Файл: Учебное пособие Пермь, 2011 удк 621. 791 Рецензенты др техн наук, проф. Ю. Д. Щицын.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.05.2024
Просмотров: 117
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Si, 0,5…0,6 % Mn, 0,1 % Р, 0,1 % S (для чугунов, имеющих В 800 МПа, содержание S 0,01 %).
Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную основу. Сорбитообразный перлит придает чугунам наибольшую прочность.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов, корпуса турбин, коленчатые валы, поршни, кронштейны) и другие ответственные детали.
Ковкий чугун
Если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то цементит распадается, и графит приобретет хлопьевидную форму. Это обеспечивает чугуну с твердостью 163 НВ (1630 МПа) некоторую пластичность при растяжении ( до 12 %). Поэтому такие чугуны называются ковкими, хотя ковать их невозможно.
Степень графитизации зависит от длительности отжига.
Твердость ферритного чугуна 163 НВ (1630 МПа), перлитного 240…269 НВ (2400…2690 МПа). Наибольшую прочность имеют чугуны с перлитной (сорбитной) структурой. Влияние хлопьевидного графита на механические свойства чугунов примерно такое, как шаровидного.
Из ферритных ковких чугунов изготавливают изделия, работающие как при высоких статистических и динамических нагрузках, так и менее ответственные детали (головки, хомуты, гайки, фланцы муфт). Из перлитного ковкого чугуна делают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, втулки, тормозные колодки.
Из высокопрочного магниевого чугуна отливают детали большого сечения, из ковкого, главным образом, тонкостенные.
6. Стали.
6.1. Углеродистые стали. Классификация и маркировка
Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02…2,14 %) с постоянными примесями марганца (до 0,8 %), кремния (до 0,5 %), фосфора (до 0,05 %) и серы (до 0,05 %). Такую сталь называют углеродистой.
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: по содержанию в них углерода, назначению, качеству и степени раскисления.
По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные до 0,035 % S и 0,035 % Р; высококачественные не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.
Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп кипящая, пс полуспокойная, сп спокойная. Например, сталь Ст1кп сталь кипящая; Ст3сп спокойная; Ст5пс полуспокойная и т.д.
К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления качественные стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (например. Сталь 45 содержит 0,45 % С).
Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.
Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.
Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.
Группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергается термической обработке, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 после термической обработки имеют высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.
К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Для некоторых инструментальных сталей большое значение имеет теплопроводность, устойчивость против налипания обрабатываемого металла на металл инструмента и др.
Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например сталь марки У12 содержит в среднем 1,2 % С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием буква Ш.
Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые, так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08…0,3 %) и фосфора (0,06 %). Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, А30. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, А30 используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.
К качественным углеродистым инструментальным сталям относят стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; из них изготовляют несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготовляют из высококачественных инструментальных сталей: У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Это обычно заэвтектоидные стали. Для получения высокой твердости (НRС 60…62) стальные инструменты закаливают в воде с 770…810 С. Отпуск в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости производится при 150…220 С. Углеродистые стали являются дешевыми.
Литейные стали. Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов недоливов, горячих трещин, усадочных пороков.
Литейные стали (ГОСТ 97788) маркируют так же, как и качественные деформируемые стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки: 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л. Они содержат до 0,9 % Mn и до 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р.
С увеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие свойства:
Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали
Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость.
Временное сопротивление В достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.
Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.
Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики FeFeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 С. При нагревании свыше 800 С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется
красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.
При температуре горячей обработки (800…1200 С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.
Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.
Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.
Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.
Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.
Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.
6.2. Легированные стали и сплавы
6.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.
Как и серые, высокопрочные чугуны имеют ферритную, феррито-перлитную и перлитную основу. Сорбитообразный перлит придает чугунам наибольшую прочность.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов (прокатные валки массой до 12 т), кузнечно-прессовое оборудование (траверсы прессов, шаботы ковочных молотов, корпуса турбин, коленчатые валы, поршни, кронштейны) и другие ответственные детали.
Ковкий чугун
Если отливки из белого чугуна подвергнуть отжигу, то цементит распадается, и графит приобретет хлопьевидную форму. Это обеспечивает чугуну с твердостью 163 НВ (1630 МПа) некоторую пластичность при растяжении ( до 12 %). Поэтому такие чугуны называются ковкими, хотя ковать их невозможно.
