Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

де

пр

ко

по

ди

(в

ум

пр

сл

сж

на

во

сл

остаточных

по

ос

(р

ус

вы

ко

гл

вы

ст

со

(после

251

формированного упрочнения. Обкатывание проводят с

именением смазочно-охлаждающих жидкостей, что уменьшает

эффициент трения, снижает температуру в месте контакта и

вышает стойкость инструмента.

Поверхностное деформировани повышает плотность

слокации в упрочненном слое, измельчает субструктуру

еличину блоков), а при обработке закаленных поверхностей

еньшает количество остаточного аустенита.

При ППД происходит увеличение поверхности, которому

епятствуют нижележащие недеформированные слои. Как

едствие этого, на поверхности образуются остаточные

имающие напряжения, а в сердцевине — растягивающие (рис.

6, б). С повышением усилия обкатки Р величина остаточных

пряжений сжатия на поверхности возрастает, достигая для стали

ХНФА значения, превышающего 1000 МПа. Одновременно

зрастают остаточные напряжения и

по толщине упрочненного

оя. После алмазного выглаживания абсолютная величина

напряжений выше, но на меньшей толщине, чем

сле обкатки роликами.

Упрочнение поверхности и образование сжимающих

таточных напряжений резко повышает предел выносливости

ис. 157). Обкатка (дробеструйная обработка) практически

траняет влияние концентраторов напряжений на предел

носливости. Предел выносливости обкатанных образцов с

нцентраторами напряжений достигает предела выносливости

адких образцов. После алмазного выглаживания предел

носливости повышается на 30— 50 %. Чем выше твердость

али, тем выше эффект от

обработки ППД. Поверхностный наклеп

здает реальные возможности применения высокопрочных сталей

закалки и низкого отпуска)

Д соп

ия

ое

ш и

ля

е,

для деталей с конструктивными и технологическим

концентраторами напряжений при действии значительных

циклических нагрузок. Важно, что ПП повышает ротивление

коррозионной и контактной усталос и.

ППД является эффективным методом локального упрочнен

мест концентраций напряжений (рис. 158). Поверхностн

пластическое деформирование повышает твердость поверхности

(см. рис. 156, а), в результате чего возрастает сопротивлени

износу. ППД также способствует снижению ероховатост

поверхности и созданию микронеровностей по форме, близкой

образующейся после приработки. ППД деталей, работающих

условиях трения и изнашивания, повышает

износостойкость по

сравнению со шлифованием в 1,5—2 раза. Одновременн

возрастает сопротивление схватыванию и фреттинг-коррозии.

Вопросы для амопроверки

1. Какие Вы знаете методы ППД?

2. Зачем применяется ППД?

ГЛАВАXIV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Конструкционными называются стали, предназначенные д

изготовления деталей машин (машиностроительные стали

конструкций и сооружений (строительные стали).

конструкционным сталям относятся и стали со специальным

свойствами — износостойкие, пружинные, коррозионно-стойки

жаростойкие, жаропрочные и др.

252

Детали современных машин и конструкций работают в

овиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций

напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому

ушению и снижает надежность работы машин.

Конструкционные стали должны обладать высоким пределом

чести σ

0,2

, являющимся основной характеристикой при расчетах

лей машин и конструкций, в сочетании с высокой

тичностью (δ, ψ), сопротивлением хрупкому разрушению

КСТ, К

1с

) и низким порогом хладноломкости (t

Долговечность работы изделия зависит от сопротивления

алости (σ

-1

), износу и коррозии. Все это определяет

конструктивную прочность стали.

Повышение прочности стали достигается твердорастворным

тр

), дислокационным (∆σ

), дисперсионным (∆σ

ду

), зерногра-

чным (∆σ

) и субструктурным (∆σ

) упрочнением, получаемым

тем термической, термомеханической, химико-термической и

мационной обработок, а также подбором состава стали.

