МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙУНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ
ИНСТИТУТСЕРВИСА АВТОТРАНСПОРТА КОМУНАЛЬНОЙ И БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ
Курсоваяработа по дисциплине:
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Выполнил студент:
Группа:
Шифр:
Руководитель:
Оценка:
Дата защиты:
Калуга-2008г.
Содержание Раздел 1. Материаловедческий анализ.
1.1 Система понятий,входящих в понятие “марка материала”
1.2 Принципы обозначения стандартныхмарок легированных сталей по ГОСТ4543 и в иностранных стандартах
1.3 Расшифровка стандартных мароксталей по варианту задания, структурный класс и примерное назначение
1.4 Понятие термина “КАЧЕСТВО СТАЛИ”
1.5 Основные характеристикимеханических свойств стали, по которым оцениваются стали конкретного назначения
1.6 Как и для чего нужно управлятьколичеством и качеством неметаллических включений?
1.7 На какие свойства стали разного назначениявлияет величина зерна?
1.8 Как управлять величиной зерна?
1.9 Что подразумевается подоптимальной структурой?
1.10 Процесс закалки стали
1.11 Управление типом структуры образующейсяпри закалке
1.12 Понятия “закаливаемость” и“прокаливаемость”
1.13. “Полоса прокаливаемости”. Описание“полосы прокаливаемости” стали, заданной номером рисунка в варианте задания
1.14 Стали пониженной прокаливаемости,и для каких деталей их применяют
1.15 Процесс старения стали
1.16 Требования к автомобильномулисту
1.17 Термин хорошая “свариваемостьстали”
1.18 От чего зависит контактнаяпрочность стали?
1.19 Уровни прочности канатной сталии технология упрочнения
1.20 Виды коррозионных повреждений нержавеющейстали
Раздел 1. Материаловедческий анализ
1.1 Система понятий, входящих в понятие “марка материала”
Марка материала определяется химическимсоставом. Химический состав — это элементы (вещества) и их соотношение, изкоторых изготовлен материал.
Так же в «марку материала» входят такие понятиякак: способ производства материала, степень раскисления, качество, назначение,структурный класс, область применения и т. д.
1.2 Принципыобозначения стандартных марок легированных сталей по ГОСТ4543 и в иностранныхстандартах
Обозначение марки включает в себя цифры и буквы,указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двухзначныецифры (например, 12ХН3А), указывающие среднее содержание углерода в сотых доляхпроцента. Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А – азот, Б –ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н –никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий,Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюминий.
Следующие после буквы цифры указывают примерноесодержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента (присодержании 1-1,5% и менее цифра отсутствует, например 30ХГС).Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные –буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, 30ХГС-Ш). Если буква А расположенав середине марки (14Г2АФ), то это свидетельствует о том, что сталь легированаазотом. При обозначении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резаниембуква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь легированасвинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2 – гдецифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Вначале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следуетцифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные сталивыплавленные на заводе «Электросталь», первоначально обозначают буквами ЭИ(электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковымномером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭП33(10Х11Н23Т3МР).Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшемшироко используется и в заводских условиях.
При маркировке сплавов на железоникелевой основеуказывается количественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишьбуквенных обозначений остальных легирующих элементов, например, ХН38ВТ,ХН45МВТЮБР.
Зарубежные аналоги ряда отечественных марок легированных сталей
Россия
ГОСТ
Германия
DIN
США
ASTM
Япония
JIS 15Х 15Cr3 5115 SCr415 40Х 41Cr4 5140 SCr440 30ХМ 25CrMo4 4130 SCM430, SCM2 12ХН3А 14 NiCr10 - SNC815 20ХГНМ 21 NiCrMo2 8620 SNCM220 08Х13 X7Cr13 410S SUS410S 20Х13 X20Cr13 420 SUS420J1 12Х17 X8Cr17 430 (51430) SUS430 12Х18Н9 X12CrNi18 9 302 SUS302 08Х18Н10Т X10CrNiTi18 9 321 SUS321 10Х13СЮ X7CrA11 3 405 (51405) SUS405 20Х25Н20С2 X15CrNiSi 25 20 30314, 314 SCS 18, SUH3 10
1.3 Расшифровкастандартных марок сталей по варианту задания, структурный класс и примерноеназначение
Сталь 09Г2Ссодержит:
Кремний:0.5-0.8%Si,
Марганец:1.3-1.7%Mn,
Медь:0.30%Cu,
Никель:0.30%Ni,
Сера:0.040%S,
Углерод:0.12%C,
Фосфор:0.035%P,
Хром:0.30%Cr,
Азот:0.008%N,
Мышьяк:0.08%As,
а остальное железо Fе.
