Министерствообразования и науки РФ
СаратовскийГосударственный ТехническийУниверситетКафедра МВПО
Контрольная работа на тему
Конструкционные стали
По дисциплине МатериаловедениеВыполнил студент заочного отделения
ТрухманСергей Викторович
Саратов2006
Конструкционные стали и сплавы
Общими потребительскими требованиями кконструкционным сталям являются наличие у них определенного комплексамеханических свойств, обеспечивающего длительную и надежную работу материала вусловиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемостидавлением, резанием, закаливаемости, свариваемости и др.).
Необходимые технологическиеи потребительские свойства конструкционных сталей и сплавов, в основном,обеспечиваются рациональным выбором химического состава, улучшениемметаллургического качества, соответствующей термической обработкой иповерхностным упрочнением.
Конструкционные стали исплавы классифицируются по назначению на строительные(арматурные) и машиностроительные, которые, в свою очередь,подразделяются на группы общего и специального назначения.
Конструкционныестроительные стали и сплавы
Свойства конструкционныхстроительных сталей и сплавов определяются в основном механическими итехнологическими характеристиками. К механическим характеристикам относятся пределпрочности, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость; ктехнологическим — жидкотекучесть,свариваемость, ковкость и др.
Для конструкционныхстроительных сталей и сплавов используются углеродистые (0,10...0,20% С) инизколегированные (Si, Mn, Сг и др.) стали (ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-72). Эти стали,как правило, обыкновенного качества и поставляются по механическим свойствам.
Целью легирования этихсталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение болеевысоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессеохлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взаменуглеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того, чтобы упрочнениене сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости,содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталяхограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей являетсятакже их хорошая свариваемость.
Конструкционные строительныестали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве имашиностроении для сварных конструкций, в основном, без дополнительной термическойобработки. Так стали 14Г2, 18Г2, 16ГС, 10Г2С1, 14ХГС и 15ХСНД используются дляизготовления металлических конструкций, а стали 18Г2С, 25Г2С и 35ГС — дляармирования железобетонных конструкций. Конструкционные строительные сталипоставляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос. Кроме того,применяют следующие изделия из этой стали: заклепки, болты, гайки, шайбы,винты, гвозди, поковки, а также стальные канаты.
Конструкционныемашиностроительные стали и сплавы общего назначения
Основным потребительскимтребованием к конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общегоназначения является наличие определенного комплекса механических свойств при ихзаданном распределении по сечению изделия. Комплекс механических свойств, еслине предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности,пластичности, удельной работы деформации разрушения (ударной вязкости).
По химическому составу этистали (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71):
мало- и среднеуглеродистые — 0,05...0,65% С;
низко- и среднелегированные- Mn, Si, Cr, Niи др.
Большинство конструкционныхлегированных сталей относится к перлитному классу, а в равновесном состоянии — к группе доэвтектоидных. Легирующие элементыопределяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость,и, в меньшей степени, механические свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающихвязкость). Наиболее широко применяют марки ЗОХГСН2А, ЗОХГСН2МА, 25Х2ГНТРА,ЗОХ2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА.
Конструкционныемашиностроительные стали и сплавы общего назначения классифицируются по способуупрочнения: без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слоеи упрочняемые по всему объему.
Рекомендуемыми режимамитермической обработки углеродистых качественных конструкционных сталей взависимости от условий эксплуатации изделий являются нормализация, закалка сотпуском, поверхностная закалка с отпуском или без него.
Стали (08кп, Юкп, 15кп, 08, СтЗ), используемыебез термической обработки, поставляют, главным образом, в листах. Они должныиметь пониженное содержание углерода и кремния, что обеспечивает их хорошую деформируемость (штампуемость, вытяжку,выдавливание и др.) в холодном состоянии. Штампуемостьлистовой стали ухудшается при наличие в ней крупного и неоднородного по размерамзерна, третичного цементита и др. структурных неодноррдностей.Для холодной штамповки из листовой стали в автомобилестроении используютсястали 09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 12ХМ и др.
При требовании высокойпрочности поверхностного слоя используют нитроцементуемые,цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и спониженной прокаливаемостью (упрочняемые в поверхностномслое) стали. Так в качестве цементуемой углеродистойстали используются качественные и высококачественные стали марок 15, 20. Послецементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали и-меет высокую твердость (HRC 58...62), обеспечиваемую мартенситнойструктурой, а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняетсяферритно-перлитная микроструктура.
Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А,20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также болеекрупных размеров и сложной формы — валы, оси, шестерни и др. Легирование в этомслучае обеспечивает лучшую прокаливаемость при болеепрочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнитаили низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30...45).
