Ой семестр

+1.Влияние на сталь углерода и постоянных примесей. Главным элементом в стали является углерод, и это единственная примесь которая специально вводится в сталь. С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твердость, а пластичность и вязкость снижаются, кроме этого углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние. Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. Углеродистые стали, в отличие от легированных, менее технологичны при термической обработке и у этих сталей очень небольшая прокаливаемость.

Получаемая в промышл. углеродистая сталь имеет довольно сложный химический состав. Содержание железа в ней может быть в пределах 97,0 – 99,5% и попадает марганец, кремний, сера фосфор, кислород, азот, водород, случайные примеси хром, никель, медь и кроме того не металлические включения. Постоянными примесями в стали считаются такие которые попадают в нее в процессе получения, разливки а также из исходных материалов, топлива, футеровки печей и атмосферы. Марганец в виде оксида постоянно находится в железных рудах, также попадает встали при раскислении ее ферромарганцем при выплавке. Аналогично воздействует на св-ва стали кремний, растворяющийся только в феррите. К постоянным примесям в стали относятся фосфор и сера. Эти элементы оказывают существенное влияние на механические, технологические и др. св-ва стали. Фосфор попадает из руды, топлива, и флюсов, используемых в металлургическом производстве. Сера присутствует в небольших количествах в железных рудах и металлург-ом топливе и поэтому попадает в сталь во время металлургического процесса. Кислород в крист. Решетке железа не растворяется, поэтому в стали он присутствует в виде зерен оксидов железа и др. элементов. Эти не металлические включения снижают прочностные и пластические св-ва стали. Азот в очень маленьких кол-вах растворяясь в феррите упрочняет сталь на превышающую допустимое значение охрупчивает. При выплавке стали в нее попадает водород, он охрупчивает его. Включения оксидов Mn. Si. Al могут образовываться в стали как продукты реакций раскисления на определенном этапе выплавки, а также попасть в нее из футеровки печей. Все неметаллические примеси существенно ухудшают металлургическое качество стали и снижают ее мех. Св-ва.

+2.основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкость и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений, перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению. введение в сталь 1% никеля приводит к снижению порога хладноломкости на 60-80 С, а легирование стали 3-4% никеля обеспечивает ей глубокую прокаливаемость.

Хром повышает жаростойкость и коррозионную стойкость стали, увеличивает ее электрическое сопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения. легирование стали хромом приводит к уменьшению склонности аустенитного зерна к росту при нагреве, существенному увеличению ее прокаливаемости, а также к замедлению процесса распада мартенсита.

Кремний широко используется при выплавке стали как раскислитель. легирование кремнием углеродистых и хромистых сталей увеличивает их жаростойкость.уменьшая подвижность углерода в феррите, кремний тем самым затрудняет формирование и рост цементитных частиц, что проявляется в повышении устойчивости структуры стали при отпуске. Содержание кремния в стали ограничивают, поскольку он повышает склонность стали к тепловой хрупкости.

Марганец подобно никелю, снижает критическую скорость охлаждения, но в отличие от последнего уменьшает и вязкость феррита. Марганец используется для частичной замены никеля с целью получения нужного сочетания механических св-тв стали, а также с учетом меньшей стоимости марганца.

Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие вводят в сталь совместно с хромом, никелем и марганцем для дополнительного улучшения ее свойств.

3. Классификация легированных сталей. В основу классификации легированных сталей заложены четыре при­знака: равновесная структура (после отжига), структура после охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение сталей. По типу равновесной структуры стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру, а доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат соответственно избыточный феррит или вторичные кар­биды типа М₃С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей при­сутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами вкупе с аустенитом; поэтому по структуре они могут быть отнесены к белым чугунам, но их причисляют к сталям с учетом меньшего, чем у чугунов, содержа­ния углерода (< 2%) и возможности подвергать пластической деформации.