Сталь не склонна к отпускной способности.
Температура ковки: Начала 1250, конца 850.
Назначение: Фланцы, корпуса, детали, работающие притемпературах -40…+425 град под давлением, различные детали и элементы сварныхметаллоконструкций, работающих при температуре от —70 до +425°С под давлением.
Сталь 20ХН3А. Стальконструкционная легированная
Применение: шестерни, валы, втулки, силовые шпильки,болты, муфты, червяки и другие цементуемые детали, к которым предъявляютсятребования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокойповерхностной твердости, работающие под действием ударных нагрузок и приотрицательных температурах.
Химический состав:
Углерод: 0.17 — 0.24%
Кремний: 0.17 — 0.37%
Марганец: 0.3 — 0.6%
Никель: 2.75 — 3.15%
Сера: до 0.025%
Фосфор: до 0.025%
Хром: 0.6 — 0.9%
Медь: до 0.3%
Сталь ХВ4Ф. Сталь инструментальная легированная
Применение: резцы и фрезыпри обработке с небольшой скоростью резания твердых металлов (валки сзакаленной поверхностью), гравировальные резцы при очень напряженной работе,прошивные пуансоны и т.д.
Химический состав в %:
Углерод: 1.25-1.45,кремний: 0.15-0.35, марганец :0.15-0.4, никель до 0.35, сера: до 0.03, фосфор:до 0.03, хром: 0.4-0.7, молибден: до 0.5, вольфрам: 3.5-4.3, ванадий: 0.15-0.3, медь:до 0.3, остальное железо
Сталь 35ХМЛ. Сталь дляотливок обыкновенная
Применение: шестерни,крестовины, втулки, зубчатые венцы и другие детали, работающие с повышенныминагрузками и требующие повышенной твердости.
Химический состав в %:
Углерод: 0.3-0.4, кремний:0.2-0.4, марганец: 0.4-0.9, никель: до 0.3,
Сера: до 0.04, фосфор: до0.04, хром: 0.8-1.1, молибден: 0.2-0.3, медь: до 0.3
1.4 Понятиетермина “КАЧЕСТВО СТАЛИ”
В начале ΧΧ в. химический состав и прочность стали практическиисчерпывали требования к ее качеству. Сегодня изменились не только эти нормы, встандартах на сталь отражены многообразные требования технологии производства иэксплуатации машин и сооружений: штампуемость, обрабатываемость резанием,свариваемость, прокаливаемость, хладостойкость, коррозионная стойкость,стойкость к старению и многие другие.
Качество стали –характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов ит.д. Металл оказывается негоден ни на что, когда не выполнено хотя бы одно изусловий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависитне от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому нетолько уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих норм дляпродукции – предмет обстоятельного анализа перед разработкой любыхметаллических изделий.
Для прогнозированияработоспособности в материаловедении применяется следующая бесспорная аксиома:«Качество материала сейчас, т.е. в изготовленном изделии, однозначно определяетработоспособность материала в будущем, т.е. в условиях эксплуатации».
1.5 Основные характеристики механических свойств стали, покоторым оцениваются стали конкретного назначения
99% всей стали – материалконструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений,деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы –теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества – прочность(способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность(способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как припроизводстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость(способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространениютрещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость,жаропрочность.
Для изготовленияподшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые стали ШХ15 иШХ15СГ. Шарикоподшипниковые стали обладают высокой твердостью, прочностью иконтактной выносливостью.
Пружины, рессоры и другиеупругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же времямногие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основныетребования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределовупругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности исопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).
Высокопрочные стали имеютвысокую прочность при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированнаясталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью кнадрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогомхладноломкости, хорошей свариваемостью.
1.6 Как идля чего нужно управлять количеством и качеством неметаллических включений?
Неметаллические включения – составляющие структуры, попадающие в стальнепреднамеренно. Но они технологически неизбежны.
Неметаллические включения практически не влияют на «объемные» процессыпластической деформации и упрочнения, но разнообразно проявляют себя влокальных процессах – в разрушении, а также в формировании зерна и фазовогосостава стали.
