Конструкционные сплавы и их применение

Содержание
Введение………………………………………………………………………….3
1 Классификация конструкционных сталей……….……………..…………….4
2 Маркировка сталей………………………………..……….……………..……6
3 Группы конструкционные стали по условиям работы ...………………........8
Заключение…………………………………………………………...................14
Список использованных источников………………………………………….15
Введение
Появление и широкое распространение конструкционных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.
Сталям присущ комплекс ценных свойств, обусловивших их применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности: повышенные прочностные свойства, работоспособность при высоких и низких температурах, а также при действии агрессивных сред, хорошая технологичность.
Целью данной работы являлось изучение конструкционных сталей, их свойств и применение в технике.
1 Классификация конструкционных сталей
Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами. Сталь - важнейший продукт чёрной металлургии, являющийся материальной основой практически всех отраслей промышленности.
Классификация конструкционных сталей по химическому составу, качеству, назначению и способу раскисления представлена на рис. 1
Рисунок 1 – Классификация конструкционных сталей
Как углеродистые, так и легированные стали делят на:
низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25 %);
среднеуглеродистые (содержание углерода – 0,25…0,7 %);
высокоуглеродистые (содержание углерода более 0,7 %).
Легированными сталями называют стали, содержащие в своем составе, кроме железа и углерода, специально введенные элементы, которые способны изменить ее строение, а, следовательно, и свойства.
Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на:
низколегированные: менее 2,5 %;
среднелегированные: 2,5-10,0 %;
высоколегированные: более 10,0%.
По назначению различают стали:
конструкционные, идущие на изготовление деталей машин, конструкций и сооружений;
инструментальные, идущие на изготовление различного инструмента;
стали специального назначения с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие, с особыми электрическими и магнитными свойствами и др.
Качество сталей определяется количеством в её составе серы и фосфора.
По качеству стали делятся на группы:
обыкновенного качества (фосфора не более 0,04 %, серы не более 0,05 %);
качественные (фосфора не более 0,035 %, серы не более 0,04 %);
высококачественные (фосфора не более 0,025 %, 0,025 %);
особо высококачественные (фосфора и серы не более, чем по 0,015 %).
2 Маркировка сталей
По ГОСТ 380-60 стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам (группа А), обозначаются Ст.0, Ст.1, Ст.3, Ст.4, Ст.5, Ст.6, Ст.7: поставляемые по химическому составу (группа Б): а) мартеновская - МСт.0, МСт.1, МСТ.4, МСт.5, Мст.6, Мст.7 и б) бессемеровская - БСт.0, БСт.3, БСт.4, БСт.5, БСт,6; поставляемая по химическому составу и механическим свойствам (группа В): Вст.1, ВСт.2 и т.п. Цифра означает условный номер марки.
Качественные стали маркируются следующим образом: перед маркой пишется слово «сталь», далее – марка стали, например, сталь 40Х, У8 и т.д. Цифра означает содержание углерода в сотых долях процента 9в инструментальных сталях – в десятых долях процента), буквы – легирующие элементы, цифры после букв – количество легирующего элемента.
Высококачественные стали обозначаются буквой А, помещаемой в конце обозначения марки. Это такие стали, как 20А, 15Х2МА.
В марках особовысококачественных сталей в конце марки стали после тире пишут буквы, обозначающие способ производства.
Расшифровка обозначений: Ш - электрошлаковый переплав, ВИ – вакуумно-индукционный, ВД – вакуумно-дуговой и т.д. Например: 18ХГ-Ш, 20ХГНТР-Ш.
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные. Классификационный признак – наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
Химический состав легированной стали является основой для установления ее марки по ГОСТу. Легированные стали маркируют цифрами и буквами русского алфавита. Легирующие элементы обозначаются буквами (табл. 1).
Таблица 1
Буква Элемент Буква Элемент Буква Элемент
А азот К кобальт Т титан
Б ниобий Н никель Ф ванадий
В вольфрам М молибден Х хром
Г марганец П фосфор Ц цирконий
Д медь Р бор Ч редкоземельные
Е селен С кремний Ю алюминий
Каждая марка стали составляется из сочетания букв и цифр. В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ними цифры – среднее содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента; отсутствие цифры указывает, что оно составляет в среднем 1 % и менее.
Исключение составляют дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы: Мо, W, V, Ti. Эти элементы добавляют в небольшом количестве (например, до 0,3 % V и 0,1 % Ti), поэтому в расшифровке марки нужно указывать, что содержание этих элементов до 1 %.
3 Группы конструкционные стали по условиям работы
Конструкционные стали по условиям работы делятся на автоматные, улучшаемые, высокопрочные, цементуемые, азотируемые, пружинно- рессорные, шарикоподшипниковые.