Для получения высокихпрочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то естьзакалку в масле и высокий (550...650°С) отпуск. При такой обработке улучшаемаясталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетаниепрочности и вязкости. К улучшаемым сталям относятся стали, содержащие s 0,35% С (углеродистые и малолегированные) и 0,2...0,3% С(средне- и высоколегированные).
Способность упрочняться нату или иную глубину при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующихэлементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а вдеталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталеймеханические свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит какот уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия, например, диаметр до12...15 мм — стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50...75 мм — 40ХН, 25ХГСА, ЗОХГС;диаметр 75...120 мм — ЗОХНЗА, 40ХН2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению,изготавливают оси, валы, шестерни, кривошипы, шпильки ответственногоназначения, тонкостенные трубы и др.
Конструкционные машиностроительныестали и сплавы специального назначения
Специальное назначение конструкционных сталей исплавов определяется требованием к конкретному комплексу механических,физических, физико-химических и технологических свойств, необходимому дляэксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при оченьвысоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических илигидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро — и радиотехнической промышленности.
В зависимости от химического состава сплавы этойгруппы подразделяют на классы по основному составляющему элементу:
сплавы на железоникелевойоснове;
сплавы на никелевой основе.
Классификация машиностроительных сталей и сплавов поосновному потребительскому свойству имеет следующие группы; особо высокойпрочности и вязкости, коррозионностойкие (в томчисле, собственно коррозионностойкие,жаростойкие, жаропрочные и криогенные), износостойкие, пружинные,автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.
Стали особо высокойпрочности и вязкости (мартенситно-стареюгцие) похимическому составу являются безуглеродистыми (менее0,03% С) и высоколегированными (Ni, Co, Мо, Cr, Ti, Beи др.). Эти стали характеризуются следующимипотребительскими свойствами:
sв=1800...3000 МПа;
d> 10%,y>40%;
КСU=0,3...2,5кДж/м2
Технологические свойства мартенситно-стареющихсталей — повышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичностьв закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске,выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механическиесвойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придатьстойкость против коррозии и теплостойкость. Так при дополнительном легированиихромом (% 12%) эти стали становятся стойкими против коррозии даже в сильноагрессивных средах (морской воде, кислотах и др).
Мартенситно-стареющиестали — особо высококачественные и из-за высокой стоимости применяются для деталей наиболееответственного назначения: Н18К9М5 — шестерни, валы, корпуса ракет;
Н10Х12Д2Т — детали химической аппаратуры, пружины;Н4Х12К15М4Т — штампы горячего деформирования, детали теплоэнергетическихустановок и др.
Коррозионностойкиестали иставы(ГОСТ 5632-72), в том числе высоколегированные, обладаютдостаточной стойкостью против коррозии только в ограниченном числе сред. Ониобязательно имеют в своем составе более 12,5%Сг, роль которого состоит вобразовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки,прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью противкоррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходитсяна долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть низким, чтобыуменьшить переход хрома в карбиды, так как это может уменьшить концентрациюхрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используюттакже быстрое охлаждение из области g-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобиемили цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.
Физико-химические свойства коррозионностойкихсталей меняются в довольно широком диапазоне в зависимости от структуры.Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть:ферритно-карбидной и мартенситной (12Х13, 20Х13, 20Х17Н2, 30Х13, 40Х13, 95Х18 — для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар); ферритной (15Х28) — длярастворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной(12Х18Н10Т) — в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах; мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) — вфосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироватьсяв условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.
Коррозионная стойкость сталей может быть повышенатермической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованнойповерхности.
Коррозионностойкиестали исплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой онииспользуются, и по их основному потребительскому свойству на собственнокоррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.
Изделия из собственно коррозионностойкихсталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины,карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуреэксплуатации до 550°С.
Для жаростойких и жаропрочных машиностроительныхсталей используются малоуглеродистые (0,1 ...0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Coи др.).
Жаростойкие(окалиностойкие) стали и сплавы получают на базе системы Fe+ Cr * Niс небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталейявляется температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С. Жаростойкиестали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печныхгазах, в том числе, серосодержащих (15Х5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12Х17,15Х28), окислительных и науглероживающих (20Х20Н14С2)средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок.
Жаростойкие стали характеризуют по температуре началаинтенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержаниемхрома в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатацииизделий составляет 950°С, а при 25% Cr — 1300°С.Жаростойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры, поэтомужаростойкость ферритных и аустенитных сталей приравном количестве хрома практически одинакова.
Жаростойкие стали и сплавы используются дляпроизводства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовыхтурбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.
