Лекции по материаловедению

Подождите немного. Документ загружается.

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7

100

120

Содержание легирующего элемента, % Содержание легирующего элемента, %

Количество остаточного аустенита, %

Мк, С

а) б)

Рис. 14.4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного

превращения (а) и количество остаточного аустенита в стали с 1,0 % С (б)

Легирующие элементы замедляют распад мартенсита при отпуске

(весьма существенно Сг, Mо, Si, Ti) и повышают температуры фазовых

превращений, тем самым повышая красностойкость стали.

14.4. Классификация легированных сталей

Классификация легированных сталей производится по следующим

признакам:

- по равновесной структуре;

- по структуре после охлаждения на воздухе;

- по составу;

- по назначению.

По равновесной структуре легированные стали делятся на:

- доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит;

- эвтектоидные, имеющие перлитную структуру;

- заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный вторичный

карбид;

- ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды,

выделяющиеся из жидкой фазы.

Пример: При содержании 5 % Сr сталь с 0,6 % С является

заэвтектоидной, а с 1,5 % С - ледебуритной.

По структуре после охлаждения на воздухе (рис.14.5) выделяют

три основных класса легированных сталей: перлитный, мартенситный,

аустенитный.

113

Температура

а) б) в)

время

0 0 0

Мн

Рис. 14.5. Диаграмма изотермического распада аустенита сталей:

а - перлитного класса (0,1 - 1,5 % С), содержащих менее 5 - 7 %

легирующих элементов; б - мартенситного класса (0,3 - 0,6 % С),

содержащих 10 - 15 % легирующих элементов; в - аустенитного класса

(0,1–- 0,5 % С), содержащих более 15 % легирующих элементов

По составу стали делятся на:

- никелевые;

- хромистые;

- кремнистые;

- хромоникельмолибденовые.

По назначению легированные стали делятся на:

- конструкционные (цементуемые, улучшаемые), строительные

низколегированные;

- инструментальные: для режущего инструмента (быстрорежущие);

для штампового инструмента; для мерительного инструмента;

- стали и сплавы с особыми свойствами: нержавеющие, жаростойкие,

теплостойкие, с особенностями теплового расширения, с особыми

магнитными свойствами.

14.5. Принципы комплексного легирования

Всё чаще в промышленности разрабатываются и применяются новые

комплексно легированные стали и сплавы. Такой подход позволяет

сократить расход дорогостоящих легирующих элементов (например,

вольфрам) не снижая, а, как правило, повышая многие свойства сталей и

сплавов.

Комплексное легирование проводится для того, чтобы:

- повысить устойчивость аустенита к переохлаждению и распаду, так

как легирующие элементы снижают критическую скорость закалки;

- увеличить прокаливаемость;

114

- уменьшить склонность стали к pocту аустенитного зерна;

- увеличить степень дисперсности карбидных фаз после закалки и

отпуска;

- упрочнить феррит;

- повысить температуру рекристаллизации;

- уменьшить склонность стали к отпускной хрупкости;

- улучшить обрабатываемость сплава;

- уменьшить склонность стали к деформации (короблению) при

термической обработке (так как используются "мягкие" охлаждающие

среды);

- увеличить запас вязкости и сопротивление хладноломкости;

- увеличить эксплуатационную надежность детали;

- улучшить свариваемость.

Легированные стали без термической обработки не применяются.

14.6. Технологические особенности термической обработки

легированной стали

Легирование, изменяя скорости и температуры фазовых

превращений, а также тепловые характеристики (теплопроводность) стали,

существенно влияет на режим термической обработки.

Нагрев под закалку необходимо проводить медленно, так как

легирование уменьшает теплопроводность стали. Время выдержки

увеличивается для завершения фазовых превращений и выравнивания

состава. Температура нагрева под закалку легированной стали выше, чем у

нелегированной углеродистой при одинаковом содержании углерода.

Охлаждение легированных сталей после нагрева и выдержки

проводится со значительно меньшей скоростью (масло, воздух), чем

нелегированных углеродистых.

