Alp22.ru

Промышленное строительство
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Конструкционные легированные стали

Конструкционные легированные стали

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель – элементы с решеткой, отличающейся от решетки α-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.

Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг+Мо, Cr+Ni, Cr+Ni+Mo и другими сочетаниями различных элементов.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали. Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.

Никель – наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%. Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.

Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплекснолегированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

Ванадий и титан – сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).

Легированная конструкционная углеродистая сталь

Эта группа сталей наиболее многочисленна по количеству используемых сплавов. По содержанию вредных примесей эти сплавы имеют те же ограничения, что и качественная сталь. Количество углерода также аналогично. Отличие в том, что легированные стали содержат добавки других элементов, преимущественно металлов, которые повышают различные эксплуатационные свойства.

Легированная конструкционная сталь подразделяется на 3 подгруппы:

  • Низколегированная — менее 2,5% легирующих элементов;
  • Среднелегированная — 2,5-6% легирующих элементов;
  • Высоколегированная — более 6% легирующих элементов.

Использование легирующих веществ существенно повышает стоимость стали, поэтому легированные сплавы используются там, где в них есть необходимость. Наибольшее распространение получили низколегированные сплавы, содержащие хром, кремний, марганец и никель. Такие сплавы обладают хорошей прочностью, сниженной чувствительностью к старению, хорошей свариваемостью, простотой обработки резанием и давлением. Их используют для ответственных конструкций, подвергающихся высоким нагрузкам. Методы обработки сходны с теми, что используются для качественной конструкционной стали.

Обозначение легированных сталей состоит из двухзначного числа, указывающее на содержание углерода в сотых долях процента, и больших букв, обозначающих легирующие вещества. Цифра после буквы указывает содержание в процентах, если 1 или менее, то не пишется. Примеры: 20ХМ, 35Г, 40Х2Г2М.

Особой группой легированных сталей выступают нержавеющие сплавы. Они относятся к высоколегированной стали — содержание одного только хрома превышает 12%. Помимо хрома, в нержавеющих сталях присутствует хром, никель, марганец, титан. Примеры: 03Х19Г10Н7М2, 12Х18Н10Т.

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ4547-71): хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор ( Р ) , кобальт ( К ) , ниобий ( Б ) , цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные – Ш.

Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9-1,0% углерода; 17-19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

Характеристика легированных сталей

Характеристика легированных сталей

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

  • Низколегированная сталь.
Читайте так же:
Аккумулятор для шуруповерта бош

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

  • Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

  • Высоколегированная сталь.

Легированная сталь

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

  • конструкционная легированная сталь,
  • инструментальная легированная сталь,
  • легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

Цементуемые стали – это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5-10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали (табл. 4) предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки. Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевицы и поверхностного слоя металла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом (цементуют) и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка (см. гл. V) обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58-63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

Цементуемые легированные стали

Таблица 4. Цементуемые легированные стали

Легированные конструкционные стали их марки и применение

Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов находится в пределах 2.5-10% -относятся к легированным.

Наиболее широкое применение легированные стали нашли в машиностроении.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ²А².

Конструкционные цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Улучшаемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

Это среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали (табл. 5) термически улучшают (см. главу 5), подвергая закалке и высокому отпуску (500-600°С).

Улучшаемые легированные стали

Таблица 5. Улучшаемые легированные стали

Высокопрочные легированные стали

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность до σв=1300 МПа и вязкость до КС=0,8-1,0 МДж/м2. Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности σв=1500-2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали (табл. 6).

Высокопрочные легированные стали

Таблца 6. Высокопрочные легированные стали

Примечания: 1) Показатели механических свойств в числителе – после закалки от 900°С и низкого отпуска при 250°С, в знаменателе – после изотермической закалки. 2) Показатели механических свойств для стали в состоянии после закалки на воздухе и последующего старения.

Комплексно-легированные стали – это среднеуглородистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке (см. главу 5).

Мартенситостареющие стали – это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860°С с последующим старением при 450-500°С.

Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций

Низколегированные стали это…

Низколегированные стали, содержат от 0,2% С и до 2-3% в основном недефицитных легирующих элементов. Они ненамного дороже углеродистых, но обладают рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, что позволяет снизить расход металла на 15—30%; пониженной склонностью к механическому старению; повышенной хладостойкостью, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью; возможностью значительно повысить после закалки и отпуска прочность, вязкость, износостойкость и чувствительность к надрезу. Все это в сочетании с хорошей свариваемостью обусловило широкое применение этих сталей при изготовлении трубопроводов и аппаратов, всевозможных сварных конструкций в вагоностроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении и др.

Стали не флокеночувствительны и не склонны или мало склонны к отпускной хрупкости. При использовании высокопрочных бесперлитных и малоперлитных сталей с весьма низким содержанием углерода, серы и фосфора, благодаря чему достигаются очень хорошая свариваемость, высокая ударная вязкость и низкий порог хладноломкости. Высокая прочность сталей в этом случае получается благодаря микролегированию ниобием, ванадием и титаном и применению регулируемой прокатки при изготовлении.

Как показал опыт заводов, применение низколегированной стали в аппаратостроении позволяет улучшить технико-экономические показатели производства и добиться существенной экономии металла за счет более высокого предела текучести ряда марок низколегированной стали по сравнению с обычной углеродистой сталью.

Использование низколегированной стали в нефтяном аппаратостроении позволяет снизить вес конструкций до 25%, трудоемкость изготовления облегченных конструкций на 16%, трудоемкость монтажных работ на 15% и себестоимость на 20%.

Для обозначения марок низколегированной стали используют буквенно-цифровой код. Цифры в начале маркировки указывают на содержание углерода в сотых долях процента (среднее содержание), а буквы показывают, какой легирующий элемент содержится в стали. При маркировке стали для различных легирующих элементов применяют следующие обозначения:

  • Н — никель
  • Х — хром
  • Г — марганец
  • М — молибден
  • С — кремний
  • В — вольфрам
  • Ф — ванадий
  • Т — титан
  • К — кобальт
  • Ю — алюминий
  • Д — медь

Цифры, стоящие в марке после букв, указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента, если количество этого элемента превышает 1,5%.

7.1.5. Термическая обработка конструкционных сталей

По термической обработке конструкционные стали (рис. 7.3) разделяются на: цементуемые (термообработка после цементации «закалка + низкий отпуск»), улучшаемые (термообработка «закалка + высокий отпуск»). Особую группу составляют пружинные стали (термообработка «закалка + средний отпуск»).

Охлаждение при закалке для деталей из углеродистых малолегированных сталей проводится в воде (лучше в растворах NaOH) (рис. 7.4, а). Охлаждение сталей с повышенной прокаливаемостью, как правило, осуществляется в масле (рис. 7.4, б). Для некоторых сталей мартенситного класса полная прокаливаемость может быть достигнута и при охлаждении на воздухе. Для сталей, склонных к обратимой хрупкости, рекомендуется повышенная скорость охлаждения при высоких температурах отпуска.

Читайте так же:
Фиксатор стойка для арматуры

К цементуемым относятся малоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25 % (рис. 7.5). Эти стали используются для изготовления деталей, которые в процессе работы подвергаются интенсивному изнашиванию и от которых требуются высокие механические свойства (сопротивление статическим, динамическим нагрузкам или усталости). Для усиления прочностных свойств повышают содержание углерода в цементуемых сталях до 0,28 – 0,3 %. Для достижения требуемых свойств детали из этих сталей подвергают также цианированию или нитроцементации.

Цементуемые стали наиболее широко используют для изготовления шестерен, так как высокая твердость в поверхностном слое повышает усталостную прочность зубьев и уменьшает осповидный износ (питтинг).

Сущность осповидного износа заключается в образовании в поверхностном слое усталостных микротрещин от циклического действия нагрузки при работе.

Постепенно от поверхности зуба отделяются небольшие чешуйки металла и образуются оспины (язвы). Чем выше твердость поверхностного слоя и предел текучести сердцевины зуба, тем выше контактная выносливость и общая усталостная прочность зубьев шестерни. Чтобы избежать поломки зубьев шестерен, твердость сердцевины зуба должна быть 30…40 HRC (рис. 7.6).

