Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение (методы анализа, лабораторные работы и задачи)

Подождите немного. Документ загружается.

Жаропрочные стали и сплавы в отличие от жаростойких должны

сохранять при этом повышенные прочностные свойства. Вместе с тем

жаропрочные стали и сплавы должны обладать высоким сопротивле-

нием

химической коррозии (подобно жаростойким, в качестве кото-

рых они также

могут

применяться).

Жаропрочность сплавов в одинаковых условиях длительного на-

гружения зависит от температуры нагрева. Поэтому химический

состав,

структура

и свойства жаропрочных сплавов, применяемых

для деталей близкого назначения и формы, различны, если они

предназначены для работы при различных температурах.

При

очень высоком нагреве стали,

даже

очень высоколегирован-

ные,

не имеют необходимой жаропрочности и заменяются сплавами

на

никелевой основе (в том числе, с кобальтом) и тугоплавкими

сплавами на основе хрома, но более часто молибдена и ниобия.

Многочисленные жаропрочные сплавы классифицируют по основ-

ному признаку — температуре эксплуатации (табл. 25).

в.

Стали

для

работы

при

низких

(криогенных)

температурах

Для этих условий применяют стали, пластичность и вязкость

которых с понижением температуры либо не изменяются, либо

уменьшаются, но мало и без резкого падения вязкости, характер-

ного для порога хладноломкости. В связи с этим более широко при-

меняют стали:

а) ферритного (мартенситного) класса, главным образом до

температур

—196°

С; они имеют низкое содержание

углерода

высокое содержание никеля, что сильно снижает порог хладнолом-

кости

и увеличивает вязкость;

б) аустенитного класса — хромоникелевые, хромомарганцево-

никелевые и т. п., сохраняющие решетку г. ц. к. вплоть до водо-

родных

(—253°

С) или гелиевых

(—269°

С) температур (табл. 26).

Хромомарганцевоникелевые или хромомарганцевые стали аусте-

нитного

класса дешевле и обладают большой прочностью, чем хро-

моникелевые.

Но для некоторых из них, например стали Х21Г7Н5,

после сварки нужна термическая обработка (что не

всегда

возможно).

Перспективными

могут

быть мартенситно-стареющие стали с 18—

20% Ni, как обладающие значительно более высокой прочностью.

При

наличии дополнительных требований к свойствам приме-

няют также:

аустенитные дисперсионнотвердеющие сплавы типа 36НХТЮ,

превосходящие по прочности указанные выше аустенитные

сплавы;

сплав инвар 36Н с решеткой г. ц. к., имеющий низкий

коэффи-

циент

расширения;

медные сплавы, в частности бронзу алюминиевую Бр. АЖ 9—4

или

бериллиевую Бр. Б2 (см. табл. 39), имеющие низкий

коэффи-

циент

трения, и алюминиевые сплавы АМг, Д16 (см. табл. 40), как

имеющие

малую

плотность, однако прочность их ниже, чем аусте-

нитных сталей.

401

402

Марка

15ХМ

12Х1М1Ф

25Х2МФ

ЖАРОПРОЧНЫЕ

СТАЛ»

СПЛАВЫ

(ПО

ГОСТ

5632—61)*

Химический состав (средний),

0,11—0,18

0,08—0,15

0,22—0,29

0,16—0,24

Сг

1. СТАЛИ

ДЛЯ

РАБОТЫ

ПРИ

400 —

550°

С (по

(ФЕРРИТО-ПЕРЛИТНЫЕ)

0,17—0,37

0,8—!,!