Так кaк легирующие элементы снижают М

и увеличивают

количество остаточного аустенита, для более полного превращения

аустенита в мартенсит дополнительно проводят обработку стали холодом,

либо проводят два или три отпуска. Такая обработка повышает твердость

после отпуска за счёт распада остаточного аустенита на мартенсит

отпуска.

14.7. Особенности отпуска легированной стали

Легирующие элементы оказывают количественное и качественное

влияние на фазовые превращения при отпуске.

Количественное влияние заключается в изменении скоростей и

температурных интервалов фазовых пpeвращений при отпуске.

115

I превращение в стали (П→ А) сопровождается выделением углерода

из мартенсита ( с/а → 1). В углеродистых сталях тетрагональность решетки

стали исчезает при 300 °С. С введением Сг, V, Ti, W, Mo, Si эта

температура поднимается до 450 – 500

С и повышается красностойкосгь

стали.

При II - ом превращении в стали (А → Ф + Ц) легирующие элементы

повышают устойчивость переохлажденного аустенита, тем самым

увеличивая кoличество остаточного аустенита (до 30 %), который при

отпуске превращается в мартенсит отпуска при более высокой

температуре, чем у не легированных сталей. Вольфрам (W) и хром (Cr)

повышают температуру коагуляции до 450

С, молибден (Mo) - до 550 °С.

Карбидообразующие элементы замедляют процесс коагуляции.

Качественное влияние легирующих элементов при отпуске

легированных сталей заключается в появлении новых эффектов при

отпуске закаленных сталей: карбидного превращения и вторичной

твердости.

После III –го превращения (А → М), которое идет при более

высокой температуре (450-500

С), некарбидообразующие элементы (Co,

Ni, Si) диффундируют из цементита в перлит (Ц→ П),

карбидообразующие (Cr, Mn, W, Mo) из феррита в цементит (Ф → Ц).

В момент предельного насыщения цементита легирующим

элементом происходит карбидное превращение; легированный цементит

превращается в специальный карбид (Fe Ме)

С, (Cr Fe)

Явление вторичной твердости заключается в повышении

твердости после отпуска в интервале достаточно высоких температур 500 -

600 °С. Это явление связано с превращением остаточного аустенита в

мартенсит и образованием высоко дисперсных спецкарбидов, которые

заклинивают плоскости скольжения и повышают твердость.

15. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционными называют материалы, предназначенные для

изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций,

подвергающихся механическим нагрузкам.

Выбор стали для изготовления деталей определяется:

- условиями работы;

- величиной и характером напряжений, возникающих в процессе

эксплуатации;

- размерами и формой детали.

Выбранная сталь должна удовлетворять эксплуатационным,

технологическим и экономическим требованиям.

116

Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение, так

как должны обеспечить работоспособность, надежность и конструктивную

прочность материала.

Конструктивная прочность - это определенный комплекс

механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу

материала в условиях его эксплуатации.

Конструктивная прочность определяется четырьмя основными

критериями: жесткостью, прочностью, сопротивлением хрупкому

разрушению, надежностью.

Жесткость конструкции - структурно не чувствительная

характеристика, зависящая только от природы материала (межатомных

связей). Показателем жесткости является модуль продольной упругости

(Е) (модуль жесткости). Обычно в совокупности с Е учитывают плотность

(γ ) материала и используют критерий удельной жесткости (Е / γ) , что

очень важно в самолетостроении.

Прочность - способность конструкции сопротивляться

деформациям и разрушениям. Характеристики прочности определяют в

результате статического испытания на растяжение (σ

; σ

0,2

). Эти

характеристики зависят от структуры стали и термической обработки.

Прочность изменяется в широких пределах от 100 до 3500 МПа. Как и в

случае жесткости, обычно учитывают плотность материала и оперируют

понятиями удельной прочности:

/ γ ; σ

0,2

/ γ.

По этим показателям высшие значения имеют титановые сплавы.

Модуль упругости Е и предел текучести σ

0,2

являются расчетными

характеристиками, определяющими допустимую нагрузку.