В условиях массового производства нитроцементация малоуглеродистых сталей и карбонитрирование повышенно-легированных сталей имеют преимущества перед простой цементацией.

Улучшаемыми углеродистыми сталями являются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,3 – 0,5 %.

Улучшаемые стали условно разбиты на пять групп.

К первой группе относятся углеродистые стали. Ввиду малой прокаливаемости высокие механические свойства при использовании этих сталей достигаются в деталях малого сечения (до 10 мм) при закалке в воде. Стали этой группы используют также в нормализованном состоянии.

Ко второй группе отнесены стали, легированные преимущественно хромом или хромом и бором (для увеличения прокаливаемости). Эти стали имеют несколько более высокую прокаливаемость и примерно одинаковый с углеродистыми сталями уровень сопротивления хрупкому разрушению.

Для повышения прокаливаемости хромистые стали подвергаются дополнительному легированию марганцем, хромом, молибденом (стали 40ХГ, 40ХГР, 30ХГС, 30ХМ, 30ХГТ), примеси титана измельчают зерно. Эти стали относятся к третьей группе. Стали, легированные марганцем, имеют пониженный запас вязкости (более высокий порог хладноломкости).

К четвертой группе относятся стали, в состав которых входит 1 – 1,5 % Ni. Эти стали имеют повышенную прокаливаемость, низкое значение температуры хладноломкости и повышенную конструкционную прочность. Их рекомендуют для деталей сечением 40 – 70 мм.

Стали пятой группы имеют 2 – 3 % Ni и дополнительно легированы молибденом, вольфрамом для уменьшения обратимой отпускной хрупкости при высоком отпуске. Стали имеют высокую прокаливаемость и рекомендуются для деталей сечением 40 – 70 мм.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00

Свойства сталей

Влияние углерода на структуру и свойства сталей

Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т.е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Прочность повышается только до 1% С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность стали.

С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются .

При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

C увеличением содержания углерода в стали изменяются и физические свойства: снижается плотность, повышаются удельное электросопротивление и коэрцитивная сила, понижаются теплопроводность и магнитная проницаемость.

Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20є. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

Углерод в железоуглеродистом сплаве находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастает твердость, прочность и уменьшается пластичность.

Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

Изменение структуры стали с увеличением содержания углерода

“Пройдемся” вдоль оси содержания углерода на участке диаграммы состояния системы железо-углерод, которая соответствует сталям (рисунок 1): от 0 до 2 % углерода.

Рисунок 1 – Двойная диаграмма состояния железо-углерод

Феррит

Структура стали, содержащей от 0 до 0,02 % углерода, включает феррит и третичный цементит (рисунок 2).

Рисунок 2 – Микроструктура стали: феррит с третичным цементитом по граница зерен

Феррит и перлит

Дальнейшее увеличение содержания углерода приводит к появлению нового структурного компонента – эвтектоидного феррита и цементита (перлита). Сначала перлит появляется как отдельный включения между ферритными зернами, а затем, при содержании углерода 0,8 %, занимает весь объем. Перлит представляет собой двухфазную смесь, которая обычно имеет пластинчатую структуру (рисунок 3).

Рисунок 3 – Микроструктура перлита в стали

Перлит и цементит

Когда содержание углерода поднимается выше 0,8 %, наряду с перлитом образуется вторичный цементит. Вторичный цементит выделяется в форме игл (рисунок 4).

Рисунок 4 – Микроструктура стали: вторичный цементит (иглы) и перлит

Количество цементита возрастает с увеличением содержания углерода. При содержании углерода 2 % цементит занимает 18 % поля зрения микроскопа. При содержании углерода более 2 % формируется эвтектическая смесь.

Применение качественной конструкционной углеродистой стали

Область применения достаточно широка. Основными потребителями сплавов являются машиностроительная и строительная отрасли. Одним из достоинств считается хорошая свариваемость.

Как следует из названия, «конструкционная» — значит использующаяся для строительных металлоконструкций. Другое название – арматурные стали.

Рассматривая основные марки качественных сталей, использующиеся промышленными предприятиями можно разделить по назначению.