Степень графитизации зависит от длительности отжига.
Твердость ферритного чугуна 163 НВ (1630 МПа), перлитного 240…269 НВ (2400…2690 МПа). Наибольшую прочность имеют чугуны с перлитной (сорбитной) структурой. Влияние хлопьевидного графита на механические свойства чугунов примерно такое, как шаровидного.
Из ферритных ковких чугунов изготавливают изделия, работающие как при высоких статистических и динамических нагрузках, так и менее ответственные детали (головки, хомуты, гайки, фланцы муфт). Из перлитного ковкого чугуна делают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейеров, втулки, тормозные колодки.
Из высокопрочного магниевого чугуна отливают детали большого сечения, из ковкого, главным образом, тонкостенные.
6. Стали.
6.1. Углеродистые стали. Классификация и маркировка
Сталью называют сплав железа с углеродом (0,02…2,14 %) с постоянными примесями марганца (до 0,8 %), кремния (до 0,5 %), фосфора (до 0,05 %) и серы (до 0,05 %). Такую сталь называют углеродистой.
Сталь является основным материалом, широко используемым в машино- и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: по содержанию в них углерода, назначению, качеству и степени раскисления.
По содержанию углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С).
По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и с особыми физическими и химическими свойствами специальные. К последним относят нержавеющие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, электротехнические и др.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Различие между ними в количестве вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % S и 0,07 % Р, качественные до 0,035 % S и 0,035 % Р; высококачественные не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Марки углеродистой стали обыкновенного качества обозначаются буквами и цифрами, например Ст0, …, Ст6. Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 условный номер марки в зависимости от химического состава и механических свойств. Чем больше число, тем больше содержание углерода в стали, выше прочность и ниже пластичность.
Степень раскисления обозначается индексами, стоящими справа от номера марки: кп кипящая, пс полуспокойная, сп спокойная. Например, сталь Ст1кп сталь кипящая; Ст3сп спокойная; Ст5пс полуспокойная и т.д.
К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. В зависимости от степени раскисления качественные стали могут быть спокойными (сп) или кипящими (кп). Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента (например. Сталь 45 содержит 0,45 % С).
Все углеродистые качественные конструкционные стали можно условно разделить на несколько групп.
Углеродистые качественные стали 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп (без термической обработки) хорошо штампуются вследствие их высокой пластичности, а также хорошо свариваются из-за малого содержания углерода. Они используются для производства малонагруженных деталей машин (крепежные изделия и др.) и сварных конструкций.
Стали 15, 20, 25, составляющие вторую группу низкоуглеродистых сталей, хорошо свариваются и обрабатываются резанием. Они используются для изготовления неответственных деталей машин (без термической обработки или в нормализованном состоянии), а также деталей с повышенной износостойкостью (после цементации и соответствующей термической обработки), но не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.
Группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергается термической обработке, хорошо обрабатывается на металлорежущих станках в отожженном состоянии. Благоприятные сочетания прочностных и пластических свойств позволяют применять эти стали при изготовлении ответственных деталей машин (шпиндели, распределительные валы и др.).
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85 после термической обработки имеют высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.
К инструментальным относятся стали, предназначенные для изготовления режущего, измерительного, штампового и других инструментов. Основными свойствами этих сталей являются твердость, вязкость, износостойкость, теплостойкость (красностойкость), прокаливаемость. Для некоторых инструментальных сталей большое значение имеет теплопроводность, устойчивость против налипания обрабатываемого металла на металл инструмента и др.
Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: ставят букву У, затем цифру, указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента, например сталь марки У12 содержит в среднем 1,2 % С. Для обозначения высококачественных сталей в конце марки ставится буква А, а особо высококачественных сталей (выплавленных, например, методом электрошлакового переплава с вакуумированием буква Ш.
Для улучшения обработки резанием применяют углеродистые, так называемые автоматные стали с повышенным содержанием серы (0,08…0,3 %) и фосфора (0,06 %). Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, указывающими на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Наибольшее применение получили стали А12, А20, А30. Так, из стали А12 изготавливают винты, болты, гайки и различные мелкие детали сложной конфигурации, а стали А20, А30 используют для изготовления ответственных деталей, работающих в условиях повышенных напряжений.