Классификация по структуре после нормализации предполагает раз­деление сталей на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Такое подразделение обусловлено тем, что с уве­личением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита в перлитной области; одновременно снижается температурная область мартенситного превращения. Все это приводит к изменению получаемых при нормализации структур от перлита в относи­тельно малолегированных сталях до мартенсит и аусте­нита.

Классификация по химическому составу предполагает разделение ле­гированных сталей на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. п. Согласно той же классификации стали подразделяют по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные, легированны и высоколегированные. Разновидностью классификации по химическому составу является классифи­кация по качеству. Качество стали — это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, I строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержа­ния газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей — серы и фосфора. По качеству легированные стали подразделяют на качественные (до 0,04% S и до 0,035% Р), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025% Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и до 0,025% Р).

По назначению стали подразделяют на конструкционные (например, цементуемые, улучшаемые), инструментальные и с особыми свойствами. К последним относят «автоматные», пружинные, шарикоподшипниковые, из­носостойкие, коррозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, элек­тротехнические и другие стали.

4. Маркировка легированных сталей. Обозначение марки включает в себя цифры и буквы, указывающие на примерный состав стали. В начале марки приводятся двузнач­ные цифры (например, 12ХНЗА), указывающие среднее содержание углеро­да в сотых долях процента. 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, X — хром, Ц —цирконий, Ч — редкозе­мельные элементы, Ю — алюминий. Следующие после буквы цифры указы­вают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего леги­рующего элемента (при содержании 1—1,5% и менее цифра отсутствует, например 30ХГС). Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные — буквой Ш, помещенными в конце марки (30ХГСА, ЗОХГС-Ш). Если буква А расположена в середине марки (14Г2АФ), I то это свидетельствует о том, что сталь легирована азотом. При обозна­чении автоматных сталей с повышенной обрабатываемостью резаниембуква А ставится в начале марки (А20, А40Г). Если автоматная сталь ле­гирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв АС (АС35Г2, где цифра 35 обозначает среднее содержание углерода в сотых долях процента). Маркировка шарикоподшипниковой стали на­чинается с буквы Ш (ШХ15, где 15 — среднее содержание хрома в деся­тых долях процента). В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра, отражающая концентрацию вольфрама (Р18, Р6М5). Опытные стали, выплавленные на заводе «Электро­сталь», первоначально обозначают буквами ЭИ (электросталь исследова­тельская) или ЭП (электросталь пробная) с порядковым номером разработки (освоения), например ЭИ962 (11Х11Н2В2МФ), ЭПЗЗ (10Х11Н23ТЗМР). Такое упрощенное обозначение сталей, особенно высоколегированных, в дальнейшем широко используется и в заводских условиях. При маркировке сплавов на железоникелевой основе указывается коли­чественное содержание никеля (в процентах) с перечислением лишь буквен­ных обозначений остальных легирующих элементов, например ХН38ВТ, ХН45МВТЮБР

+5.цементуемые. К данной группе сталей относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,3% обеспечивающие после химикотермической обработки, закалки и низкого отпуска высокую поверхностную твердость при вязкой, но достаточно прочной сердцевине. Эти стали используются для изготовления деталей машин и приборов испытывающих переменные и ударные нагрузки и одновременно подверженные износу. Карбидо- и нитридообразующие элементы способствуют повышению прокаливаемости, поверхностной твердости, износостойкости и контактной выносливости. Никель повышает вязкость сердцевины и диффузионного слоя и снижает порог хладноломкости. Легированные стали ванадием, титаном, алюминием, ниобием, приводит к образованию дисперсных нитридов или карбонитридов. Цементуемые легированные стали по механическим св-ам подразделяют на две группы: стали средней прочности и повышенной прочности. Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простоя формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0,2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей. Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения. испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих

хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости в прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. После цементации эти стали имеют высокие механические свойства. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.