  1. Качественные низкоуглеродистые стали 05-10. Основное их назначение изготовление ответственных и качественных конструкций с помощью сварки (повышение количества углерода способствует понижению свариваемости). Небольшое количество углерода после сварочных работ не провоцирует образование трещин как горячем, так и в холодном состоянии.
  1. Качественные низкоуглеродистые стали 12-20. Основное их назначение изготовление элементов конструкций и деталей, которые не ответственные, малонагруженные, в последствии цементируемые. Обрабатываются резанием, холодной штамповкой, сложной вытяжкой. Требования к поверхности: износостойкость, высокая твердость при мягкой сердцевине. Изготавливаются машиностроительные элементы (вал, ось, болт, муфта, вилка, рычаг, фланцы и прочие), а также элементов котлового оборудования, работающего при высоком давлении и температурах от -40°С до 450°С (трубопровод, тройник, соединительный фланец и прочие).
  1. Качественные среднеуглеродистые стали 25-35. Детали, изготовленные из данного материала, работают при средних нагрузках и с невысокими напряжениями. После химико-термического воздействия обладают высокой прочностью поверхностного слоя, износостойкостью, но с незначительной прочностью сердцевины детали (гайка, винт, собачка, крюк, кулачок, звездочка и прочие).
  2. Качественные среднеуглеродистые стали 40-45. После термической обработки изделия из данного материала хорошо переносят средние нагрузки (вал, шестерня, шатун и прочие). Для получения заготовок используется метод горячей объемной штамповки. Подвергаются всем способам термической обработки. У всех среднеуглеродистых сталей после закалки и следующего за ним высокого отпуска внутренней структурой становится отпускной сорбит. В связи с чем повышается вязкость с пластичностью, а это низкая чувствительность у концентраторов напряженности. При увеличении диаметра изделия снижается его прокаливаемость.
Читайте так же:
Кованые основания для стола

  1. Качественные среднеуглеродистые стали 50-55. Детали из этих сталей являются высоконагруженными элементами механизмов и агрегатов (муфта, шестерня, кольцо пружинное и прочие).
  2. Качественные высокоуглеродистые стали 60-80 (Г). Изготавливаются детали, подвергающиеся постоянным напряжениям сжатия, которые эксплуатируются в условиях трения (эксцентрик, рессора, пружина и прочие), а также работающие при больших нагрузках динамических и статических (торсион, крестовина).
  1. Качественные котельные стали 12К-22К. Применение нашли при изготовлении деталей, работа котрых сопряжена с повышенными температурами и высоким давлением. Для улучшения свариваемости в состав вводится титан, а раскисление производится за счет алюминия. Из нее изготавливают сосуды и котлы, работающие с турбинами, камерами сгорания на суднах и паровых агрегатах.
  1. Сталь автоматная. Широко применяется при промышленном производстве крепежных изделий для автомобилей и узлов, работающих при статических нагрузках (болт, гайка, шпилька).

Классификация сталей

Стали классифицируют по назначению для дальнейшего использования, химическому составу, качеству, структуре.

По назначению стали принято делить на конструкционные, коррозионно стойкие (нержавеющие), инструментальные, жаропрочные, криогенные.

  • Легированная — сталь содержащая специально вводимые, в определённых количествах, элементы, которые обеспечивают требуемые физические или механические свойства. Эти элементы называются легирующими. Как правило, легирование повышает прочность, коррозийную стойкость стали, понижают хрупкость. Легированную сталь по степени легирования разделяют на: низколегированную (легирующих элементов до 2,5 %); среднелегированную (от 2,5 до 10 %); высоколегированную (от 10 до 50 %).
  • Конструкционная — сталь применяемая при изготовлении различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве, обладающая определёнными механическими, физическими и химическими свойствами.
  • Нержавеющая — легированная сталь, устойчивая к коррозии в атмосфере и агрессивных средах.
  • Инструментальная углеродистая — сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Она отличается высокой твёрдостью и прочностью и применяется для изготовления инструмента.
  • Жаропрочная — это вид стали, который подлежит эксплуатации при высоких температурах (от 30% от температуры плавления).