К качественным углеродистым инструментальным сталям относят стали У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13; из них изготовляют несложные по конфигурации режущие и измерительные инструменты. Более сложные инструменты изготовляют из высококачественных инструментальных сталей: У7А, У8А, У9А, У11А, У12А, У13А. Это обычно заэвтектоидные стали. Для получения высокой твердости (НRС 60…62) стальные инструменты закаливают в воде с 770…810 С. Отпуск в зависимости от назначения инструмента и требуемой твердости производится при 150…220 С. Углеродистые стали являются дешевыми.
Литейные стали. Для изготовления стальных фасонных отливок применяются литейные стали, отличительными чертами которых являются удовлетворительные литейные свойства жидкотекучесть, заполняемость, трещиноустойчивость (стойкость против образования горячих трещин), склонность к образованию усадочных пороков. Удовлетворительные литейные свойства стали позволяют получать сложные фасонные, часто тонкостенные отливки без дефектов недоливов, горячих трещин, усадочных пороков.
Литейные стали (ГОСТ 97788) маркируют так же, как и качественные деформируемые стали, но с добавлением буквы «Л» в конце марки: 15Л, 20Л, 30Л, 35Л, 40Л, 45Л, 50Л. Они содержат до 0,9 % Mn и до 0,52 % Si и не более 0,06 % S и 0,08 % Р.
С увеличением содержания углерода в литейных сталях их прочность растет, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Например, две крайние по содержанию углерода стали имеют следующие свойства:
| Марка стали | В, МПа | 0,2, МПа | , % | KCU, Дж/см2 |
| 15Л | 400 | 200 | 24 | 50 |
| 50Л | 580 | 340 | 11 | 24 |
Влияние углерода и примесей на свойства углеродистой стали
Углерод оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышаются твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость.
Временное сопротивление В достигает максимального значения при содержании углерода приблизительно 0,9 %. Появление в структуре стали вторичного цементита снижает ее пластичность и прочность.
Марганец и кремний вводят в сталь для ее раскисления в процессе плавки. Эти элементы заметно влияют на свойства стали, повышая прочность, твердость и снижая пластичность. Однако принимая во внимание, что содержание марганца и кремния в обычных сталях приблизительно одинаково, их влияние на свойства сталей разного состава не учитывается.
Сера попадает в сталь из чугуна при его переделе в сталь. Она не растворима в железе и образует с ним сульфид железа FeS, который в виде эвтектики FeFeS располагается по границам зерен и имеет температуру плавления 988 С. При нагревании свыше 800 С сульфиды делают сталь хрупкой и она может разрушиться при горячей пластической деформации. Это явление называется
красноломкостью, так как резкое снижение пластичности происходит в районе температур красного каления. Красноломкость можно предотвратить повышением содержания в стали марганца.
При температуре горячей обработки (800…1200 С) сульфид марганца не плавится, пластичен и под действием внешних сил вытягивается в направлении деформации. Вытянутая форма включений сульфида марганца (сульфидная строчечность) увеличивает анизотропию свойств и снижает пластичность и вязкость стали примерно в 2 раза поперек прокатки, но не влияет на свойства в направлении вдоль прокатки.
Для улучшения формы сульфидных включений жидкую сталь обрабатывают (модифицируют) силикокальцием или редкоземельными элементами (Ce, La, Nd). Эти модификаторы образуют с серой компактные округлые соединения, которые сохраняют свою форму при деформации, вследствие чего уменьшается анизотропия свойств.
Сера является нежелательным элементом, и ее содержание в стали строго ограничивают. Она оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требуется хорошая обрабатываемость стали при резании.
Фосфор попадает в сталь на стадии металлургического передела. Находясь в феррите, фосфор резко повышает температуру перехода стали в хрупкое состояние. Это явление называется хладноломкостью. Содержание фосфора в сталях в зависимости от их назначений ограничивается в пределах 0,025…0,06 %.
Азот и кислород содержатся в стали в небольших количествах и присутствуют в виде неметаллических включений (оксиды, нитриды), которые усиливают анизотропию механических свойств, особенно пластичности и вязкости, и вызывают охрупчивание стали.
Присутствие большого количества водорода в стали в растворенном состоянии ее охрупчивает и способствует возникновению внутренних надрывов в металле, называемых флокенами.
6.2. Легированные стали и сплавы
6.2.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали
Легированными называются стали, в которые кроме железа и углерода вводятся легирующие добавки для придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, W, Mo, Co, Ti, V, Zr, Nb и др.