0,9—1,2

2,1—2,6

2,8—3,3

===0,2

=s=0,25

s£.0,25

s=0,25

0,4—0,55

0,25—0,35

0,9—1,1

0,35—0,55

другие

элементы

ГОСТ

10500—63)

0,15—0,35 V

0,3—0,5 V

0,6—0,85 V

Таблица

Назначение

Трубы пароперегревате-

лей,

арматура паровых

{

котлов

Роторы,

диски, крепежные

детали

Трубы гидрогенизационных

нефтяных установок, стой-

кие

против водородной

кор-

розии

2. СТАЛИ

ДЛЯ

РАБОТЫ

ПРИ

500 —

600°

(ВЫСОКОХРОМИСТЫЕ ФЕРРИТО-КАРБИДНЫЕ)

Х5М

Х6СМ

4Х10С2М

2X13

2Х12ВМБФ

Х18Н9Т

sgO,15

s£0,15

0,35—0,45

0,16—0,24

0,15—0,22

^0,12

=s=0,5

1,5—2

1,9—2,6

=s=0,6

sS0,5

4,5—6

5,0—6,5

9—10,5

12—14

11—13

=5=0,2

sgO,2

=s=0,2

=£=0,2

г£0,2

0,45—0,60

0,7—0,9

0,4—0,6

—

0,4—0,7

0,15—0,30 V

0,2—0,4

СТАЛИ

ДЛЯ

РАБОТЫ

ПРИ

600-650°

(АУСТЕНИТНЫЕ)

==£0,8

17—19

8,0—9,5

—

=52,0

Ti=(%C-0,02)x

X5<0,7%

Аппаратура переработки

неф-

ти,

детали насосов

Клапаны

моторов, крепеж-

ные детали

То

же

Лопатки паровых турбин,

трубы

(при

500—520°

С)

Роторы,

диски, лопатки

(при

550—580°

С)

Аустенитные с карбидным упрочнением

4Х14Н14В2М

0,4—0,5

<0,8

13—15 13—15

0,25—0,4

2,0—2,8

Трубопроводы, клапаны

(при

600—650°

С)

Аустенитные с интерметаллидным упрочнением

0Х14Н28ВЗТЗЮР

<0,08

ХН60Ю

ХН70Ю

ХН77ТЮР

=£0,1

=£0,06

=£0,6

4. СПЛАВЬ

=£0,8

=£0,6

13—15 26—29

2,8—3,5 W

=£0,02 В

0,5—1,2 А1

2,4—3,2 Ti

НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ (АУСТЕНИТНЫЕ)

15—18

26—29

19—22

Осн.

—

2,6—3,5 Al

=£0,003 Се

=£0,1 Ва

2,8—3,5 А1

<0,03

Се

=£0,1 Ва

0,6-1,0

А1

2,3—2,7 Ti

=£0,01 В

=£0,01 Се

Лопатки

диски турбин

(при

670—720°

С)

Листовые детали турбин

(при

750—800°

С)

То

же, и

газопроводы

Диски,

лопатки турбин

(720—750° С)

5. СПЛАВЫ

НА

НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ

КОБАЛЬТОМ (АУСТЕНИТНЫЕ)

ХН56ВМКЮ

ХН62МВКЮ

<0,1 *

<0 1 **

=£0,6

8,5—10,5

Осн.

6,5-8,0

9,0—11,5

6,0—7,5 W

5,4—6,2

А1

—13 Со

4,3—6,0 W

4,0—6,0 Со

4,2—4,9 А1

Лопатки турбокомпрессоров

(800—850° С)

'Кроме того,

В < 0,02 и Се <

0,02%.

Сплавы

на

основе тугоплавких металлов

(см. в

тексте).

Таблица

СПЛАВЫ

ДЛЯ

РАБОТЫ

ПРИ

НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУРАХ

Марки

Химический состав,

Сг

Мп

другие

элементы

Назначение

06НА

09НА

<0,06

1. СТАЛИ ФЕРРИТНОГО (МАРТЕНСИТНОГО) КЛАССА

6,0—7,0

8,5 —

9,5

0,45

—

0,60

0,45

—

0,60

Для

емкостей

сжиженных

газов

низко-

температурного

оборудовани

я;

холо-

дильных

машин,

установок

для

полу*

чения

сжиженных

азоп

и т, п.