Абсолютно вреден сульфид железа FeS. Эвтектика Fe–FeS плавится при975˚С. Оттесняемый фронтом кристаллизации легкоплавкий сульфид FeS,образует жидкие пленки вокруг дендритов. В затвердевающем слитке на выходе изкристаллизатора перепад температуры доходит до 400…500˚С, и от термическихнапряжений по пленкам идут кристаллизационные трещины. Эти пленки оплавляются ипри нагреве под прокатку, так что слиток при обжатии разваливается – стальгорячеломкая.
Для предотвращения кристаллизационных трещин и горячеломкости почти вовсе стали вводят марганец: 0,25…0,80% в рядовой углеродистой стали по ГОСТ 380.Цель избавиться от эвтектики, заместив сульфид железа на сульфид марганца. Вслябе непрерывной разливки гарантией против кристаллизационных трещин считаютпропорцию [Mn]:[S]>40…50 и даже [Mn]:[S]>60.В тонком слябе, вытягиваемом с большой скоростью, продольные поверхностные трещиныпредотвращались лишь при 25.
Сульфиды марганца мягкие, пластичны при 950…1100˚С, а при размеречастиц менее 1 мкм они не деформируются. Наиболее опасны сульфиды – дендриты,при прокатке они вытягиваются в плоские пучки нитей и даже при холоднойдеформации удлиняются почти так же, как сам металл.
1.7 Накакие свойства стали разного назначения влияет величина зерна?
Внутри зерна ферританет сильных препятствий скольжению. Поэтому сопротивление его деформациитечения создают границы зерна, и чем мельче зерно феррита, тем выше предел текучести.Чем больше деформация, тем больше препятствий создают внутри зерна сами следыскольжения и тем меньше влияет размер зерна на сопротивление течению. Поэтомупредел прочности зависит от размера зерна феррита слабее, чем предел текучести.
У мартенсита стольсложная субзеренная структура, что в ней границы зерна исходного аустенита –препятствие пренебрежимо слабое. Прочность мартенсита от величины зерна независит. Перлит, сорбит, бейнит – двухфазные структуры. Их прочность определяется,прежде всего, температурой образования (дисперсностью цементита), а невеличиной зерна исходного аустенита.
Если разрушениевязкое, то на деформацию до разрушения величина зерна почти не влияет. Но вусловиях, например, хладноломкости хрупкое транскристаллитное разрушение (скол)распространяется по одной кристаллографической плоскости через всё зерно, тоесть чем зерно феррита крупнее, тем сильнее концентрация напряжений отрассёкшей его фасетки скола и тем сталь более хрупкая.
Так же сильно влияетзерно исходного аустенита при граничной хрупкости, вызванной ослаблением границот собирания на них примеси. Тогда вскрыть грань зерна – зернограничную фасетку– тем легче, чем зерно крупнее (чем больше концентрация напряжений у егограниц).
1.8 Как управлять величиной зерна?
Величина зёрензависит от числа зародышей кристаллизации и скорости их роста. Если скоростьохлаждения мала, то число возникающих и растущих зародышей невелико и в концекристаллизации формируются структуры из крупных зёрен. При большой скоростиохлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, аследовательно и число зёрен возрастает и в конце кристаллизаций они оказываютсяменьше чем в первом случае. Это можно наблюдать на практике – в тонких сеченияхлитых деталей структура стали мелкозернистая, так как здесь происходит болеебыстрое охлаждение, чем в толстых сечениях. Чем мельче зёрна, тем вышепрочность и особенно вязкость металла.
Чтобы сделать зерномелким, в металл вводят специальные вещества – модификаторы. Например, в жидкуюсталь при её разливке добавляют порошок железа или частицы тугоплавких оксидов,которые являются готовыми центрами кристаллизации. Процесс искусственногорегулирования величины зёрен получил название модифицирования.
1.9 Чтоподразумевается под оптимальной структурой?
Идеальнаякристаллическая решетка металла состоит из множества повторяющихся элементарныхкристаллических ячеек. Для реального металла характерны определенныенесовершенства кристаллического строения.
Оптимальноустойчивыми (реально существующими) структурами элементов являютсякристаллические решетки, которые обладают минимальным запасом свободной энергииF. Так, в твердом состоянии Li, Na, K, Cs, Mo, W идругие элементы имеют решетку типа К8, а Al, Ca, Cu, Ag, Au, Pt идругие – решетку типа Г6.