табл. 4

показано, за счет каких механизмов происходит

шение прочности σ

низкоуглеродистых строительных

ей (<0,25 % С) с ферритно-перлитной структурой и

иностроительных сталей после закалки на мартенсит и

ска. В таблице даны расчетные формулы для оценки вклада в

усл

разр

теку

дета

плас

(KCU,

уст

(∆σ

ни

пу

дефор

повы

стал

маш

отпу

упрочнение различных механизмов. Величина σ

определяется

су ны м ро енммар м вкладо каждого механизма уп чн ия:

е σгд

∆σ

уп

на

ра

ст

пл

хл

по

порог хладноломкости (см. рис. 80),

ув апас вязкости. Поэтому

конст быть мелкозернистыми.

Мелк ельной степени компенсирует

отрицательное влияние других видов упрочнения на

температу

. п у

стал

= 2·10

-4

В ферритно-перлитных низкоуглеродиетых сталях повышение

в основном обязано упрочнению феррита за счет ∆σ

тр

, ∆σ

ду

, а роль перлитной составляющей ∆σ

и дислокационного

рочнения ∆σ

сравнительно не велика. В сталях, закаленных

мартенсит, роль дислокационного упрочнения ∆σ

створенного в мартенсите углерода велика. Предел текучести

али σ

колеблется в широких пределах (от 2 до 2500

Па и выше).

Повышение прочноети (σ

) обычно сопровождается понижением

астичности (δ, ψ), вязкости (КС, КСТ, К

1с

) и повыш нием порога

адноломкости (t

). Только измельчение зерна аустенита, вызыва

вышение σ

0,2

, понижает

еличивая температурный з

лжнырукционные стали до

ое зерно в значит

рный порог хладноломкости.

Гольдштейн М. И Пути овышения прочности и хладноломкости констр кционных

ей//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. - № 11. С. 6—11.

253

Конструкционная сталь должна иметь хорошие

технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением

(прокатка, ковка, штамповка и т. д.) и резанием, не образовывать

шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и

малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и

трещинообразованию при закалке и т. д. Строительные

конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми

видами сварки.

Стали выплавляют в мартеновских печах, электропечах, а

также в конверторах с

продувкой кислородом сверху

. К

потребителю стали поставляют в виде заготовок и сортовой

горячекатаной, калиброванной и шлифованной стали (листы,

полосы, фасонные профили и др.).

Стали, применяемые в строительстве, поступают без

термической обработки или после термоупрочнения с прокатного

нагрева (см. с. 257); термической обработке у потребителя эти стали

не подвергаются. Стали на машиностроительные предприятия

поставляются металлургическими заводами без термической

обработки, после отжига или высокого отпуска. На

машиностроительных заводах детали машин проходят

термическую обработку для получения заданных свойств

. Нередко

их подвергают на металлургических заводах рафинированию

жидким синтетическим шлаком (Ш) в ковше, а также

электрошлаковым переплавом (ЭШ). В некоторых случаях

проводятся вакуумно-дуговой переплав (ВД) и выплавка в

вакуумных индукционных печах (ВИ). Использование этих

методов рафинирования стали снижает загрязненность ее

неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами,

силикатными включениями и т. д

.), вредными примесями (S)

и газами, уменьшает количество дефектов (волосовины и

пористость).

Повышение чистоты металла обеспечивает получение более

высокой конструктивной прочности стали, главным образом

благодаря увеличению работы развития трещины КСТ и трещино-

стойкости K

1с

. Однако порог хладноломкости, определяемый по

виду излома, в результате применения новых методов

рафинирования изменяется мало. Прочность и пластичность после

переплавов практически не меняются, но уменьшение

неметаллических включений и их глобуляризация снижают

анизотропию свойств пластичности и вязкости. При выборе

режима термической обработки следует иметь в виду, что

уменьшение содержания в приграничных

объемах зерна примесей и

неметаллических включений повышает склонность стали,

полученной Ш, ЭШ, ВД и ВИ, к росту зерна аустенита при нагреве.

Нередко стали поставляют с регламентированными

прокаливаемостью, величиной зерна, долей вязкой составляющей в

изломе, ударной вязкостью при — 60 °С и т. д.

В современных мартеновских печах (садка 800 т) выплавляется в сутки ~2500 т

стали, а в конверторах (садка 350 т) — до 5000 т.

255

I. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ ТАЛИ

Углеродистые конструкционные втали подразделяютс

стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—88). Углеродис

сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок

Марка стали . . . . СтО Ст1 Ст2СтЗ Ст4 Ст5 Ст6

С, % ...............

