Файл: Материаловедение. Кр. 1. Вариант 15.docx

4)Легирующие элементы стали.

Сталь - это сплав железа с углеродом. Другие легирующие элементы (хром, молибден) добавляются в сталь с целью улучшения каких-либо её свойств, например коррозионной стойкости или прочности. Сталь, имеющая в своем составе легирующие элементы называется легированной.

Наиболее часто встречающиеся легирующие элементы и свойства, которые они придают стали: азот (N), ванадий (V), вольфрам (W), кобальт (Co), кремний (Si), марганец  (Mn), молибден (Mo), никель (Ni), ниобий (Nb), сера (S), титан (Ti), углерод (C) , фосфор (P), хром (Cr).

Азот применяется в сталях в качестве заменителя углерода и никеля. Он значительно повышает коррозионную стойкость стали.

Ванадий улучшает такие свойства стали, как твёрдость и прочность, а также значительно повышает её износостойкость. Ванадий присутствует в инструментальных и быстрорежущих сталях.

Вольфрам является металлом с самой высокой температурой плавления. Он используется во многих отраслях. Вольфрам, наравне с молибденом, является обязательным элементом для быстрорежущих сталей. Помимо устойчивости к высокой температуре, наличие вольфрама в стали, улучшает такие свойства, как износостойкость и твёрдость.

В небольшом количестве кобальт присутствует  твёрдых сплавах и быстрорежущих сталях. Он увеличивает твердость и прочность стали.

В небольших количествах кремний не оказывает серьезного влияния на свойства стали. Однако, при повышении содержания кремния, повышаются упругость и коррозионная стойкость.

Марганец увеличивает твердость и устойчивость стали к износу. Однако его содержание в больших количествах повышает хрупкость.

Молибден представляет собой легирующую добавку, которая повышает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах. Также он делает состав стали более равномерным. Молибден является обязательным элементом в быстрорежущих сталях.

Никель, так же как и азот повышает коррозионную стойкость стали. Кроме того, он незначительно повышает прочность.

Ниобий является достаточно редкой легирующей добавкой. Он повышает износостойкость и коррозионную стойкость стали.

Сера достаточно вредный элемент. Она понижает коррозионную стойкость стали и её механические свойства. По этим причинам содержание серы в сталях обычно ничтожно мало, однако сера может быть специально добавлена в сталь для того, чтобы, повысить её обрабатываемость.

---

Обычно титан добавляют в сталь для повышения прочности, стойкости к коррозии и температурам. Также он способствует измельчению зерна и улучшает обрабатываемость.

Углерод  является одним из основных элементов, которые определяют свойства стали. От количества углерода в стали зависят её твёрдость и прочность. Также он положительно влияет на стойкость (сохранность) режущей кромки, устойчивость к износу и истиранию. Из отрицательных сторон высокого содержания углерода стоит отметить повышение склонности  стали к коррозии.

Фосфор, так же, как и сера, является вредной примесью. Он снижает механические свойства стали и повышает её хрупкость. По возможности, фосфор стараются полностью удалять из стали.

Хром увеличивает стойкость стали к коррозии и износу. Сталь  считается нержавеющей,  если содержание хрома в ней больше или равно 14%. Правда, справедливости ради, стоит отметить, что сталь даже с высоким (порядка 17-19%) содержанием хрома, при определённых условиях, всё же подвержена коррозии. Также высокое содержание хрома приводит к повышению хрупкости и ударной вязкости стали.

5)Сталь является основным материалом, широко используемым в машино – и приборостроении, строительстве и для изготовления инструментов. Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,25% С), среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и высокоуглеродистые (более 0,6% С).

Легированной называют сталь, в состав которой кроме углерода дополнительно вводят элементы для придания стали тех или иных свойств.

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 Ст 0, …,Ст 6. 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.

---

В зависимости от гарантируемых химического состава и свойств углеродистые стали обыкновенного качества делят на три группы А, Б, В (группа А в марке стали не указывается). Сталь группы А имеет гарантированные механические свойства и не подвергается горячей обработке. Для стали группы Б гарантируется химический состав; сталь подвергается обработке давлением; для стали группы В – химический состав и механические свойства; используется для сварных конструкций.

К углеродистым качественным конструкционным сталям предъявляются повышенные требования по химическому составу и механическим свойствам. Цифры в марке стали указывают на среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента.

Все углеродистые качественнее 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 не подвергающихся высоким нагрузкам. Примерами цементированных деталей машин являются кулачковые валики, кронштейны, пальцы рессор и др.

Самой значительной является группа среднеуглеродистых сталей 30, 35, 40, 45, 50, подвергающихся термической обработке. Эти стали хорошо обрабатываются 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 подвергаются различным видам термической обработки, в результате чего они получают высокую прочность, износостойкость и упругие свойства. Из них делают детали типа пружин, рессор, прокатных валков, замковых шайб и др.