6.улучшаемые Улучшаемые легированные стали. Улучшаемыми называют такие стали, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Эти стали (40Х, 40ХФА,и др.) содержат 0,3—0,5% углерода и 1—6% легирующих эле­ментов. Данные стали применяют для изготовления валов, шатунов, штоков и других деталей, подверженных воздействию цик­лических или ударных нагрузок. В связи с этим улучшаемые стали должны обладать высоким пределом текучести, пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезу. Хромистые улучшаемые стали (ЗОХ, 40Х, 50Х) содержат 1% Сг, 0,65%
Повышенное содержание углерода в них вызывает увеличение прочности, но приводит к сниже­нию пластичности и вязкости разрушению. Стали обладают небольшой прокаливаемостью, увеличение которой дости­гается микролегированием их бором, однако при этом повышается порог хладноломкости. Хромокремниймарганцевые стали содержат по 1% хрома, марганца и кремния и характери­зуются хорошими механическими и технологическими св-ми Хромоникелевые стали. Они отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью. хромоникелевые стали, также как хромансил и хромистые, склонны к обратимой отпускной хрупкости и должны охлаждаться после высокого отпуска с большой скоростью (в воде или масле).

Отпускной хрупкостью называют охрупчивание стали при некоторых условиях отпуска. Различают два рода отпускной хрупкости, Отпускная хрупкость I рода проявляется при отпуске около 300 °С и вызывается неравномерностью распада мартенсита по объему и границам зерен. Менее прочные приграничные слои зерен, претерпевающие почти полный распад на ферритно-ементитную смесь, играют роль концентраторов напряжений, что в конечном итоге вызывает хрупкое разрушение.

Отпускная хрупкость II рода проявляется лишь в результате медленного охлаждения после отпуска при температурах выше 500 °С. При быстром охлаждении вязкость не уменьшается, а, наоборот, возрастает с повышением температуры отпуска. присутствие молибдена или вольфрама в стали затормаживает диффузионные процессы, уменьшает разницу в диффузионной подвижности атомов в объеме и по границам зерна и тем самым существенно препятствует возникновению неоднородности между указанными зонами.

7.конструкционные углеродистые обыкновенного качества и качественные стали. Углеродистая конструкционная сталь подразделяется на сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380—71) и качественную (ГОСТ 1050-74).

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного каче­ства наиболее дешевы. Эти стали содержат повышенный процент вредных примесей серы (мартеновская до 0,055% и бессемеровс­кая до 0,060%) и фосфора (мартеновская до 0,045% и бессеме­ровская до 0,080%).

В зависимости от назначения стали обыкновенного качества под­разделяются на три группы — А, Б, и В.

Стали всех групп с номерами 1—4 изготавливаются кипящие (КП), спокойные (СП) и полуспокойные (ПС); с номерами 5—6 — полуспокойные (ПС) и спокойные (СП).

В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой груп­пы делится на категории:

группа А — категории 1, 2, 3;

группа Б — категории 1,2;

группа В — категории 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Группа А — стали обыкновенного качества, поставляемые по механическим свойствам без уточнения химического состава. Ста­ли этой группы маркируются буквами Ст. и цифрами 0, 1,2, 3, 4, 5, 6. Чем больше число, тем выше прочность стали.

Для обозначения категории к маркировке в конце добавляют номер категории (первую категорию не указывают). Например СтЗпс2, СтЗ.

Стали группы А используются в состоянии поставки без после­дующей горячей обработки давлением и термической обработки.

Группа Б — стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Их маркируют индексом Б, буквами Ст и цифрами 0, 1,

2, 3, 4, 5, 6. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода. В
конце маркировки указывается номер категории, например БСт1,
БСт2-2, БСтЗкп.

Группа В — стали, поставляемые с гарантируемым химическим составом. Их маркируют индексом В, буквами Ст и цифрами 1, 2,

3, 4, 5. В конце марки добавляют цифру, указывающую номер кате­гории. Например, ВСт2-2, ВСтЗкп-4.

Стали групп Б и В можно подвергнуть горячей обработке давле­нием и термической обработке (нормализации, закалке и отпуску).

Стали обыкновенного качества, применяют для изготовления строительных конструкций, арматуры и неответственных деталей машин, их поставляют в виде проката: балок, швеллеров, прутов, листов, труб и т.д.