Темпе-

ратура

службы

до

—196°

0Х18Н10

0Х18Н10Т

XI7H13M2T

0Х23Н18

Х14Г14НЗТ

Х14Г14Н

(ЭП212)

Х21Г7АН5

*«

(ЭП222)

«0,08

«0.08

«0,1

«0,10

СТАЛИ

АУСТЕНИТНОГО

КЛАССА

а)

хромоникелевые стали

(по

ГОСТ 5632—61)

17,0—19,0

9,0—11

1,0—2

0,3

— 0,6 Ti

1,8—2,5

16.0—18.0 12,0—14,0

1,0—2

22,0 — 25,0 17,0 — 20.0

<2,0

б)

хромоникельмарганцевые стали

(по

ГОСТ 5632—61)

%Ti

5-С

— 0,6

«о!

13,

19,

0—15

0-15

5-21

5—3

0—1

— 6

,0—15,

— 7.5

%С-0,02%

«0,6

0,15 —

0,25

)Х5«

*» По

ЧМТУ

—

ЦНИИЧМ

1-854 — 70.

•

По

ЧМТУ

—

ЦНИИЧМ

1-181—70.

По

ЧМТУ

—

ЦНИИЧМ

1287 — 65.

•*

По

ЧМТУ

—

ЦНИИЧМ

1210—64.

То

же, но,

кроме того, фиттинги. трубы-

клапаны

другое

криогенное оборудо-

вание,

также оболочки ракет, емкости

для хранения ракетного топлива

и т. п.

Температура службы

до —253° С

То

же, но

прочность

вязкость выше.

Температура службы

до —269° С

Для ненагруженных конструкций;

не

требуют

после сварки термической

об-

работки.

Температура службы

до

—

196° С

То

же, но

прочность выше. После

сварки

—

термическая обработка.

Тем-

пература службы

до —269° С

г.

Стали

износостойкие

(табл.

27)

Наибольшая

стойкость деталей при кавитационной эрозии и

при

механическом изнашивании со значительными ударами дости-

гается (несмотря на определенные различия в напряженном состоя-

нии)

при создании аустенитной структуры и ее частичном пре-

вращении

в эксплуатации, т. е. у сталей с нестабильным аусте-

нитом.

Эти стали применяют чаще в литом или кованом (катаном)

состоянии

с последующей закалкой. Их общая технологическая

особенность — пониженная обрабатываемость резанием. Она наи-

более низкая у сталей второй группы (сталь Г13), имеющих высокое

содержание

углерода

(см. табл. 27). Стали, стойкие против кавита-

ционной

эрозии и имеющие мало

углерода,

можно обрабатывать

быстрорежущей сталью высокой теплостойкости (см. табл. 29).

Стали,

износостойкие

условиях

кавитационной

эрозии

Стали применяют для деталей и конструкций (гребные винты,

лопасти гидротурбин, цилиндры гидронасосов и др.), которые должны

быть стойкими при взаимодействии с потоком жидкости, т. е. в усло-

виях особого вида разрушения — кавитационной эрозии. Она —

следствие образования в движущемся потоке жидкости различных

несплошностей,

пустот, парогазовых пузырей и т. п., рост и сокра-

щение

(захлопывание) которых создают многократное микроударное

воздействие. В поверхностном слое металла возникает сложнонапря-

женное состояние и создаются условия для зарождения и роста

трещин.

Кавитационная эрозия носит в начале локальный характер,

но

постепенно может захватывать значительную поверхность

дета-

лей и проникать на большую

глубину.

Этому виду разрушения

способствует также процесс коррозии.

Частичное мартенситное превращение в процессе микроударного

воздействия снижает энергию

ударов

(поскольку часть ее затрачи-

вается на развитие превращения и ускоряет релаксацию напряже-

ний

в момент превращения). При образовании мартенсита увели-

чивается прочность и, следовательно, сопротивление развитию тре-

щины.

Высокую кавитационную стойкость имеют также мартенситно-

стареющие стали (см. табл. 23), более дорогие по составу.

