алюминий и его сплавы занимают второе место после железа и его сплавов. Широкое применение алюминия в различных областях техники и быта связано с совокупностью его физически
Сплавы на основе никеля
Никелевые сплавы применяются в основном как жаропрочные и коррозионностойкие материалы.
Чистый никель имеет низкий предел длительной прочности (
Лекция 14.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация веществ по электрическим свойствам в соответствии с зонной теорией
Все вещества в зависимости от их электрических свойств относят к диэл
Материалы высокой проводимости
Проводниковые материалы, кроме высокой электрической проводимости, должны иметь достаточную прочность, пластичность, коррозионную стойкость в атмосферных условиях и в некоторых случаях высокую изно
Сплавы с высоким электросопротивлением
Сплавы для нагревательных элементов печей
Сплавы для электронагревательных элементов печей являются жаростойкими проводниковыми материалами на основе никеля, хрома, железа и некоторых друг
Сверхпроводники и криопроводники
Особую группу материалов высокой электрической проводимости представляют сверхпроводники. Наличие у вещества практически бесконечной удельной проводимости было названо сверхпроводимостью
Полупроводниковые материалы
Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних возде
Полупроводниковые материалы
Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних возде
Электропроводность полупроводников
Появление электрического тока в полупроводнике возможно лишь тогда, когда часть электронов покидает заполненную валентную зону и переходит в зону проводимости, где они становятся носителями электри
Полупроводниковые химические соединения и материалы на их основе
Помимо элементов (Ge, Si), обладающих свойствами полупроводников, широкое применение в электротехнике получили полупроводниковые соединения - карбид кремния SiC, арсенид галлия GaAs, антимонид инди
Диэлектрические материалы
Назначение и классификация диэлектриков
Термины «электроизоляционный материал» и «диэлектрический материал» не совсем равнозначны. К основным электрическим свойствам диэлектриков наряду с
Газообразные диэлектрики
Электрическая прочность, характеризуемая напряжённостью однородного электрического поля, при которой происходит резкое, скачкообразное увеличение электрической проводимости (пр
Жидкие диэлектрики
В качестве диэлектриков применяют различные по химической природе и горючести жидкости – минеральные и растительные масла, а также синтетические жидкие вещества.
Синтетические жидкие диэлектрики
Ранее широко применялись синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, обладающих высокой термоокислительной и электрической стабильностью
Контактные материалы
В качестве контактных материалов для разрывных контактов, помимо чистых тугоплавких металлов (Сг, W), применяются различные сплавы и металлокерамические композиции на основе порошков серебра и окис
Магнитные материалы
Магнитная восприимчивость - величина, характеризующая способность вещества намагничиваться в магнитном поле. Вектор намагниченности М, т.е. магнитный момент единицы объема веще
Магнитомягкие материалы
Помимо малой коэрцитивной силы (Нс<4кА/м) магнитомягкие материалы должны обладать высокой магнитной проницаемости и большой индукцией насыщения, чтобы пропускать максимальный м
Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения
В приборостроении в ряде случаев требуются сплавы с самыми разнообразными свойствами, например, сплавы с коэффициентом линейного расширения, равным коэффициенту линейного расширения стекла, или с к
Формирование структур литых материалов. Литейные технологии
Расплав чистого металла при охлаждении ниже равновесной температуры плавления (зат
Форма первичных кристаллов и строение слитка.
Сварочное производство
Сварка— высокопроизводительный и универсальный технологический процесс получения неразъёмного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при и
Электроды для дуговой сварки и наплавки
При ручной дуговой сварке плавлением применяют неплавящиеся и плавящиеся электроды и некоторые другие вспомогательные материалы.
Неплавящиеся электроды предназн
Режимы ручной дуговой сварки плавящимся электродом
Под режимом сварки понимают совокупность условий протекания процесса сварки, обеспечивающих получение сварных соединений заданных размеров, формы и качества. При ручной
Виды и характеристика стружки
При обработке заготовок резанием образуется сливная стружка, стружка скалывания или надлома. При обработке пластичных материалов образуется сливная стружка в виде спл
Геометрия прямого токарного резца
Рассмотрим параметры режущего инструмента на примере прямого токарного проходного резца
Тепловыделение и износ инструмента
Сила резания — это сила сопротивления перемещению режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Результатом сопротивления металла заготовки процессу резания является возникновение реа
Инструментальные материалы
Основными требованиями к инструментальным материалам являются высокая твердость и теплостойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость до высоких температур, развивающихся в зоне резания.
Группа 0 — резервная
- группа 1 — токарные станки имеют типы
- - 0 — специализированные автоматы и полуавтоматы;
- - 1 — одношпиндельные автоматы и полуавтоматы;
Лезвийная обработка деталей машин
В лезвийной обработке (в зависимости от вида и направления движений резания, вида обработанной поверхности) можно выделить следующие технологические методы: точение, строгание, долбление, протягива
Отделочная обработка деталей машин
Отделочная обработка, т.е. финишные операции при изготовлении деталей позволяют получить обработанную поверхность с размерной точностью, соответствующей 4 —5-му квалитету и шероховатости Rz
Новости и инфо для студентов