Курс лекций по "Материаловедению"

- сопротивлением износу при трении;

- состоянием поверхности;

- коррозионной стойкостью материала.

 

 

 

15.1. Классификация конструкционных сталей

 

Конструкционные стали  по условиям работы делятся на автоматные, улучшаемые, высокопрочные, цементуемые, азотируемые, пружинно-рессорные, шарикоподшипниковые.

- 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).

- улучшаемые легированные стали 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 (σ_0,2);

- высокую пластичность с малой чувствительностью к надрезу;

- глубокую прокаливаемость;

- мелкое зерно;

- отсутствие развития отпускной хрупкости.

По прокаливаемости  улучшаемые стали делятся на 4 группы:

 

Глубина закаленного  слоя, мм                   Марка стали

25-35                                                     30X, 40X, 40ХМНА, 40ХФА;

50 - 75                                           40ХГТР, З0ХГС, 35ХГСА;

70 - 100                                           30ХН3А, 40XH2MA, 30ХГСНА;

более 100                                36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА, 18Х2Н4МА.

- высокопрочные стали . К ним относятся среднеуглеродистые, комплекснолегированные стали с пределом прочности (σ_в) более 1400 - 2000 Мпа:

- полученные при помощи закалки и низкого отпуска;

- термомеханической обработки;

- мартенситостареющие стали.

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;

- цементуемые легированные стали. 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;

- азотируемые легированные стали. 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.

- 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 σ_упр / σ_в 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.

- 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.

- 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.  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;

<span class="dash041e_0431_044b_0447_043d_044b_0439__Char" style=" font-size: 10pt; text-decoration: none;