Для этого же назначения при необходимости повышения стой-

кости

против коррозии и снижения коэффициента трения в парах

скольжения

применяют сплавы на медной основе (см. табл. 35—37).

Стали,

износостойкие

условиях

динамических

нагрузок

Для деталей, работающих в условиях трения скольжения и вы-

соких механических давлений и ударов, применяют аустенитные

стали с высоким содержанием

углерода.

Характерной является

высокомарганцовистая сталь. Она имеет низкий предел текучести

405

Таблица

СТАЛИ,

ИЗНОСОСТОЙКИЕ

УСЛОВИЯХ

Сталь

КАВИТАЦИОННОЙ

ЭРОЗИИ

ДИНАМИЧЕСКИХ

НАГРУЗОК

Химический

состав, %

fMn

Сг

другие легирующие

элементы

Назначение

Х18Н9Т

30Х10Г10

0Х14АП2

0Х14АГ12М

ПЗ

ИЗНОСОСТОЙКИЕ

В УСЛОВИЯХ КАВИТАЦИОННОЙ ЭРОЗИИ

Стойкие в

воде

при

повышенной

скорости

потока

<0,12

0,3—0,4

0,1

1,1—1,3

<0,8

0,5—0,6

17—19

8,0—9,5

= (%C —

0,02)X

5 Лопасти гидротурбин

Стойкие при

значительной

скорости

потока

9,0—11

9—11

Лопасти гидротурбин и гидрона-

сосов

повышенной

кавитационной,

коррозионной

абразивной

стойкостью

=£=0,3

10—15

13—17

0,1—0,3

0,3 Mo

Лопасти гидротурбин и гидрона-

сосов,

в том числе в морской воде

ИЗНОСОСТОЙКИЕ

В УСЛОВИЯХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

12—14

Крестовины

рельсов, щеки дроби-

лок,

черпаки землеройных машин,

траки

гусеничных машин

При невысокой скорости потока используют конструкционные стали; в частности для литых лопастей гидротурбин и деталей гидрона-

сосов стали 35Л и 20ГСЛ (0,6

—

0,9% Si и

1,0—1,3%

Мп).

(-~30%

предела прочности). При

ударах

и давлении в поверхностном

слое образуется мартенсит, что сильно упрочняет сталь.

Сталь не имеет достаточно высокой износостойкости при

отсут-

ствии повышенных давлений, например при абразивном износе.

д. Пружинные стали и сплавы

Эти стали и сплавы используют при различных напряжениях,

температурах и в разных

средах

(на

воздухе

и в коррозионноактив-

ных).

Разнообразные по составу и свойствам пружинные стали

целесообразно распределить на стали и сплавы: 1) с высокими

меха-

ническими

свойствами — это углеродистые и легированные стали,

которые должны в первую очередь иметь высокое сопротивление

малым пластическим деформациям (предел упругости или предел

пропорциональности),

высокий предел выносливости и повышенную

релаксационную стойкость при достаточной вязкости и пластич-

ности (табл. 28); 2) с дополнительными химическими и физиче-

скими

свойствами

: немагнитные, коррозионно-стойкие, с низким и

постоянным

температурным коэффициентом модуля упругости, с

высокой

электропроводностью и др.

е. Автоматные стали

Стали используют для деталей не очень ответственного назначе-

ния,

главным образом не испытывающих динамических нагрузок

изготовляемых резанием, в частности для винтов, гаек, болтов,

зубчатых

колес.

Для уменьшения трения в подобных сопряженных деталях надо

получать при резании поверхность повышенной чистоты. Это дости-

гается, если обрабатываемая сталь имеет пониженную вязкость.

Требуемое в данном

случае

ухудшение

вязкости (что облегчает

дробление стружки) создается:

а) присутствием в стали повышенного количества серы и фос-

фора.