Надежность - свойство изделия выполнять заданные функции,

сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в

течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки (в

часах). Главный показатель надежности - запас вязкости материала.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является

важнейшей характеристикой, определяющей надежность.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до

предельного состояния (невозможность дальнейшей эксплуатации).

Долговечность зависит от условий эксплуатации и определяется:

- сопротивлением износу при трении;

- состоянием поверхности;

- коррозионной стойкостью материала.

117

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

) более 1400 -

2000 Мпа:

- полученные при помощи закалки и низкого отпуска;

- термомеханической обработки;

- мартенситостареющие стали.

118

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.

119

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

С с поверхностным наклепом (обдувкой дробью). Полученная после

такой обработки структура троостита обеспечивает отношение σ

упр

/ σ

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

С, 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.

120

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

С 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

(Ni

Ti, NiAl, Fe

Mo, Ni

Mo), когерентно связанные с матрицей.

Для мартенсито-стареющих сталей характерны:

- высокий предел текучести;

- низкий порог хладноломкости;

- высокое сопротивление распространению трещин;

- малая чувствительность к надрезам;

- высокое сопротивление хрупкому разрушению;

- высокая конструктивная прочность в широком диапазоне

температур от криогенных до 450 - 500

С;

- высокая технологичность.

Марки мартенсито-стареющих сталей: 03H18K9M5T,

03Н12К15М10, 03Х11H10M2T.

Мартенсито-стареющие стали используют для ответственных

деталей в авиации, ракетной технике, приборостроении, судостроении как

пружинный материал.

16. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Инструментальными называют углеродистые и легированные

стали, содержащие более 0,7-1,25 % С, обладающие высокой твердостью

( 60-65HRC), прочностью, износостойкостью и применяемые для

различного инструмента.

Классификацию инструментальных сталей проводят по двум

признакам: по назначению и по свойствам.

По назначению инструментальные стали делятся на режущие

(быстрорежущие), ударно-штамповые, мерительные.

По свойствам инструментальные стали делятся на нетеплостойкие

(У11, У12, 9ХС, ХВГ, рабочая температура которых 200 –300

С),

полутеплостойкие (средне- и высоколегированные стали, рабочая

температура которых 300 - 500 °С); теплостойкие (высоколегированные,

быстрорежущие и твердые сплавы и металлокерамика, рабочая

температура которых 500-625

С).

121

Теплостойкость (красностойкость) - способность материалов

сохранять служебные свойства (твердость, прочность) при нагреве до

рабочих температур.

16.1. Режущие стали

В процессе работы режущий инструмент работает на износ

поверхности.

К износостойким материалам предъявляются требования:

- высокая твердость и мелкозернистая равномерная структура,

обеспечивающая большое сопротивление истиранию на контактных

поверхностях;

- высокая горячая твердость и горячая прочность при отсутствии

склонности к пластической деформации;

- достаточная вязкость при большом сопротивлении внешним силам,

действующим на трибосистему;

- термодинамическая устойчивость компонентов структуры (твердых

фаз);

- высокая прочность границ зерен между кристаллами твердой фазы

и между твердой фазой и связкой;

- незначительная склонность к адгезии с материалом -партнером,

особенно при пиковых параметрах нагружения.

Различные механизмы износа часто действуют одновременно

(абразивный и диффузионный). Какой из них доминирует, тот и

определяет время эффективной работы режущего инструмента (срок

службы).

Режущие стали содержат углерода 0,8 –1,25 % . К ним относят:

- углеродистые стали небольшой прокаливаемости: У9,У10, У11,

У12. Из этих сталей изготовляют резцы, сверла, напильники;

- легированные стали, основными легирующими элементами

которых являются Сr,W, V (9ХФ, 9ХС, 9ХВГ, ХВГ, XВГС).

16.2. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали применяются для .разнообразного

инструмента, работающего при высоких скоростях резания в тяжелых

условиях.

Качество (стойкость) инструмента зависит от:

- качества стали;

- тщательности и правильности изготовления;

- правильной термической обработки.

122