1 Автоматные стали
Отличаются высокой обрабатываемостью резанием при изготовлении деталей на станках-автоматах в массовом производстве (винты, болты, гайки).
Для улучшения обрабатываемости в углеродистых сталях допускается повышенное количество серы и фосфора (0,08-0,3 % S и 0,06 % Р). Марки автоматной стали – А11, А12, A30, А35 (А - автоматная, цифры - сотые доли процентов углерода). Для улучшения обрабатываемости, повышения стойкости инструмента, повышения скорости резания легированных сталей дополнительно вводят Pb, Са, Se (селен), Те (теллур).
Марки сталей: AC38Г2, АС20ХГНМ (с добавками свинца 0,15- 0,3 %), АЦ30, АЦ20ХН3 (с добавками Са 0,002 - 0,008 %), АС40ХЕ (с добавкой Se).
2 Улучшаемые стали
Улучшаемые углеродистые и легированные стали (табл. 2) содержат углерода 0,3-0,5 % и не более 5 % легирующих элементов. Улучшение сталей достигается закалкой и высоким отпуском. Из этих сталей изготовляют ответственные детали машин и механизмов, работающие в условиях циклических и ударных нагрузок, концентрации напряжений, при низких температурах.
Улучшаемые стали должны иметь:
высокий предел текучести (σ0,2);
высокую пластичность с малой чувствительностью к надрезу;
глубокую прокаливаемость;
мелкое зерно;
отсутствие развития отпускной хрупкости.
3 Высокопрочные стали.
К ним относятся среднеуглеродистые, комплекснолегированные стали с пределом прочности (σв) более 1400 - 2000 Мпа:
полученные при помощи закалки и низкого отпуска;
термомеханической обработки;
мартенситостареющие стали.
Легирующие элементы Si, Mo, W, V снижают разупрочнение при отпуске и измельчают зерно; Сr, Мn обеспечивают глубокую прокаливаемость; Ni снижает чувствительность к надрезам.
Марки высокопрочных сталей 30ХГСНА, 40XГCН3BА, 30X2ГН2BM применяются в самолетостроении в силовых сварных конструкциях, деталях фюзеляжа, шасси.
Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) дополнительно обеспечивают следующие свойства:
более высокую пластичность и вязкость;
снижают порог хладноломкости;
снижают чувствительность к отпускной хрупкости;
повышают усталостную прочность;
повышают устойчивость к разупрочнению при отпуске;
4 Цементуемые стали
Цементуемые стали (табл. 2) эти стали содержат малое количество углерода (0,1-0,25 %). Легирование (Сr, Ni, Mо, V, Mn, Ti) укрепляет сердцевину, карбидообразущие увеличивают степень науглероживания поверхностного слоя, измельчают зерно, повышают твердость, износостойкость и контактную выносливость.
Обработка стали проводится в следующей последовательности: цементация + закалка + низкий отпуск. При этом твердость поверхности составляет 58 - 62 HRC, а сердцевины - 20 - 35 HRC.
Марки цементуемых сталей: 15Х, 20X, 15ХФ. Из них изготавливают мелкие валики, шестерни, зубчатые колеса.
Стали марок 12ХН3А, 20ХН3А, 12X2H4A, 20Х2H4A применяют для изготовления крупных деталей (до 100 мм) ответственного назначения.
Стали марок 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА имеют высокий комплекс механических эксплуатационных свойств и применяются для изготовления зубчатых колес судовых редукторов, валов.
Стали марок 18ХГТ, 30XГT, 25ХГМ используют для изготовления зубчатых колес самолетов, автомобилей, шатунов, шпилек.
5 Азотируемые стали (табл. 2).
Азотирование проводится после улучшения.
Цель азотирования: повысить износостойкость деталей, контактную выносливость, коррозионную стойкость, разгаростойкость.
Сталь марки 38ХМЮА применяется в самолетостроении для зубчатых колес, гильз цилиндров, валиков, роликов; сталь марки 38Х2Ю применяется для изготовления валиков водяных насосов, плунжеров, копиров.
6 Пружинно-рессорные стали
Эти стали должны иметь особые свойства в связи с условиями работы пружин (цилиндрических, плоских) и рессор.
Основные требования к этим сталям:
высокий предел упругости (сопротивление малым пластическим деформациям);
высокий предел выносливости.
Этим условиям удовлетворяют стали с содержанием углерода 0,5 - 0,7 % и стали, легированные Si, Mn, Cr, V, W.
Упрочнение этих сталей достигается закалкой и отпуском при 420 - 520 оС с поверхностным наклепом (обдувкой дробью). Полученная после такой обработки структура троостита обеспечивает отношение σупр / σв приблизительно 0,8, что повышает надежность работы пружин.