Однако при изменениитемпературных и изобарных условий для некоторых металлов более стабильнымимогут быть иные структуры. Известны, например Fe с решеткамитипа К8 и К12; Co – с решетками типа К12 и Г6; Mn, Sn, Ti идругие элементы с различными типами кристаллических структур.
1.10 Процессзакалки стали
Закалка стали служитдля повышения прочности, твердости, упругости, износостойкости. Процесс закалкисостоит в нагреве на 30…50˚С выше критической точки нагрева Ас3≈880˚Сдля доэвтектоидных сталей (полная закалка) и выше критической точки Ас1=727˚Сдля заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этих температурах ибыстром охлаждении. Охлаждающими средами могут быть вода, минеральное масло,воздух, водные растворы солей, щелочей, расплавы солей. При закалке образуютсянеравновесные структуры с соответствующими механическими свойствами: при полнойзакалке – мартенсит, при неполной – мартенсит с зернами цементита. Еслидоэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точкиАс1, но ниже Ас3, то происходит неполная закалка собразованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита. В результате закалкипонижается пластичность сталей.
Скорость нагрева ивремя выдержки при закалке зависят от химического состава стали, размеров,массы конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей инагревательной среды. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталейнагревают более медленно и с большей выдержкой, чем детали из низкоуглеродистыхсталей. С целью уменьшения возможных деформаций увеличивают время нагрева длядеталей, более сложных по конфигурации и имеющих большую массу.
Нагрев осуществляютв нагревательных термических печах и печах-ваннах, подогреваемых электрическойэнергией или сгорающими газом, мазутом, углем.
1.11 Управлениетипом структуры, образующейся при закалке
При закалке стальприобретает неравновесные структуры с соответствующими механическимисвойствами. При полной закалке структура стали – мартенсит, при неполнойзакалке – мартенсит с зернами цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть дотемпературы выше температуры критической точки нагрева Ас1=727˚С,но ниже критической точки Ас3≈880˚С, то происходитнеполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита.
Степень неравновесностипродуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает отсорбита к мартенситу. Критическая скорость закалки имеет очень важное значение.От нее зависит такое технологическое свойство, как прокаливаемость, т.е.способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше критическаяскорость закалки, тем на большую глубину от поверхности детали распространяетсязакалка.
1.12 Понятия“закаливаемость” и “прокаливаемость”
Закаливаемость стали – это ее способностьприобретать максимально высокую твердость после закалки. Она возрастает сувеличением содержания углерода. Углеродистые стали, содержащие менее 0,3 %углерода, не закаляются.
Прокаливаемость – глубина закаленного слоя или,другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химическогосостава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а такжеувеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению еепрокаливаемости.
1.13 “Полоса прокаливаемости”. Описание “полосы прокаливаемости”стали, заданной номером рисунка в варианте задания
В заданном вариантерассматривается “полоса прокаливаемости” для стали марки 38ХС (чертеж 11).
Полоса прокаливаемости –линии верхней и нижней границы, между которыми должны укладываться кривые прокаливаемостиHRC(z) всех плавок. Кривая прокаливаемости – Распределениетвердости HRC(z) с расстоянием z от торца образца цилиндра. Полосу прокаливаемости нормируют для каждойконструкционной стали ГОСТ 1050 и ГОСТ 4543.
Рассмотрим полосупрокаливаемости для стали марки 38ХС.
На графике изображеныкривые прокаливаемости. Кривые прокаливаемости показывают зависимость твердостиHRC от Rt(расстояние от охлаждаемого торца образца). Измерениерасстояний Rt во время испытаний находится впромежутке (1
При Rt=1мм 46
При Rt=18мм 34
При Rt=30мм 29
Чем больше расстояние отохлаждаемого образца, тем хуже прокаливаемость, и следовательно твердость (HRC).
Проанализируем таблицысоответствия между величиной HRC(z) и диаметром прутка (d).
1). Спокойная вода.
На поверхности HRC=96, независимо от диаметра прутка (d).
Прокаливаемость в центрепрутка и ¾R от центразависит от диаметра прутка.
В центре прутка HRCmax=92 при d=25,5–27мм
2). Спокойное масло.
В данной закалочной средепрокаливаемость изменяется на поверхности прутка в зависимости от его диаметра.
HRCmax=98 при d=19,5–27мм. (поверхность).