Жаропрочные сталидолжныобладать высоким сопротивлением химической коррозии, но вместе с тем,обеспечивать надежную работу под нагрузкой (то есть иметь достаточно высокиепределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше400...450°С. Температурный уровень жаропрочности сплавов, в первую очередь,определяется прочностью межатомной связи, которая может быть оценена рядомфизических констант, в том числе, температурой плавления. Однако при даннойтемпературе плавления жаропрочность сильно зависит от температурырекристаллизации. В связи с этим стали аустенитногокласса обладают более высокой жаропрочностью по сравнению со сталями перлитногокласса.
При таких высоких температурах эксплуатацииопределяющую роль в разрушении играет не дислокационная структура, адиффузионные процессы, имеющие даже при небольших напряжениях направленныйхарактер и способствующие развитию диффузионной ползучести. Так какдиффузионные процессы легче всего протекают по границам зерен, имеющих повышенноеколичество дефектов строения, то, кроме химического состава на жаропрочностьсущественное влияние оказывает структура металла. Обычно добиваются получениялегированного твердого раствора с вкраплениями по границам зерен или внутри нихдисперсных карбидных или интерметаллидных фаз. Болеекрупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом снижаетсяпластичность. Чрезвычайно важный фактор — стабильность структуры, так какперемещение атомов ведет к увеличению ползучести.
Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательносодержат никель, который обеспечивает существенное увеличение пределадлительной коррозионной прочности при незначительном увеличении пределатекучести и временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироватьсямолибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, иодоми др. Так микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторымищелочноземельными металлами повышают такие характеристики, как число оборотовпри кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этоговоздействия при микролегировании основан на рафинировании границ зерна иповышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталейвесьма разнообразны.
Рабочие температуры современных жаропрочных сплавовсоставляют примерно 0,45...0,8 Тпл. Этистали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74): при400...550°С — 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500...600°С — 15Х5М,40Х10С2М, 20Х13; при 600:..650°С -12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР,ХН56ВМКЮ. ХН62МВКЮ.
Жаропрочные стали и сплавы применяются дляизготовления труб, клапанных, паро — и газотурбинныхдеталей (роторы, лопатки, диски и др.).
Криогенные машиностроительные сталии сплавы(ГОСТ 5632-72) по химическому составу являютсянизкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, Ni, Mnи др.)сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т,ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этихсталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры(20...-196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходитрезкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, длякриогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки(двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно припонижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные машиностроительные стали классифицируют потемпературе эксплуатации в диапазоне -196...-296°С и используют дляизготовления деталей криогенного оборудования.
Износостойкие стали(ГОСТ5632-72) по химическому составу могут быть высокоуглеродистыми (1,1...1,3% С)или малоуглеродистыми и высоколегированными (Si, Mn, Cr, Niи др.).Основное потребительское свойство этих сталей — высокая стойкость деталей при кавитационной коррозии и механическом изнашивании призначительных ударных нагрузках. Эти стали (12Х18Н9Т, ЗОХ10Г10, ОХ14АГ12,ОХ14АГ12М, Г13) применяют чаще в литом или кованном (катанном) состоянии, таккак их общее технологическое свойство — пониженная обрабатываемость резанием.Износостойкие стали используются для изготовления лопастей гидротурбин игидронасосов, крестовин рельсов, щек дробилок, черпаков землеройных машин,траков и др.
Пружинные стали и сплавы(ГОСТ14959-79) — среднеуглеродистые (0,60...0,80% С), низколегированные (Mn, Si, Cr, Niи др.)стали, обладающие высокими механическими свойствами, в первую очередь,высокими пределами упругости и прочности, а также повышенной релаксационнойстойкостью при достаточной вязкости и пластичности. Для получения этих свойствстали должны содержать более 0,5% С и быть способными к термической обработке — закалке и отпуску. Пружинные стали (стали 65Г, 70, 75; 50ХА, 55ХГР, 55С2, 60С2,50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА), в основном, используются для изготовленияпружин и рессор.
Кроме рассмотренных выше пружинных сталей общегоназначения в машиностроении широко применяются пружинные стали специальногоназначения. К пружинным сталям специального назначения помимо требованиявысоких механических свойств, могут предъявляться дополнительные требования пофизико-химическим свойствам: немагнитность,коррозионная стойкость, низкий или постоянный температурный коэффициент модуляупругости и др..