Марки рессорно-пружинных сталей: 70, 65Г, 60С2, 50ХГ, 65С2ВА, 70СЗА. Легированные рессорно-пружинные стали имеют повышенную релаксационную стойкость, обеспечивают длительную работу машин и приборов.
Таблица 2 – Марки и механические свойства конструкционны сталей
7 Шарикоподшипниковые стали
Шарикоподшипниковые стали - заэвтектоидные стали, содержащие более 0,8 % углерода. После отжига, закалки в масло и низкого отпуска получают твердость стали 62 – 65HRC, а структуру - скрытокристаллический мартенсит с мелкими равномерно распределенными карбидами, который обеспечивает:
равномерную твердость;
устойчивость против истирания;
необходимую прокаливаемость;
достаточную вязкость.
Марки шарикоподшипниковой стали: ШХ15, ШХ15СГ, ШХ6, ШХ9. Для крупногабаритных подшипников (диаметром более 400 мм), работающих в тяжелых условиях при больших ударных нагрузках, применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А (цементация проводится при t = 930-950 оС, выдержка 50-170 ч; затем следуют закалка и отпуск). Глубина полученного цементированного слоя составляет 5-10 мм.
8 Износостойкие стали
Высокомарганцовистые износостойкие стали - стали аустенитного класса, которые имеют высокие сопротивление износу, высокую прочность и низкую твердость.
Марка высокомарганцовистой стали: 110Г13Л.
Высокая износостойкость стали 110Г13Л объясняется упрочнением (наклепом) аустенита при пластической деформации в процессе работы. В поверхностном слое аустенит превращается в мартенсит. По мере износа поверхностного слоя, мартенсит образуется в следующем слое. Сталь 110Г13Л применяют для трамвайных стрелок, щек камнедробилок, козырьков ковшей, черпаков.
Мартенсито-стареющие стали
Это безуглеродистые стали (С < 0,03 %), имеющие в основе Fе и Ni (8– 25 % Ni) и легированные Co, Мo Ti, Al, Cr, Nb.
Высокая прочность таких сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превращения (γ → α) и старения мартенсита.
Ni - стабилизирует γ- твердый раствор, сильно снижая температуру (γ → α) превращения, и оно протекает по мартенситному механизму (сдвиг). Ti, Be, Al, Cu, Mo ограниченно растворяются в α - Fe. Мартенсито- стареющие стали закаливают с температуры 800 – 860 оС на воздухе. Закалка фиксирует пересыщенный железоникелевый мартенсит, который очень пластичен. Упрочнение достигается при старении с t = 450 – 500 °С, когда из мартенсита выделяются высокодисперсные вторичные фазы (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo), когерентно связанные с матрицей.
Для мартенсито-стареющих сталей характерны:
высокий предел текучести;
низкий порог хладноломкости;
высокое сопротивление распространению трещин;
малая чувствительность к надрезам;
высокое сопротивление хрупкому разрушению;
высокая конструктивная прочность в широком диапазоне температур от криогенных до 450 - 500 оС;
высокая технологичность.
Марки мартенсито-стареющих сталей: 03H18K9M5T, 03Н12К15М10, 03Х11H10M2T.
Мартенсито-стареющие стали используют для ответственных деталей в авиации, ракетной технике, приборостроении, судостроении как пружинный материал.
Заключение
В данной работе рассмотрены основные группы конструкционных сталей.
Целенаправленное введение легирующих элементов позволяет изменять в заданном направлении структуру и, соответственно, механические и физико-химические свойства сталей.
В работе изучены назначение, свойства, термическая обработка конструкционных сталей различного назначения.
Список использованных источников
1.Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
2.Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.
3.Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр./ А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003, 784 с.: илл.
4.Журавлев, В.Н. Машиностроительные стали: справочник / В.Н. Журавлев, О.И. Николаева. – М.: Машиностроение, 1981. – 391 с.
5.Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов / Ю.М. Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.
6.Материаловедение: учеб. пособие / под общ. ред. Л.Г. Петровой, Г.В. Гладовой, О.В. Чудиной. – М.: МАДИ (ГТУ), 2008. – 288 с.
7.Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б. Н. Арзамасов [и др.]. — М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2002. — 646 с.
8.Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. – М.: Металлургия, 1968. – 568 с.
9.Геллер, Ю.А., Рахштадт, А.Г. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1975. – 448 с.
10.Гуляев, А.П. Металловедение: учебник для вузов / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986. – 542 с.
11.Позняк, Л.А., Скрынченко, С.И. Штамповые стали / Л.А. Позняк, С. И. Скрынченко. – М.: Металлургия, 1980. – 244 с.
12.Артингер, И Р. Инструментальные стали и их термическая обработка / И. Артингер. – М.: Металлургия, 1982. – 312 с.