HRC=92 при d=25,5–27мм. (¾R от центра).
HRC=75 при d=27мм. (центр прутка).
Вывод:
1). С ростом диаметрапрутка, HRC(d) увеличивается до определенного значения.
2). Максимальнойзакаливаемости HRC=176 можнодобиться в спокойной воде на расстоянии ¾R от центра, при d=22,5мм
3). Закаливаемость сталивыше в спокойной воде, при любом диаметре прутка и в различных местах замератвердости.
1.14 Сталипониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют
В сталях пониженной прокаливаемости(как 55ПП – сталь 58 по ГОСТ 1050) гарантируется низкая прокаливаемость привысоком содержании углерода.
Стали пониженной прокаливаемости можно применять длядеталей с твердой поверхностью, при вязкой сердцевине (шестерни, зубчатыепередачи).
Обычной закалкой можнополучать тонкий (1,5…3 мм) твердый (полумартенситный) слой с зерном № 11-12 наповерхности зуба шестерен.
Аналогичного эффекта можно добиться только многочасовой цементациеймалоуглеродистой стали.
1.15 Процесс старениястали
В низкоуглеродистойстали, в структуре которой преобладает феррит, известно изменение свойств прихранении (или в эксплуатации) после быстрого охлаждения от высоких температур(закалочное старение) или после пластической деформации (деформационноестарение).
Старение обусловленопримесями внедрения (углеродом и азотом), растворенным в феррите. Онидостаточно быстро диффундируют уже при комнатной температуре, а «носители»пластической деформации – дислокации – их притягивают и, «обрастая»сегрегациями примеси, закрепляются. После старения, пока «свободных» дислокациймало, пластическая деформация идет лишь по мере рождения новых. По мереразмножения дислокаций сопротивление течению с деформацией падает.
Появляется «зубтекучести». Пока «смягчённая» размножением зона распространяется на весьобразец, сопротивление деформации не меняется. Старение длится дни и месяцы прикомнатной температуры (часы и дни – при 100 ˚С) и проходит четыре стадии.На первой стадии вдоль дислокаций оседают сплошные в «одноатомные»цепочки атомов примеси, от чего растут предел текучести и деформация Людерса.На второй стадии длина площадки неизменна, но вместе и одинаково с пределомтекучести поднимается вся диаграмма. На третьей стадии на дислокацияхесть и частицы размером в несколько нанометров. Они упрочняют и сами по себе,так что подрастает предел прочности, но соответственно падают удлинение иработа разрушения. Иногда можно дождаться и четвёртой стадии –«перестарения» (медленного смягчения от укрепления частиц).
Старение вреднопонижением пластичности (листа для холодной штамповки) или же охрупчиваниемконструкции (зуб текучести означает большое сопротивление малым пластическимдеформациям – местные перегрузки хуже «рассасываются»). Старение усиливаетхладноломкость, отчего, например, несвязанный азот понижает ударную вязкостьстроительной стали.
1.16 Требованияк автомобильному листу
Кузов автомобиляизготавливается холодной штамповкой (и точечной сваркой) из тонкого (0,5…3 мм)листа низкоуглеродистой стали.
Обычно до толщиныоколо 2мм лист доводят горячей прокаткой на непрерывном широкополосном стане,затем окалину удаляют травлением. После холодной прокатки до конечной толщиныполосу отжигают.
Из норм штампуемости(удлинение δ>34…40%: вытяжки по Эриксену, нормальной R и плоскостной ∆R пластической анизотропии) вытекаетмного дополнительных требований к структуре: к зернограничному цементиту, квеличине зерна (балл № 6-8 – из-за полос Людерса и «Апельсиновой корки»), кстарению от остаточного азота и к наночастицам (например, A1N или MnS).
Для выполнения этогонабора требований нужна цепь технологий высокого уровня, начинающаяся от плавки(чтобы обеспечить, например, в 1Р-сталях 0,003…0,005%С и 0,003…0,005%N и в строгой пропорции с ихколичеством вводить 0,03…0,05%А1 и 0,05…0.08%Тi к моменту кристаллизации).
Конечную величину зернаопределяют четвертичные включения АIN или МnS –наночастицы, которые могутнеоднократно растворяться (при нагреве сляба или при отжиге) и вновь выпадать — при горячей прокатке, после нее, в смотанном рулоне, при отжиге. Всей их«историей» надо управлять по всему производственному температурно-временномуциклу и с учетом исходного состояния слитка.