Для возможности горячей деформации и предупреждения

красноломкости в таких сталях необходимо одновременно увеличи-

вать содержание марганца;

б) добавлением свинца

(0,15—0,30%);

в этом

случае

возрастает

производительность резания. Механические свойства сталей со

свинцом

выше, чем сталей с повышенным содержанием серы и фос-

фора

(кроме сталей), в которых при этом сохраняется повышенное

содержание серы и фосфора.

Для отличия автоматных сталей в марке перед цифрами, обозна-

чающими содержание

углерода,

указывается буква А (для сталей

с серой и фосфором) и буквы АС (для сталей со свинцом)

См.

Рахштадт

А. Г. Пружинные

стали

и сплавы. М.,

«Металлургия»,

1971, 496 с. с ил.

Составы

свойства

стали,

см. в книге Ю. М. Л а х т и н а, В. П. Ле-

онтьевой.

Материаловедение,

М.,

«Машиностроение»,

1972, с. 270, а

также

ГОСТ

1414-54.

407

ПРУЖИННЫЕ

СТАЛИ

ВЫСОКИМИ МЕХАНИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ

ПО

ГОСТ

14959—69

Таблица

Сталь

Химический состав,

Мп

Сг

другие

легирую-

щие элементы

Назначение

65Г

75*

0,62—0,70

0,67—0,75

0,72—0,80

0,90—1,20

0,50—0,80

0,50-0,80

1. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

(см.

также ГОСТ 93Б9—60)

0,17—0,37

«£0,25

==£0,25

s£0,25

=50,25

Пружины механизмов

машин.

повышением содержания

угле-

рода выше прочность,

но

ниже

пластичность

2. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

50ХГ

55ХГР

55С2**

60С2**

50ХФА

55ХГСФ

(ЭП464)

60С2ХФА

65С2ВА

45ХНМФА

70С2ХА

0,46—0,54

0,52—0,60

0,58—0,63

0,46—0,54

0,56—0,64

0,61—0,69

0,42—0,50

0,65—0,75

0,70—1,00

0,9-1,2

0,60—0,90

0,50—0,80

0,55—0,85

0,40—0,70

0,70—1,00

0,50—0,80

0,40—0,60

17—0,37

0,17—0,37

1,50—2,00

0,17—0,37

0,6—0,9

1,40—1,80

1,50—2,00

0,17—0,37

1,40—1,70

0,90—1,2

==£0,30

=s£0,30

0,8-1,1

0,8-1,2

0,90—1,2

0,30

0,80—1,10

0,20—0,4

==£0,25

1,30—1,80

=s£0,2

0,002—0,005

0,10—0,2

0,1—0,2

0,80—1,20

0,20—0,30

0,10—0,20

Рессоры автомашин. Пружины

подвижного состава железнодо-

рожного транспорта, крупных

прессов, станков. Стали повы-

шенной

легированное™

для бо-

лее крупных пружин

Пружины особо ответственного

на-

значения;

рессоры легковых авто-

мобилей

Пружины станков

прессов

То же, при

нагреве

до

200—

{

250°С

Крупные клапанные пружины,

тор-

сионные

валы

Пружины часовых механизмов

Для

пружин, главным образом

приборах, используют, кроме

того»

инструментальные углеродистые стали

У9А —У12А

(табл.

29).

Поставляются

и как

высококачественные.

СТАЛИ

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ»

Инструментальные стали, как имеющие высокие твердость,

изно-

состойкость и прочность, используют для режущих инструментов,

штампов холодного и горячего деформирования измерительных ин-

струментов различных размеров и формы. Поэтому число инстру-

ментальных сталей значительно. Для характеристики и выбора

этих сталей надо учитывать прежде всего главное свойство этих

сталей — теплостойкость, по-

скольку рабочая кромка инстру-

ментов в зависимости от усло-

вий

эксплуатации может нагре-

ваться до температур:

500—

700°С

у режущих инструментов

до

800°

С у штампов. Стали

для резания или горячего де-

формирования

должны сохра-

нять

при нагреве высокие твер-

дость, прочность и износостой-

кость,

т. е. обладать теплостой-

костью (красностойкостью). Это

свойство создается специальным

легированием и термической

обработкой. В связи с этим раз-

личают стали (рис. 295):

Нетеплостойкие,

сохра-

няющие

высокую твердость

C>HRC

60) при нагреве не вы-

190225°

two

woo

900

soo

^700

§600

~400

300

200

— —

-1 —

PI8

У12

8IW7K23

1 \

WO 200 300 400 500 600 700 800 900

Температура

испытания,

°С

Рис. 295. Твердость инструментальных сталей

при

нагреве:

а — нетеплостойкая углеродистая сталь У12;

б — теплостойкая быстрорежущая Р18 (уме-

ренной

производительности); в — теплостой-

кая

быстрорежущая В11М7К23 с интсрметал-

лидным упрочнением

р р

ше

190—225°

С и используемые

для резания мягких материалов

с небольшой скоростью, а так-

же для деформирования в хо-

лодном состоянии. Это заэвте-

ктоидные и близкие к эвтекто-

идным углеродистые и легированные стали (с относительно невысо-

ким

содержанием легирующих элементов). Карбидная фаза их —

цементит, коагулирующий при сравнительно низких температу-

рах.

Полутеплостойкие,

преимущественно штамповые, рабочая

кромка

которых нагревается до

400—500°

С. Это — близкие к эвтек-

тоидным стали, легированные хромом и дополнительно вольфра-

мом,

молибденом и ванадием. Карбидные фазы — легированный

цементит и карбид хрома (Ме

в)

Ме

коагулирующий при

более высоком нагреве, а также ледебуритные стали (12% Сг).

Теплостойкие

для: а) резания с повышенной скоростью.

Нагрев рабочей кромки до

500—650°

С (быстрорежущие стали);

б) деформирования материалов при повышенном нагреве до

600—

Марки

назначение

твердых

сплавов,

применяемых

для

резания

и для

штам-

повки,

указаны

в гл.

XXVIII.

409

С)

Таблица

СТАЛИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ*

Марка

стал»

Химический состав (средний!, %

Мп

Сг

W Мо

Со

Примерное назначение

1. НЕТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Высокой

твердости

У10А,

У10

УНА,

У11

У12А,

У12

У13А,

У13

13Х

X (ШХ15)

ХВСГ

9ХФ

7ХГ2ВМ

У7,

У7А

7ХФ

6ХС

6ХЗФС

1,0

1,1

1,2

1,3

1,0

0,95

0,9

0,7

0,65

0,58

0,2

0,3

0,7

0,35

0,2

0,5

0,4

0,3

г£0,3

«£0,3

s£0,3

sS0,3

scO,3

s£0,35

s=0,8

scO,

s£0,3

^0,35

sgO,35

0,8

0,5

s£0,2

^0,2

s£0,2

s==0,2

0,6

1,5

0,8

0,6

1,6

—

0,8

0,6

—

0,6

—

0,2

—

Повышенной

вязкости

=£0,2

0,55

1,1

3,0

—

0,2

—

0,3

—

Штампы высадочные, вытяжные, напильники,

мет-

чики

для

резания мягких материалов

То

же

» »

Напильники,

бритвы

Напильники,

штампы вытяжные

Круглые плашки

Пилы

по

дереву

Штампы вырубные сложной формы

крупные

Инструменты

для

обработки дерева

То

же

Ножи

для

обработки дерева

Чеканочные штампы

Х12М

Х6Ф4М

Х18МФ

Х6ВЗМФС

1,6

1,7

1,2

0,55

0,3

0,5

0,3

0,8

2. ПОЛУТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Высокой

твердости

—

0,5

0,8

0,7

0,8

0,2

3,8

0,1

0,8

—

Штампы

вырубные,

вытяжные,

матрицы

прессо-

вания

То

же, повышенной износостойкости

Инструменты, стойкие против коррозии

Накатные

ролики