я на

тую

........ 0,23 0,06— 0,09— 0,14— 0,18— 0,28— 0,28—

—

чением номера возрастает в стали

т ли с

Гпс,

ают

п с 5сп,

4пс,

, С тЗ ). В

а: в

5—

0,02

али

д них

и в

СО,

и что

пит.

лее

ных

С е раз-

тво

р -

и (δ,

490

640

б н ата,

й о яют

тки,

в состоянии поставки

широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и

ых кон-

0,12 0,150,22 0,27 0,37 0,49

Μn, %.......................... — 0,25— 0,25— 0,3— 0,4—0,7 0,5—0,8 0,5—0

0,5 0,5 0,65

Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры

условный номер марки (с увели

содержание углерода), кроме того, ГОСТ предусматривае ста

повышенным содержанием марганца (0,8—1,1 %) — СтЗ

СтЗГсп, Ст5Гпс.

В зависимости от условий и степени раскисления различ

стали: 1) с окойные «сп» (Ст1cп, Ст2сп, СтЗ п, Ст4сп, Ст

Ст6сп); 2) полуспокойные «ПС» (Ст1пс, Ст2пс, СтЗпс, Ст

Ст5пс, Ст6пс); 3) кипящие «кп» (Сткп т2кп, С кп, Ст4кп

их составе разное массовое содержание

кремния и кислород

спокойных 0,15—0,3 % Si и ~0,002 % О

; в полуспокойных 0,0

0,15 % Si и —0,01 % О

и в кипящих — не более 0,05 % Si и ~

% О

. Спокойные стали получают полным раскислением ст

ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем

ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие ст

раскисляют только ферромарганцем и о затвердевания в

содержится повышенное количество FeO. При застывани

изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя

который выделяется виде пузырьков,

создавая впечатлен е,

металл ки

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наибо

дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вред

примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05

фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %.

тали отливают в крупны слитки, вследствие чего в них

вита ликвация и они содержат сравнительно большое количес

неметаллических включе ий.

С повышением условного номе а марки стали возрастает пре

дел прочности (σ

) текучести (σ

0,2

) и снижается пластичность

ψ). Наиболее распространенная сталь СтЗсп имеет σ

= 380÷

МПа, σ

0,2

= 210÷250 МПа и δ = 25÷22 %, а Ст5сп σ

= 500÷

МПа, σ

0,2

= 240÷280 и δ = 20÷17. Чем ольше толщи а прок

тем ниже σ

, σ

0,2

, δ и ψ.

Из стале обыкновенн го качества изготовл

горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, пру

а также листы, трубы и поковки. Стали

болтов

256

струкций, р ей

машин (валы

по

на

др

ра

сп

ух С

содержанием углерода применяют элементов строительных

констр

об

скл рмационному старению.

Стали

сп

сел

осо

бы

зак

по

ос

сп

об

ст

пе

зак после закалки мартенсит не образуется.

пе

фе

стр ще

самоо

охл

вре

зрастает в 1,5—2,0 раза при

сохран

хла

вы

по

кон

по заменить легированные стали

терми и у ны и с

74)

отн

пре высокие требования по химическому составу

и структуре

257

еже для изготовления малонагруженных детал

, оси, зубчатые колеса и т. д.).

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп), содержащие

выш

енное количество кислорода, имеют порог хладноломкости

30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и

.). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также

ботающих при низких климатических температурах применяют

окойные стали (Ст1сп, Ст2сп т3сп)., С

в уС повышением содержания стали глерода свариваемость

удшается. Поэтому стал т более высоким

и Ст5 и 6 с

для

укций, не подвергаемых сварке.

Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны

ладать малой чувствительностью к термическому старению,

стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой

онностью к дефо

обыкновенного качества нередко имеют

ециализированное назначение (мосто- и судостроение,

ьскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по

бым техническим условиям.