Наночастицы задают вконечном счете и пластическую анизотропию — через взаимосвязикристаллографических текстур: слитка, горячей и холодной прокатки ирекристаллизации. Например, когда сталь О8Ю сумели разлить сразу на толщинуподката, понадобилась его смотка для требуемого выделения АlN и МnS — иначе замедлялась рекристаллизация при непрерывном отжиге.
До 35% от массы автомобиля (как в Японии) мог бысоставлять более высокопрочный лист. Но легирование ухудшает штампуемость, инайдено компромиссное решение: оставлять в стали типа О8Ю после отжига немногонесвязанного азота и алюминия, чтобы при нагреве для сушки в окрашенной деталипрошло старение (ВН-стали: «упрочняемые при сушке»). Прирост предела текучести Δδ0,2 – 30…40Мпа – небольшой, но длямягкой стали это 15%.
1.17 Терминхорошая “свариваемость стали”?
Довольно редко прокатесть конечная продукция, готовая к применению. Потребитель, как правило,сваривает все листовые стали, практически все строительные (балки, плиты,арматуру) и часто даже рельсы (в длинные плети). Хорошая свариваемость стали– возможность получать сварной шов без трещин, который по прочности и вязкостине хуже основного металла. Свариваемость проверяется испытаниями после сваркиспециальных образцов. Условия хорошей свариваемости стали обычнопротиворечат требованиям прокаливаемости.
С точки зренияметаллургии дуговая, контактная, точечная электросварки заключаются врасплавлении и быстрой кристаллизации стали – почти закалке из расплава.Неодинаковое тепловое расширение зоны сварки создает высокие сварочныенапряжения в шве и около него – и во время кристаллизации, и после охлаждения.
Термическиенапряжения в ходе сварки вызывают в шве горячие трещины (разрушение втвердожидком состоянии). Риск их появления тем выше, чем шире интервалтемператур кристаллизации (чем больше в стали углерода) и чем большелегкоплавких сульфидов.
1.18 От чего зависит контактная прочность стали?
Чем выше контактнаяпрочность стали, тем меньше вероятность возникновения контактной усталости.Контактная усталость- зарождение и рост трещин при циклическом нагружении, нижепредела текучести.
Такое свойство стали, какконтактная прочность имеет важное значение для деталей испытывающих постоянноповторяющиеся циклические нагрузки.
Например, при качении шарикапо кольцу в подшипнике или колеса по рельсу.
Повысить контактнуюпрочность стали можно получив структуру мартенсита с мелкими равновеснымизернышками цементита, без следов цементитной сетки. Но тогда наиболее опаснынеметаллические включения «умеренных размеров» – на порядок крупнее, чемцементит.
Если же крупных включениймного, то долговечность падает катастрофически: в 100 раз, когда оксидовкрупнее 30 мкм стало больше в 10 раз. Чем выше твердость и модуль упругостивключения, тем больше концентрация напряжений в нем, а следовательно хуже контактнаяпрочность.
Например, для стали ШХ15наиболее опасны самые твердые остроугольные включения — зерна корунда Аl2О3. При равном содержании кислорода,подшипники из кислой мартеновской стали в 2,5 раза долговечнее, чем изэлектростали, так как в них вместо строчек крупных оксидов были глобулинедеформируемых силикатов.
На контактную усталостьвлияет содержание серы. Содержание серы следует понижать, но сохраняяпропорцию[S]:[O]=2,5 т.к. выгодно, чтобы более легкоплавкий сульфид марганцакристаллизовался на поверхности частиц корунда, обволакивая их острые углымягкой пленкой и снимая перегрузки в работе. Поэтому, например, наблюдаетсярост долговечности с повышением содержания серы от 0,01% до 0,023%, а далее — снижение.
1.19 Уровни прочностиканатной стали. Технология упрочненияУровень прочности канатной стали колеблется в пределах1300…2400 МПа.
Технология упрочнения.
Чем тоньше пластинки цементита в перлите, тем большеупрочнение. Пластинки тем тоньше, чем ниже температура распада переохлажденногоаустенита. Оптимальную температуру изотермического распада надо быстро достичьи точно выдержать. Поэтому делается патентирование: протягиваемая проволокапроходит через печь (или соляную ванну) нагрева и быстро охлаждается дотемпературы распада аустенита в ванне с расплавом свинца и солей. Послеволочения делается еще низкий отпуск для снятия напряжений.