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали по уровню содержания углерода, в свою очередь, делятся на: низкоуглеродистые (процент содержания углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (0,3–0,55%) и высокоуглеродистые (0,6–2 %). Углерод придаёт сплавам из железа дополнительную прочность и твёрдость, но, при этом, понижая их пластичность и вязкость.

Углеродистая сталь обыкновенного качества

Углеродистая сталь обыкновенного качества содержит углерод в пределах 0,06–0,49%. К этой группе относятся следующие марки стали: Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6, Ст0. По химическому составу данный тип стали должен соответствовать ГОСТ 380-94, а производимый из нее металлопрокат должен соответствовать общим техническими условиями ГОСТ 535-2005.

Чаще всего для изготовления металлопродукции используется сталь марки Ст3сп/пс1-5: из нее изготавливается сортовой, фасонный, листовой и рулонный прокат, а также горячекатаные трубы.

Качественная углеродистая сталь

Низкоуглеродистая качественная конструкционная сталь (марки 08, 08кп, 08пс) — используется при изготовлении листового проката. Это мягкая сталь, и она легко обрабатывается штамповкой, давлением, профилированием.

Качественная конструкционная сталь (марки 10, 15, 20, 25) — используется при изготовлении стальных труб, в машиностроении. Она обладает более высокой прочностью и коррозеустойчивостью по сравнению с маркой Ст3.

Твердая качественная сталь (марки 30, 35, 40, 45) — используется в машиностроении при изготовлении сильно нагруженных деталей машин. Эти марки стали обладают высокой износостойкостью и еще более устойчивы к коррозии.

Для улучшения характеристик сталей применяют ее легирование. Цели легирования — это повышение: прочности, устойчивости против коррозии, термостойкость, жаропрочность и т.д.

Легирование — это процесс добавление в состав материалов примесей, вводимых для изменения свойств основного материала.

Легированные стали по уровню содержания легирующих элементов делятся на низколегированные (до 4%), среднелегированные (до 11%) и высоколегированные (более 11%).

Стали, в зависимости от технологии их производства, могут содержать разное количество примесей.

Уровень содержания примесей определят (классифицирует) качество стали: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре стали разделяются на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную и двухфазную и многофазную.

Производство стали заключается в переработке чугуна, при котором в чугуне уменьшается концентрация углерода и других ненужных примесей.

Физические и химические свойства стали определяется ее составом и структурой, которые зависят от присутствия и процентного содержания следующих основных составляющих:

Конструкционными улучшаемыми сталями являются

В зависимости от условий эксплуатации (ответственности деталей) легированные стали применяются после простейшего вида термической обработки (нормализации) или двойной термической обработки (закалки отпуск). В зависимости от марки стали (содержание углерода, легирующих элементов) и режима термической обработки (условий закалочного охлаждения, температуры отпуска) могут быть получены разные уровни прочности, отличающиеся приблизительно в два раза. Примерные механические свойства в зависимости от полученного уровня прочности приведены в табл. 30.

Разумеется, приведенные в табл. 30 цифры ориентировочные, так как пластичность и в особенности вязкость зависят при равной прочности от многих факторов — марки стали, режима термической обработки, размера зерна, чистоты и т. д., но, главное, она показывает более высокие пластичность и вязкость термоулучшенной стали, вследствие более низкого значения порога хладноломкости.

Читайте так же:
Кварцевая лампа для сада

Режим термической обработки конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода.

Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке — закалке отпуску, причем среднеуглеродистые — обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые — низкому.

Режим закалки определяется положением критических точек и способностью аустенита к переохлаждению.

Нагрев под закалку проводят, как правило, до температуры, незначительно превышающей (на 30-50 °С) точку . У большинства марок конструкционных низкоуглеродистых сталей эта температура составляет примерно 900 °С и у среднеуглеродистых — 850 °С.

Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах — в масле), так как малая

устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (600 °С) быстрое охлаждение при закалке.