Механические свойства стали обыкновенного качества могут

ть значительно повышены, а порог хладноломкости понижен

алкой в воде с прокатного нагрева. Закалку проводят сразу

выходе сортового проката (различные профили, прутки, листы

трубы и др.) из клети прокатного стана. Охлаждение

уществляют в специальных устройствах с форсунками —

рейерами, в которых вода подается под

вы оким давлением, что

еспечивает интенсивное охлаждение. Низкоуглеродистые

али СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью

реохлажденного аустенита (высокой критической скоростью

алки), поэтому

Однако быстрое охлаждение вызывает сильное

реохлаждение аустенита, что уменьшает количество свободного

ррита и приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной

уктуры (троостит, сорбит). После закалки следует отпуск, ча

тпуск за счет теплоты, сохранившейся при неполном

аждении при закалке. После упрочнения сортового проката

менное сопротивление σ

во

ении высокой пластичности и понижении порога

дноломкости. Одновременно повышается и предел

носливости. Термическая обработка с прокатного нагрева

зволяет сэкономить 10—50 % металла для изготовления

струкций, дает экономию энергетических ресурсов и

зволяет в ряде случаев

ческ прочнен ми углеродистым талями.

Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—

выплавляют с соблюдением более строгих условий в

ошении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним

дъявляют более

содержание S≤ 0,04 %, Ρ ≤ 0,035÷0,04 %, а также меньшее

количество неметаллических включений, ре

гламентированные

м ик

)

невысокой прочностью и

з ч

сталь используют для

холодной

оуг еств али уют

е я ,

ли (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50,

е п т

н .

е и

мость

с вел ич р п ки е

а г

о п

ют кал и ,

н я ,

у х ю и

акро- и м роструктура.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08

10, 15, 20, .... 85, которые указывают среднее содержание

углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %

05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают

ысокой пластичностью. σ

= 330÷340 МПа, σ

0,2

= 200÷210 МПа

и δ = 33÷31 %

. Эти стали бе терми еской обработки

применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую

холоднокатаную низкоуглеродистую

штамповки изделий.

Стали 15, 15кп, 20, 25 (σ

= 380÷460 МПа, σ

0,2

= 230÷ 280

МПа и δ = 27÷23 %) чаще применяют без термической

обработки или в нормализованном состоянии

Низк леродистые кач енные ст использ и для

ответственных сварных конструкций, а такж дл деталей машин

упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые ста

5 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной

закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях

машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по

сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочност

при боле низкой ластичнос и (σ

= 500÷ 10 МПа, σ

0,2

= 300÷

360 МПа, δ = 21÷16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо

обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются

доэвтектоид ые стали со структурой пластинчатого перлита

Посл улучшен я стали 40, 45, 50 имеют следующие

механические свойства: σ

= 600÷700 МПа, σ

0,2

= 400÷600 МПа

ψ = = 50÷40 % и KCU = 0,4-4-0,5 МДж/м

. Прокаливае

талей не ика; крит еский диамет осле закал в воде н

превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим и

следует применять для изготовления небольших деталей или боле

крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Дл

повышения прокаливаемости ст ли добавочно ле ируют марганцем

(40Г, 50Г).

Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 % С) 60, 65

70, 80 и 85 бладают овышенной прочностью, износостойкостью

и упругими свойствами; применя их после за ки отпуска

нормализации и отпуска и поверхност ой Закалки дл деталей

работающих в условиях трения при наличии высоких статически

вибрационных нагр зок. Из эти сталей изготовля т пружины

рессоры, шпиндели, замковые шайбы, п окатные валки

и т. д.

Механические свойства после нормализации»

258

2. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали широко применяют в тракторном

п м

вида

д м

знач

ие легирующих

эл

S 2

следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после

обработки они имеют более мелкое зерно и более

дисп ьшей

прокаливаемости и

меньшей критической скорости закалки замена углеродистой

стали легированной позволяет проводить закалку деталей в

ме резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает

деформацию изделий и опасность образования трещин.

Легированные стали применяют поэ-

9* 259

сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной

ромышленности, тяжелом и транспортном ашиностроении и в

еньшей степени в станкостроении, инструментальной и других

х промышленности. Эти стали широко применяют для тяжело-

агруженных металлоконструкций.

В качестве легирующих элементов чаще используют

равнительно недорогие и недефицитные элементы — марганец,

ремний и хром. Стали, содержащие эти элементы, нередко

обавочно легируют титаном, ванадием и боро .

Для изготовления высоконагруженных деталей стали легируют

ительно более дорогими и дефицитными элементами, такими

ак никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.