Автоматные стали(ГОСТ1414-75) содержат 0,08...0,45% углерода и повышенное содержание серы(0,05...0,3%), фосфора (0,05...0,16%) и часто марганца (0,6...1,55%).Обогащение границ зерен феррита растворенным в нем фосфором и образованиехрупких включений (MnSи др.) награницах зерен стали облегчают резание, способствуют дроблению и легкомуотделению стружки, обеспечивая чистоту обрабатываемой поверхности. Срок службырежущего инструмента при обработке автоматных сталей увеличивается. Улучшениеобрабатываемости стали достигается также микролегированием свинцом, селеном,кальцием. Однако введение этих элементов понижает прочностные характеристикистали, поэтому их применяют для изготовления малоответственных деталей, откоторых не требуется высоких механических свойств.
Автоматные стали получили свое наименование в связи сих обработкой на станках-автоматах с повышенной скоростью резания (ЧПУ) дляизготовления деталей массового спроса (шайбы, болты, гайки, шпильки и некоторыедругие детали автомобилестроения). В обозначении марки первая буква Ауказывает, что сталь автоматная; цифры в ней показывают содержание углерода всотых долях процента (например, All, А40Г).Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная микролегирована свинцом (например, АС35Г2), а индекс«АЦ» — кальцием (АЦ45Х, АЦ40Г2 и др.).
Шарикоподшипниковые стали(ГОСТ801-78) по химическому составу должны быть высокоуглеродистыми (0,95...1,05%С), низколегированными (Cr, Si, Mnи др.).Жесткие требования (ГОСТ 801-78 и ГОСТ 21022-75) предъявляются к чистоте понеметаллическим включениям, карбидной сетке, карбидной ликвации, рыхлости ипористости металла. Микроструктура стали в рабочем состоянии — мелкоигольчатый (скрытокристаллический) мартенсит сравномерно распределенными округлыми включениями карбидов. Основнымипотребительскими свойствами этих сталей являются повышенные твердость (61...65 HRC), износостойкость и сопротивление контактнойусталости.
Шарикоподшипниковые хромистые стали обозначаютсябуквами ШХ в начале марки; содержание хрома в этих сталях указывается в десятыхдолях процента после буквенного обозначения (ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ и др.). В концемарки может быть указан вид металлургического переплава: Ш — электрошлаковый(ШХ15Ш); ВД — вакуумно-дуговой (ШХ15ВД).
Литейные сталисодержат до 0,9% Mn, до 0,52% Siи не более0,06% Sи 0,08% Р. При затвердении отливокформируются крупные зерна аустенита, внутри которыхпри последующем охлаждении в сталях с содержанием углерода менее 0,4%образуются направленные пластины избыточного феррита, то есть возникает видманштеттова структура. С увеличением содержания углеродадоля феррита, образующего видманштеттову структуру,уменьшается, а доля феррита в виде равноосных зеренвозрастает. Литая сталь с видманштеттовой структуройимеет низкие пластичность и ударную вязкость, и для повышения величин этихсвойств отливки из сталей, содержащих менее 0,4% С, подвергают полному отжигуили нормализации.
Литейные свойства сталей значительно хуже, чем чугунови большинства литейных цветных сплавов. Трудности при литье создают высокаятемпература плавления, низкая жидкотекучесть, большаялитейная усадка (до 2,3%) и склонность к образованию горячих литейных трещин.
Низкоуглеродистые литейные стали применяют дляизготовления деталей, подвергающихся ударным нагрузкам; арматуры; деталейсварно-литых конструкций. Среднеуглеродистые литейные стали применяют дляотливки станин и валков прокатных станов, крупных шестерен, зубчатых колес.Стальные отливки часто подвергают термической обработке для уменьшения литейныхнапряжений.
Литейные легированные стали по свойствам уступаютуглеродистым из-за того, что при легировании расширяется интервалкристаллизации и уменьшается теплопроводность (возрастают термическиенапряжения). Литейные легированные стали подразделяют на конструкционные(ГОСТ 977-88) и высоколегированные со специальными свойствами (ГОСТ2176-77).
Многие литейные стали имеют ту же марку, что идеформируемые, отличаясь лишь буквой Л в конце марки (15Л, 20Л, 25Л, ЗОЛ, 35Л,40Л, 45Л, 50Л и 35ХМЛ, 35ХГСЛ. 12Х18Н9ТЛ и др.). В этом случае химическийсостав литейной стали практически такой же, как деформируемой, и различаетсялишь допустимое количество вредных примесей (в литейной стали оно несколькобольше). Однако немало легированных сталей разработано специально в качестве литейныхи не имеют аналога среди деформируемых (например сталь 20ФЛ, применяемая дляотливки крупногабаритных деталей грузовых вагонов, и сталь 08ГДНФЛ — дляизготовления ответственных крупных деталей в судостроении, работающих до-60°С).