Увеличение содержания легирующих элементов приводит, как мы уже знаем, к увеличению устойчивости переохлажденного аустенита. В конструкционных сталях обычного состава содержание легирующих элементов таково, что становится возможной закалка в масле. В некоторых случаях с несколькими легирующими элементами (например, в хромовольфрамовых или хромоникельмолибденовых сталях) перлитное превращение аустенита настолько задерживается, что охлаждением деталей больших размеров на спокойном воздухе достигается переохлаждение аустенита до температур мартенситного превращения.

Рис. 289. Влияние отпуска на механические свойства хромоникелевой стали: а — низкоуглеродистой; б — среднеуглеродистой

Рассматривая условия, которые необходимо создать для охлаждения при закалке легированных конструкционных сталей, мы должны вспомнить еще об одной особенности кинетики распада аустенита сталей, легированных карбидообразующими элементами. В этих сталях (низкоуглеродистых) скорость бейнитного превращения при 300-400 °С оказывается существенно более высокой, чем скорость перлитного распада (500-600 °С) (см. рис. 283).

В виде общего вывода важно заметить, что у легированных сталей мартенситная структура может быть достигнута более медленным охлаждением, чем у углеродистых; более медленное охлаждение создает меньшие внутренние напряжения, что является фактором, повышающим конструктивную прочность.

Закалка стали на мартенсит — это первый этап термической обработки конструкционной стали. Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии. Необходим

отпуск, повышающий пластичность и вязкость и уменьшающий внутренние напряжения.

Отпуск — завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.

На примере хромоникелевой низко- и среднеуглеродистой стали (наиболее типичной) рассмотрим, как изменяются механические свойства в зависимости от температуры отпуска (рис. 289).

В обоих случаях с повышением температуры отпуска (выше 200 °С) предел прочности падает, а пластичность (в данном случае относительное сужение) возрастает.

В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит. Отпуск при снимает (конечно, только частично) внутренние напряжения и несколько повышает пластичность. В лучших сортах низкоуглеродистых легированных сталей при такой термической обработке (закалка отпуск при достигается высокий комплекс механических свойств при до Структура после такой обработки состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита.

Для среднеуглеродистых конструкционных которых после закалки получается мартенсит с большим содержанием углерода, такой отпуск недостаточен, если стремиться получить высокую вязкость.

При низком отпуске прочность будет повышенной а пластичность и вязкость — низкими. Поэтому для этих сталей необходим более высокий отпуск, который обычно проводят при При этой температуре происходит полный распад мартенсита с образованием зернистой высокодисперсной феррито-карбидной смеси — сорбита. Механические свойства при этом будут примерно такими же, как и при низкотемпературном отпуске малоуглеродистых сталей, т. е.

Итак, можно сделать некоторые выводы.

Типичным режимом термической обработки для получения лучшего комплекса механических свойств являются: для малоуглеродистых легированных сталей — закалка с в масле с отпуском при (структура отпущенного мартенсита); для среднеуглеродистых легированных сталей — закалка с в масле с отпуском при 550—650°С (структура сорбита). В обоих случаях механические свойства получаются почти одинаковые

В ряде случаев от этих основных режимов термической обработки отступают и применяют несколько иные.

Так, высоколегированные низкоуглеродистые стали иногда отпускают при высокой температуре. Это делается для получения большей пластичности и вязкости (за счет некоторого снижения прочности).

Среднеуглеродистые стали, если требуется получить особо высокую прочность отпускают при надо, однако, иметь в виду, что ударная вязкость при этом сравнительно низкая

Высокое сочетание прочности и вязкости получается в некоторых сталях в результате изотермической закалки с распадом аустенита в промежуточном интервале температур (300— 400 °С).

Наиболее высокую прочность получают путем Технологическое осуществление ТМО, однако, достаточно сложно.

Рис. 290. Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали: 1 — быстрое охлаждение; 2 — медленное охлаждение

Рассмотрим теперь, как влияют температура отпуска и скорость охлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали (рис. 290). Поскольку влияние этих факторов на эти свойства иное в легированных сталях, чем в углеродистых.

При медленном охлаждении после отпуска кривая ударной вязкости имеет два минимума — для отпуска при 300 °С и при Охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска называется отпускной хрупкостью. Понижение вязкости при этом вызвано повышением температуры перехода в хладноломкое состояние. Различаются два рода отпускной хрупкости.