Углеродистые качественные стали выплавляют в мартеновских или электрических печах; в зависимости от способа раскисления они могут быть спокойными или кипящими. В качественных сталях сужены пределы по содержанию углерода, снижено содержание серы до 0,04% и фосфора до 0,04%.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 10, 20, 45 и т.д., которые показывают среднее содержание углерода в со­тых долях процента.

Стали с малым содержанием углерода 08, 10, 15, 20 имеют от­носительно низкую прочность (ст_в = 330 — 420 МПа) и высокую пластичность (5 = 25 — 32% и \|/ = 55 — 60%). Эти стали хорошо свариваются и штампуются.

Штампуемость стали сильно зависит от химического состава: чем больше углерода в стали, тем хуже штампуемость. Увеличение со­держания кремния снижает штампуемость, особенно при вытяжке. Поэтому стали, применяемые для холодной штамповки, особенно для глубокой вытяжки, имеют пониженное содержание углерода и кремния (не более 0,08%).

Стали марок 25, 30, 40, 45, 50 имеют более высокую прочность (сг = 460 — 640 МПа) при пониженной пластичности (5 = 23 — 14% и у =50-40%).

Стали марок 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50 применяют также в виде калиброванных холоднотянутых прутков и проволоки точ­ных размеров. В результате наклепа повышается прочность, но сни­жается пластичность.

8. Легированные стали

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных кон­центрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

Стали, в которые добавляют легирующие элементы, называют­ся легированными.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н — ни­кель; X — хром; К — кобальт; М — молибден; Г — марганец; Д — медь; Р — бор; Б — ниобий; Ц — цирконий; С — кремний; П — фосфор; Ч — редкоземельные металлы; В — вольфрам; Т — титан; Ф — ванадий; Ю —алюминий.

Первые цифры в маркировке конструкционных сталей показы­вают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после букв, указывают среднее содержание данного леги­рующего элемента.

Если содержание элемента равно примерно 1%, то цифра отсут­ствует. В высококачественных сталях в конце обозначения ставят бук­ву А. Например, сталь состава 0,28-0,35% С; 0,8-1,1% Сг; 0,9-1,2% Мп; 0,8—1,2% Si будет обозначаться ЗОХГС.

Маркировка сложнолегированных инструментальных сталей не­сколько отличается от маркировки конструкционных сталей. На­пример, сталь Х12М содержит 1,45-1,70% С; 11-12,5% Сг; 0,5-0,8%Мо. Шарикоподшипниковые стали обозначаются буквой Ш, быстрорежущие — буквой Р.

Опытные марки сталей, не включенные в ГОСТ, обозначаются буквами ЭИ, ЭП, ДИ и порядковым номером. Например, ЭИ956, ЭИ958, ЭП478, ДИ22, ДИ42 и т.д.

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут находиться:

в свободном состоянии (медь и свинец не растворяются в стали и находятся в свободном состоянии в виде металлических включений);

в виде интерметаллических соединений с железом или между собой (интерметаллические соединения образуют большинство ле­гирующих элементов при определенных концентрациях, а поэтому чаще всего они встречаются в высоколегированных сталях);

в виде оксидов и сульфидов (оксиды образуют все элементы, вводимые в сталь для раскисления, а сульфиды — элементы, обла­дающие большим сродством с серой, чем железо);

в виде карбидов (растворяются в цементе или образуют само­стоятельные карбиды);

в виде раствора в железе (элементы, расположенные в периоди­ческой системе левее железа, могут и растворяться, и образовы­вать карбиды, а элементы, расположенные правее железа, образу­ют с ним только твердые растворы).

9.Рессорно-пружинные стали. Стали, применяемые для изготовле­ния рессор и пружин, должны обладать высокими пределом упругости (текучести) и пределом выносливости.