Стали, в которых суммарное содержан

ементов не превышает 2,5 %, относятся к низколегированным,

одержащие 2,5—10 % — к легированным, и более 10 % — к

ысоколегированным (содержание железа более 45 %).

ем выше легированность стали и меньше размеры

олуфабриката, тем стоимость стали больше. Особенно дороги

тали, содержащие большое количество никеля, молибдена,

ольфрама и кобальта. Цена калиброванной и шлифованной стали

ыше.

Наиболее широкое применение в строительстве получили

изколегированные стали, а в машиностроении — легированные

тали.

В этих сталях обычно содержится 0,8—1,8 % Μn, 0,4—1,2 %

i, 0,8— ,5 (чаще 0,8—1,0 %) Cr, 1,0—4,5 % Ni, 0,15—0,4 % Mo,

,5—1,2 % W, 0,06—0,3 % V, 0,03—0,09 % Ti, 0,002—0,005 % В.

Большинство конструкционных легированных сталей

тносится к перлитному классу, а в равновесном состоянии к

руппе доэвтектоидных. Высоколегированные стали, как правило,

меют специальное назначение (коррозионно-стойкие,

аропрочные, немагнитные и др.) и относятся к ферритному,

артенситному, аустенитному и смешанным структурным

лассам.

лияние легирующих элементов на свойства стали. В изделиях

рупных сечений (диаметром свыше 15—20 мм) механические

войства легированных сталей (σ

, σ

0,2

, δ, ψ, KCU) значительно

ыше, чем механические свойства углеродистых сталей. Особенно

ильно повышаются предел текучести, относительное сужение и

дарная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали

бладают меньшей критической скоростью закалки, а

термической

ерсные структуры. Благодаря бол

нее

тому не делий

небольшого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали

концентр

ви

(о

практически не

се и и в к

нтраторам напряжений и понижает температуру порога

м ио го

т уднораствори

ыс т ),

только для крупных изделий, но и для из

ация легирующих элементов, тем выше ее

прокаливаемость.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще

легируют более дешевыми элементами — марганцем, хромом и

бором, а также более дорогими — никелем и молибденом

Наибольшая прокаливаемость достигается при комплексном

ле о с

гир вании стали. Однако ледует иметь в ду, что по

достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости

дальнейшее увеличение в тали легирующих элементов может не

улучшить

, а, напротив, ухудшить механические и технологические

бработку резанием, свариваемость и т. д.) свойства стали. При

этом повышается порог хладноломкости. Например, увеличение

содержания в стали хрома или марганца до 1 %

вл а

ияет н порог хладноломкости. Однако при больших их

концентрациях порог хладноломкости повышается. В связи с

этим содержание легирующих элементов должно

быть

минимальным, обеспечивающим необходимую для данного

чения услов й охлаждения ск озную про аливаемость.

Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает

сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая

пластичность и вязкость, уменьшая чувствительность к

конце

хл

адноломкости. При содержании в стали 1 % Ni порог

хладноломкости снижается на 60—80 °С, дальнейшее увеличение

концентрации никеля до 3—4 % вызывает менее сильное, но все

е снижение порога хладноломкости.

Повышая запас вязкости

никель увеличивает КСТ и К

1с

. Введение 3—4 % Ni рекомендуется

для обеспечения глубокой прокаливаемости. Никель — дорогой

еталл, поэтому чаще в конструкц нные стали е вводят

совместно с хромом и другими элементами и притом в предельно

минимальном количестве. В сложнолегированных сталях никель

также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому

разрушению.

Легирование стали небольшим количеством (до 0,05—0,15 %)

V, Ti, Nb и Zr, образующих р мые в аустените

арбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости

повышает работу распространения трещины КСТ и уменьшает

чувствительность к концентраторам напряжений.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита

к отпуску и задерживают коагуляцию карбидов.

После одинаковой температуры отпуска легированная сталь

будет иметь более в окую прочнос ь (твердость но несколько

меньшую пластичность и вязкость, чем углеродистая сталь

Легирующие элементы существенно повышают прочность стали

после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за

счет сохранения большей плотности дефектов строения) и

увеличивая дисперсность карбидных частиц.

260