К стали для патентирования (упрочнения) есть ряджестких требований. Во-первых, чистота по легирующим элементам (Сr
Во-вторых, вытягиваясь при волочении, границы зернаисходного аустенита превращаются в ленты вдоль оси проволоки.
Если на них были сегрегации фосфора или наночастицы АlN или МnS, проволока расслаивается по этим лентам прискручивании (или при волочении). Поэтому когда-то сталь для пружин плавилитолько из древесноугольного чугуна (чистого по фосфору и сере).
Сегодня его заменило железо прямого восстановления.
В-третьих, важна чистота по неметаллическимвключениям.
Если включения деформируемы и при холодном волочении (какМnS), то из округлых в слитке онипревратятся в нити макроскопической длины и субмикронной толщины, авключения-дендриты — в пучок нитей, по которым и произойдет расслой. Канаты изстали 60 с округлыми сульфидами (от введения РЗМ) выдерживали 25000 перегибов,а с длинными включениями — только 18000..
Недеформируемое включение (как Аl2О3) при размере 100 мкмсравнимо с диаметром проволоки, которая в этом месте оборвется еще приволочении (и потому в готовой проволоке таких не находят). От оксидов размером3…10 мкм растут трещины усталости в пружинах или в канате, поэтому важны каксодержание кислорода и серы в расплаве, так и приемы раскисления десульфурации.
Наконец, нагревы перед патентированием требуютзащитной атмосферы, так как даже тонкий обезуглероженный слой с малопрочнымсвободным ферритом- очаг усталостного разрушения. Если же окалину стравливают,то затем нужен подогрев или выдержка, чтобы вышел захваченный водород, иначепроволока может растрескаться еще при хранении.
1.20 Видыкоррозионных повреждений нержавеющей стали
Коррозия — это процесс разрушения металла подвоздействием внешней среды. По механизму протекания различают химическуюкоррозию, возникающую под воздействием газов или неэлектролитов (нефть и др.),и электрохимическую, развивающуюся в случае контакта металла с электролитами(кислоты, щелоча, соли, влажная атмосфера, почва, морская вода).
Стали, устойчивые противэлектрохимической коррозии, называют коррозионностойкими (нержавеющими).
Нержавеющие сталиразделяют на две основные группы: хромистые и никелевые.
Хромистыекоррозионностойкие стали применяют трех типов: с 13, 17 и 27% Cr, при этом в сталях с 13% Cr содержание углерода может изменятьсяв зависимости от требований в пределах от 0,08 до 0,40%. Структура и свойствахромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Так, повышениеконцентрации углерода в стали приводит к образованию карбидов, уменьшаяколичество хрома в твердом растворе; при этом в стали возникает двухфазнаяструктура.
Стали с 13% хрома подвержены коррозионному растрескиванию и точечнойкоррозии в средах, содержащих ионы хлора.
Так же нагрев закаленныхсталей в интервале 500-800˚С приводит к выделению в пограничных зонахзерен карбидов хрома M23C6 и обеднению в связи с этимуказанных зон хрома ниже 12%-ного предела; это вызывает снижениеэлектрохимического потенциала пограничных участков аустенитного зерна и ихрастворение в коррозионной среде. Коррозионное разрушение имеетмежкристаллический характер, приводит к охрупчиванию стали и называетсямежкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией (МКК).
Списоклитературы
1. Лейкин А.Е.,Родин Б.И. Материаловедение. Учебник для машиностроительных специальностейвузов. – М.: «Высшая школа», 1971.
2. Петренко Ю.А.,Каратушин С.И., Глазунов К. О. Материаловедение. Методические указания повыполнению контрольных и курсовых работ для студентов специальностей 230100,230300, 2307.12. – СПб.: Изд-во СПбГАСЭ, 2005.
3. Колесник П.А., КланицаВ.С. Материаловедение на автомобильном транспорте. Учебник для студентов высшихучебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.
4. Рогачева Л.В.Материаловедение. – М.: Колос-Пресс, 2002.
5. Никифоров В.М. Технология металлови конструкционные материалы. – М.: Изд. «Высшая школа», 1968.
6. Шульте Ю.А.Хладостойкие стали. – М.: Металлургия, 1970.
7. Ассонов А.Д.Технология термообработки деталей машин. – М.: Машиностроение, 1969.