Для изготовления пружин и рессор применяют конструкционные стали с повышенным содержанием углерода 0,5-0,7%, дополнительно легированные кремнием, марганцем, хромом и ванадием

Углеродистые рессорно-пружинные стали после окончательной термической обработки должны иметь предел текучести не ниже 800 МПа, а легированные стали — не менее 1000 МПа.

Для получения этих свойств стали подвергают закалке и среднему отпуску при 350-500°С (в зависимости от состава стали) с целью получения структуры троостит отпуска. Легированные стали отпускают при более высоких температурах, чем углеродистые.

Стали 65, 70, 75, 65Г применяют для изготовления пружин и рессор небольшого сечения, испытывающих незначительные на грузки.

Стали, легированные кремнием (50С2, 55С2, 60С2), имеют бо­лее высокий предел текучести и повышенные упругие свойства, чем углеродистые. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, образованию поверхностных дефектов при горячей обработке и графитизации. Кроме того, они трудно обрабатывают­ся резанием. Поэтому кремнистые стали заменяют кремнемарганцовистыми (60СГ), хромованадиевыми (50ФХА) и более сложно-легированными.

Сталь 50ХФА применяют для ответственных изделий, работаю­щих при повышенных температурах (до 300°С), многократных пе­ременных нагрузках и т.д. Сталь обладает высокой прокаливаемое тью и малой склонностью к росту зерна.

На качество и работоспособность пружин большое влияние ока­зывает состояние поверхности. При наличии трещин и других де­фектов на поверхности срок службы уменьшается. Разрушение про­исходит вследствие развития усталостных трещин в местах концен­трации напряжений вокруг этих дефектов.

Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и высоким пределом усталости, так как в процессе эксплуатации детали подшипника воспринимают значительные знакопеременные нагрузки. Поэтому шарикоподшипниковые стали должны быть чистыми: недопустимо наличие неметаллических включений, неравномерное распределение карбидов, наличие пузырей и пор. Эти дефекты являются концентра­торами напряжений, вызывающими образование трещин и выкрашивание металла, что приводит к преждевременному выходу под­шипника из строя.

Обозначение шарикоподшипниковых сталей отличается от конструкционных, буквы ШХ расшифровывают так: шарикоподшип­никовая хромистая, цифра указывает примерное содержание хро­ма в десятых долях процента.

Сталь ШХ15 применяют для изготовления колец шарико- и ро­ликоподшипников диаметром до 20—25 мм, а также для изготовле­ния обратных клапанов, валиков топливных насосов и др.

Для изготовления крупногабаритных колец шарико - и ролико­подшипников диаметром до 50—64 мм применяют сталь ШХ15СГ. Изделия из сталей ШХ15 и ШХ15СГ подвергают закалке для получения структуры мартенсит с избыточными карбидами и твер­дости 62—65 HRC. После закалки проводят низкотемпературный отпуск при 150-18

10.Автоматные и износостойкие стали. Содержат повышенное содержание серы (до 0,15 – 0,3%) и фосфора (0,05-0,15%). Из-за повышенного содержания серы и фосфора автоматные стали хорошо обрабатываются резанием и при этом, получается высокое качество поверхности. Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, которые указывают содержание углерода в сотых долях процента, например А12, А20, и т.д. При повышенном содержании марганца в марку стали добавляется буква Г, например А30Г.

Автоматную сталь применяют для изготовления болтов, гаек, винтов и т.д.

С целью повышения прочности автоматные стали подвергают холодной протяжке, в результате чего они наклепываются. Например у стали А20 предел прочности повышается с 460-610МПа до 620-800 МПа.

Автоматные стали, содержание до 0,20% С, применяют в качестве цементуемых, а с более высоким содержанием углерода – в качестве улучшаемых.для фасонного литья, особенно в транспортном машиностроении, применяют углеродистые стали, которые маркируют цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента, и буквой Л – литая, например, 15Л, 40Л.

Износостойкие стали. Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и 11,5-14.5% Mn. Она обладает следующими механическими свойствами: s_0.2=250¸350МПа, s_в=800¸1000МПа, d=35¸45%, y=40¸50%.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.