Отпускная хрупкость I рода проявляется при отпуске примерно всех сталей, независимо от их состава и скорости охлаждения после отпуска.

Развитие отпускной хрупкости I рода вызывается неравномерностью распада пересыщенного твердого раствора углерода в о-железе (в отпущенном мартенсите). Распад протекает при этих температурах наиболее полно (почти до конца) по границам зерен, в результате чего появляется резкое различие между прочностью пограничных слоев зерна и телом самого зерна. В этом случае менее прочные приграничные слои начинают играть роль концентратов напряжения, что и приводит к хрупкому разрушению. При увеличении продолжительности отпуска или при повышении температуры степень распада а-раствора должна выравниваться по зерну, а вязкость стали восстанавливается. Впрочем сказанные соображения надо рассматривать как предположительные.

Отпускная хрупкость II рода обнаруживается после отпуска выше Характерная особенность хрупкости этого вида заключается в том, что она проявляется в результате медленного охлаждения после отпуска: при быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а монотонно возрастает с повышением температуры отпуска (как показывает верхняя кривая, приведенная на рис. 290). Однако отпускная хрупкость II рода снова может быть вызвана новым

Читайте так же:
Электролобзик пилит в сторону

высоким отпуском с последующим замедленным охлаждением.

Следует отметить, что остальные характеристики механических свойств практически не зависят от скорости охлаждения после отпуска.

Не все стали склонны к отпускной хрупкости II рода. Она не появляется у углеродистых сталей. Склонность к отпускной хрупкости возникает при легировании стали карбидообразующими элементами (марганца, хрома) при наличии в ней более 0,01 % Р. Хром делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске, особенно если, кроме хрома, сталь содержит еще никель или в повышенном количестве марганец. Если марганец и фосфор усиливают эту чувствительность, то молибден и в меньшей степени вольфрам уменьшают ее.

Опыты показали, что если легированную сталь, быстро охлажденную после отпуска при 650 °С, вновь подвергнуть продолжительному нагреву при 500-520 °С, то независимо от скорости последующего охлаждения в стали развивается хрупкость. Следовательно, в стали при температурах ниже 600 °С совершаются какие-то диффузионные процессы, приводящие к охрупчиванию.

Какова природа отпускной хрупкости II рода?

Металлографически показано, что развитие отпускной хрупкости сопровождается выделением избыточных фаз по границам зерна.

Рис. 291. Микроструктура хромоникелевой стали после отпуска при 550 °С, X 500: а — медленное охлаждение — хрупкое состояние; б — быстрое охлаждение — вязкое состояние

Оказывается также, что наряду с этим происходит обогащение границ зерна фосфором, выявляемое травлением пикриновой кислотой (рис. 291, а).

Такое же травление стали, находящейся в вязком состоянии, не выявляет границ зерен (рис. 291, б).

Выдвинуто объяснение явления отпускной хрупкости II рода (Л. М. Утевским), которое вкратце сводится к следующему.

При высоком отпуске по границам зерна происходит более ускоренное (в сравнении с объемом зерна) карбидообразование и насыщение карбидной фазы марганцем, хромом, а также образование специальных карбидов (при соответствующей легированности). Этот процесс приводит к обеднению карбидообразующими элементами приграничных слоев зерна. При последующем медленном охлаждении (или во время выдержки при 500-520 °С) происходит обогащение этих приграничных слоев фосфором, так как при температурах ниже 600 °С фосфор приобретает стремление к диффузионному перераспределению в направлении участков, обедненных карбидообразующими элементами (явление восходящей диффузии), а диффузионная подвижность атомов фосфора при этих температурах достаточно велика. В итоге сталь охрупчивается из-за ослабления прочности межзеренных сцеплений.

При новом отпуске с последующим быстрым охлаждением хрупкость будет снята. Произойдет это потому, что выше неравномерность распределения фосфора по зерну уже не может сохраниться, его концентрация выравнивается, а при быстром охлаждении в районе температур ниже фосфор уже не успевает перераспределяться и вновь обогатить границы зерен.