Углеродистые инструментальные стали маркируют следующим образом: впереди 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. В марках некоторых специальных сталей буква впереди обозначения указывает на назначение: А – автоматная сталь (А30), Р – быстрорежущая сталь (Р12), Ш-шарикоподшипниковая (ШХ15), Э-электротехническая и т.д.

---

В зависимости, от состояния углерода чугуны делят на белые, серые, высокопрочные и ковкие.

В белых чугунах весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде карбида железа, поэтому они отличаются высокой твердостью, хрупкостью и практически не поддаются обработке резанием. Белый чугун не находит применения в качестве конструкционного материала.

Серый чугун маркируется буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении. Из серых чугунов изготавливают детали простой конфигурации (крышки, стойки, кожухи, шкивы, кронштейны, зубчатые колеса, тормозные барабаны, станины станков, корпусы, коленчатые валы и др.).

Высокопрочный чугун получается   присадкой в жидкий серый чугун добавок магния, церия и некоторых других элементов. Такие чугуны имеют более высокие механические свойства, и они могут быть использованы для деталей машин, работающих в тяжелых условиях. Обозначают высокопрочный чугун буквами ВЧ.

Из высокопрочного чугуна изготавливают коленчатые валы и поршни автомобильных и тракторных двигателей, шестерни, тормозные диски, детали прокатных станов, корпуса насосов, вентили и т. д. Некоторые высокопрочные чугуны используются в качестве антифрикционного материала в узлах трения с высокими окружными скоростями.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем длительного нагрева при высоких температурах (отжиг, томление). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами. Первые две цифры указывают предел прочности чугуна при растяжении, а вторые – относительное удлинение.

Ковкий чугун широко используется в автомобильной, сельскохозяйственной, текстильной и других отраслях машиностроения. Из него изготовляют детали, работающие при средних и высоких статических и динамических нагрузках (подшипники, кронштейны, картеры редукторов, поршни, ступицы).

ЗАДАНИЕ 3. Опишите процесс, заданный согласно варианту, по следующей схеме:

1) к какому типу обработки относится данный процесс;

2) назначение и классификация процесса, режимы и схемы заданного процесса.

3.5. Нормализация.

Решение

Нормализация (термообработка) — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве её выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе с целью придания металлу однородной мелкозернистой структуры (не достигнутой при предыдущих процессах — литьё, ковке или прокатке) и как следствие — повышение его механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

---

Процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30—50° выше верхней критической точки Ас3, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Нормализацию стали производят для уменьшения размера зерна, выросшего при перегреве во время горячей механической обработки, цементации или сварки. При этом повышаются механические свойства, главным образом ударная вязкость. Для исправления сильно перегретой стали иногда производят нормализацию при температуре на 100—150° выше ACj. Нормализацию малоуглеродистой и среднеуглеродистой нелегированной и малолегированной конструкционной стали проводят также для улучшения механической обрабатываемости. Во многих случаях нормализация стали — операция, подготовляющая структуру к последующей закалке. Среднелегированная и высоколегированная конструкционная стали, а также мартенситная нержавеющая сталь, нагретые выше критического интервала и охлажденные на воздухе, подвергаются при этом частичной или полной закалке. Многие высоколегированные конструкционные и все мартенситные нержавеющие стали при нормализации подвергаются полной закалке.

ЗАДАНИЕ 4. Опишите заданный тип стали, согласно варианту:

4.1. Рессорно-пружинные стали.

Опишите область применения и приведите примеры таких сталей (2 – 3 примера), с указанием химического состава сплава и его физико – механических характеристик.

Решение

Для изготовления пружин и рессор используются как углеродистые, так и легированные стали, обладающие высокой упругостью, выносливостью, достаточной вязкостью и пластичностью.

Таблица 1 - Химический состав и свойства рессорно-пружинных сталей

Химический состав и свойства рессорно-пружинных сталей
Марка стали	Химический состав, %					Термическая обработка,oC(охлаждающая среда - масло)
	С	Mn	Si	Прочие легирующие элементы	Закалка		Отпуск
70	0,67-0,75	0,5-0,8	0,17-0,37	-	830		480
65Г	0,62-0,70	0,9-1,2	0,17-0,37	-	830		480
50С2	0,47-0,55	0,6-0,9	1,5-2,0	-	870		460
55С2	0,5-0,6	0,8-1,0	1,3-1,8	-	880		460
50ХФА	0,46-0,54	0,5-0,8	0,17-0,37	0,8-1,1 Cr; 0,2-0,4 V	850		520
50ХГФА	0,48-0,55	0,8-1,0	0,17-0,37	0,95-1,2 Cr; 0,15-0,25 V	850		520
60С2ХА	0,56-0,64	0,4-0,7	1,4-1,8	0,7-1,0 Cr	870		420

---