Благоприятное влияние небольших добавок молибдена тормозящих и даже иногда устраняющих отпускную хрупкость II рода, объясняется тем, что молибден слабо участвует в образовании легированного цементита и при таких содержаниях не образует специальных карбидов. Поэтому обеднения приграничных участков зерен молибденом не происходит. Присутствие же молибдена в растворе уменьшает разницу в диффузионной подвижности атомов по границам и в объеме зерна и тем самым ослабляет возникновение неоднородности по другим карбидообразующим элементам. Вместе с тем молибден устраняет вредное влияние фосфора по границам зерен.

При более высоком содержании молибдена в стали уже может возникать специальный карбид. Это будет приводить к обеднению границ зерна молибденом при отпуске и к обогащению их фосфором при замедленном последующем охлаждении. Следовательно, при более высоких содержаниях молибден будет уже способствовать развитию отпускной хрупкости. Примерно также действует и вольфрам.

Из сказанного следует, что во избежание охрупчивания нужно избегать интервала температур отпускной хрупкости первого рода (300-400 °С). Для сталей, склонных к отпускной хрупкости II рода, следует предусматривать быстрое охлаждение после отпуска. Эти стали не должны в работе нагреваться до высоких температур (500— 600 °С), так как это может также повести к охрупчиванию. В тех случаях, когда после отпуска нельзя создать быстрое охлаждение (например, для очень крупных деталей), следует применять стали, легированные молибденом, замедляющим развитие отпускной хрупкости II рода.

Применение чистых сталей по фосфору в первую очередь, а также по примесям внедрения (кислорода, азота, водорода) и цветным металлам (олова, сурьмы и др.) более эффективное средство, чем дополнительное легирование молибденом или вольфрамом для устранения склонности к отпускной хрупкости II рода.

Среднеуглеродистая сталь, марки, свойства и особенности сплава

США
Россия
Украина
Беларусь
Молдова

  1. 5
  2. 4
  3. 3
  4. 2
  5. 1

Среднеуглеродистая сталь — это сталь, которая не содержит легирующих элементов и имеющая в себе 0,25-0,6% углерода и постоянные примеси. Сплав относится разряду сталей обыкновенного качества, выплавляются в конвертерных печах с применением кислорода и являются не дорогими сталями в силу относительно не дорогостоящего производства. По своим механическим свойствам значительно уступают другим сплавам.

Также такая сталь относится к улучшаемым, т.е. необходима дополнительная термообработка, включающая в себя закалку и высокий отпуск. Среднеуглеродистая сталь поддается легированию, что придает ей особые механические свойства. Добавление марганца повышает прочность стали и вносит высокие упругие свойства, эти свойства приобретаются после закалки, отпуска и иногда нормализации. Добавление хрома и никеля повышает прочность, вязкость и другие технологические свойства. Сплавы этого класса имеют глубокую прокаливаемость.

Среднеуглеродистая сталь низколегированная применяется в области машиностроения после термообработки, закалки и отпуска. Некоторые марки с низким отпуском и после нормализации. Это позволяет изготавливать детали, работающие в условиях относительно большого трения, где есть высокие вибрационные и статические нагрузки. Среднеуглеродистая сталь конструкционная, успешно применяется для деталей машин, но ее необходимо подвергнуть улучшению. Изготавливают муфты торможения, работающие всухую, детали, подвергающиеся большим нагрузкам трения.

Так как сплав сохраняет высокую твердость и хорошую режущую способность долгое время, он применяется для производства режущих инструментов. Содержание кремния повышает прочность и одновременно снижает вязкость. В результате чего уменьшается прокаливаемость деталей. Данный тип сплава применяется для изготовления рессор и пружин. Наличие в среднеуглеродистой стали хрома и марганца также повышает прочность и износоустойчивость. Металл хорошо сваривается, поэтому используют для создания прочных сварных конструкций или деталей.

Марки среднеуглеродистой стали

Марки среднеуглеродистой стали регламентированы ГОСТами: ГОСТ 1050-75, ГОСТ 380-71.

США
Россия

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector