Вершина А.К., Свидунович Н.А., Куис Д.В. Состав, структура, свойства сплавов на основе железа - файл n1.doc

приобрести
Вершина А.К., Свидунович Н.А., Куис Д.В. Состав, структура, свойства сплавов на основе железа
скачать (4661 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc4661kb.19.09.2012 18:33скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9

Учреждение образования


«Белорусский государственный

технологический университет»

А. К. Вершина, Н. А. Свидунович, Д. В. Куис

состав, структура, свойства сплавов на основе железа

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение

и технология конструкционных материалов» для студентов химических и технологических специальностей

Минск 2009

СОДЕРЖАНИЕ


Лабораторная работа № 1. Конструкционные легированные стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Маркировка легированных сталей …………………………



3

Лабораторная работа № 2. Конструкционные легированные стали. Термическая и химико-термическая обработка. Структура, свойства и применение сталей……………………………………….



14

Лабораторная работа № 3. Материалы для режущего

Инструмента………………………………………………………


37

Лабораторная работа № 4. Исследование зависимостей

состав – структура – свойства для чугунов…………………….


77


Лабораторная работа № 1

Конструкционные легированные стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Маркировка легированных сталей
Цель работы: изучение состава, структуры маркировки и механических свойств легированных сталей.
1. Теоретическая часть
1.1. Конструкционные легированные стали
Легированной называется сталь, в которую для придания ей определенных механических, технологических или специальных свойств введены легирующие элементы.

Легирующие элементы. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Ni – никель; Cr – хром; Co – кобальт; Mo – молибден; Mn – марганец; Cu – медь; B – бор; Nb – ниобий; Zr – цирконий; Si – кремний; P – фосфор; W – вольфрам; Ti – титан; N –азот; V – ванадий; Al – алюминий; La, Ce, Pr и другие редкоземельные металлы;

Распределение легирующих элементов в стали. В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии;

б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений;

г) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

д) в форме раствора в железе.

Карбидная фаза в легированных сталях. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.


Карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа (рис. 1.1, обведены рамкой).

Рис. 1.1. Периодическая система элементов

(в рамке элементы, образующие карбиды в стали)
Установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

Fe3C Мо2С карбиды II группы

Мn3С карбиды I группыW2С, (фазы внедрения)

Cr23C6, Cr7C3 WС, VС

Fe3Мо3С TiС, NbC, ТаС

Fe3W3C Та2С, ZrC

Однако в сталях в чистом виде перечисленные карбиды не существуют. Карбиды всех легирующих элементов содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов – и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома Сr23С6 образуется карбид (Сr, Мn, Fe)23C6, содержащий в растворе железо и марганец.

Указанные карбидообразующие элементы кроме того, что образуют карбиды, еще и растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами.

Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме углерода, азота, кислорода, бора и металлоидов, удаленных в периодической системе от железа.

Элементы, расположенные в периодической системе левее железа, распределяются между железом (основой) и карбидами; элементы, расположенные правее железа (кобальт, никель, медь и др.), образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, подводя итоги, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Влияние легирующих элементов на феррит. Растворение легирующих элементов в Fe? происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Все элементы, растворяющиеся в феррите, изменяют параметры решетки феррита в тем большей степени, чем больше различаются атомные размеры железа и легирующего элемента.

Элементы с атомным радиусом, меньшим, чем у железа, уменьшают параметры решетки, а с большим – увеличивают (никель является исключением).

Естественно, что изменение размеров ?-решетки вызывает и изменение свойств феррита – прочность повышается, а пластичность уменьшается.

На рис. 1.2 показаны изменения свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов. Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при наличии более 1%) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.

Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.

Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость; б – ударная вязкость



Рис. 1.3. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа
Таким образом, из перечисленных шести наиболее распространенных легирующих элементов особенно ценным является никель.

Достаточно интенсивно упрочняя феррит, никель не снижает его вязкость и понижает порог хладноломкости, тогда как другие элементы, если и не снижают вязкости, то слабо упрочняют феррит (хром) либо, сильно упрочняя феррит, резко снижают его вязкость (марганец, кремний).

Приведенные на рис. 1.3 данные относятся к медленно охлажденным сплавам. Свойства феррита, содержащего в растворе кремний, молибден или вольфрам, практически не зависят от того, как охлаждался сплав – быстро или медленно, тогда как твердость феррита, легированного хромом, марганцем и никелем, после быстрого охлаждения оказывается более высокой, чем после медленного охлаждения.

Исследование причин упрочнения при быстром охлаждении легированного феррита в практически безуглеродистых сплавах (С < 0,02%) показало, что это связано с образованием структуры мартенситного типа.

При медленном охлаждении получается полиэдрический феррит (рис. 1.4, а). При быстром охлаждении получается структура игольчатого типа – игольчатый феррит (рис. 1.4, б), по внешнему виду похожая на бейнит. Твердость игольчатого феррита на 100–150 НВ выше твердости полиэдрического феррита.

Рис. 1.4. Структура феррита в сплаве с 4,2%-ным Сr;

а – полиэдрический феррит, медленное охлаждение, Ч 400; б – игольчатый феррит, очень быстрое охлаждение, Ч 400
Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита. Кинетика распада аустенита, определяет поведение стали при термической обработке. Влияние же легирующих элементов на кинетику превращения аустенита очень велико.

Так, легирующие элементы, образующие растворимые в аустените карбиды, при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита при:

– 700–500°С (образование перлита) – замедляют превращение;

– 500–400°С – весьма значительно замедляют превращение;

– 400–300°С (образование бейнита) – ускоряют превращение.

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые (бейнитные превращения) структуры.

Схематическое изображение диаграммы изотермического превращения (показано лишь начало превращения) приведено на рис. 1.5.


Рис. 1.5. Диаграммы изотермического распада аустенита:

а – углеродистая (1) и легированная некарбидообразующими элементами (2)

стали; б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими

элементами (2) стали
Практически наиболее важной является способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается в смещении линии вправо на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например при охлаждении в масле или на воздухе, что естественно связано с уменьшением критической скорости закалки.
Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение. Легирующие элементы главным образом влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали (рис. 1.6).



Рис. 1.6. Влияние легирующих элементов на температуру мартенентного

превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1% С
Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 1.6, а). Из диаграммы видно, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0°С, следовательно, при таком (или большем содержании этого легирующего элемента) охлаждением можно зафиксировать только аустенитное состояние.

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита. Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна.


Остальные элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние:

– никель, кобальт, кремний, медь (элементы, не образующие карбидов) относительно слабо влияют на рост зерна;

– хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

Это различие является прямым следствием различной устойчивости карбидов (и нитридов) этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют не значительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) весьма заметно.


Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер, и большинство легирующих элементов замедляет карбидное превращение, в особенности на стадии коагуляции.

На начальной стадии распада мартенсита в легированных сталях образуется -карбид, имеющий тот же состав (по легирующим элементам), что и мартенсит.

На этой стадии отпуска влияние легирующих элементов на разупрочнение мартенсита невелико.

При более высокой температуре происходит срыв когерентности и превращение - карбида в цементит или специальный карбид. На этой стадии отпуска наступает разупрочнение. Большинство легирующих элементов смещает эти процессы вверх по температурной шкале.

Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.
1.2. Маркировка легированных сталей
Для обозначения марок сталей разработана система, принятая в ГОСТах. Обозначения состоят из числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н – никель; X – хром; К – кобальт; М – молибден; Г – марганец; Д – медь; Р – бор; Б – ниобий; Ц – цирконий; С – кремний; П – фосфор; Ч – редкоземельные металлы; В – вольфрам; Т – титан; А – азот; Ф – ванадий; Ю – алюминий.

Первые цифры в обозначении марок сталей показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталях в десятых долях процента).

Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1% цифра отсутствует; при содержании 1% цифра 1 и 2% – цифра 2 и т. д.).

Следовательно,

– сталь состава 0,10–0,15% С и 1,3–1,7% Мn обозначается 12Г2;

– сталь состава 0,28–0,35%С; 0,8–1,1% Сr; 0,9–1,2% Мn; 0,8–1,2% Si обозначается 30ХГС и т. д.

Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S < 0,03%; Р < 0,03%), а также что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставят букву А1.

Однако в ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от точного соблюдения системы ГОСТов (особенно это относится к сложнолегированным сталям).

Например, в инструментальных сталях, имеющих углерода больше 1%, цифры, обозначающие его содержание, полностью опускают.

Так, инструментальная сталь с 1,45 – 1,70% C; 11,0 – 12,% Сr и 0,5–0,8% Мо обозначает Х12М.

Для сплавов с содержанием железа менее 50% и большого количества различных легирующих элементов все они перечисляются буквами, а цифрой указывается только содержание никеля.

Нестандартные стали обозначают самым различным образом.

Так, опытные марки, выплавленные на заводе «Электросталь», обозначаются буквой И (исследовательские), буквой П (пробные) или К и порядковым номером, например ЭИ179, ЭИ276, ЭП398 и т. д.

Несмотря на то, что для всех сталей невозможно применить в полном объеме систему маркировки ГОСТа, она все же более удобна, наглядна и значительно превосходит в этом отношении принятую в других странах (США, Англии, ФРГ и др.) систему маркировки стали.
2. Задание и методические указания


В настоящей работе студенты изучают влияние состава на структуру и механические свойства легированных сталей, знакомятся с маркировкой легированных сталей.

1. Определите условия получения структуры легированных сталей;

2. Установите влияние каждой структурной составляющей на свойства сталей;

3. Установите различие в свойствах сталей с различным легированием;

4. Составьте отчет о данной работе.

При составлении отчета необходимо привести все характерные графики и структуры различно легированных сталей.
3. Контрольные вопросы
1. Какая сталь называется легированной?

2. Что такое легирующие элементы?

3. Назовите основные легирующие элементы в сталях.

  1. Влияние легирующих элементов на свойства железоуглеродистых сплавов.

  2. Как распределяются легирующие элементы в стали?

  3. В каком виде легирующие элементы могут находиться в промышленных легированных сталях?

  4. Какие элементы являются карбидообразующими, как они расположены в периодической системе элементов Менделеева?

  5. Какие карбидные соединения могут образовываться в сталях?

  6. В каких фазах распределяются легирующие элементы и каким образом?

  7. Каким образом влияют легирующие элементы на феррит?

  8. Каково влияние легирующих элементов на порог хладноломкости?

  9. Что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению?

  10. Как влияют хром и никель на порог хладноломкости и склонность железа к хрупким разрушениям?

  11. Назовите причину упрочнения при быстром охлаждении легированного феррита в практически безуглеродистых сплавах (С < 0,02%)?

  12. Как влияют легирующие элементы на кинетику распада аустенита?

  13. Приведите диаграммы изотермического распада аустенита для углеродистых и легированных сталей.

  14. Как влияют легирующие элементы на мартенситное превращение?

  15. Каково влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита?

  16. Каково влияние легирующих элементов на превращения при отпуске?

  17. В чем причина замедления процесса распада мартенсита легирующими элементами?

  18. На какой стадии отпуска проявляется влияние легирующих элементов на разупрочнение мартенсита?

  19. Маркировка легированных сталей. Что означают цифры, какими буквами обозначаются элементы?

  20. Как маркируются нестандартные легированные стали? Приведите примеры.


Лабораторная работа № 2

КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ.

ТЕРМИЧЕСКАЯ И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

СТРУКТУРА, СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ СТАЛЕЙ
Цель работы: изучение состава, структуры маркировки и механических свойств легированных сталей, выбор оптимального состава материала и режимов упрочняющей обработки в соответствие с требованиями к типовым деталям машин, натурные и эксплуатационные испытания с целью выбора материалов для изготовления деталей для конкретных условий работы.

Цементация, закалка, низкий отпуск.

Шестерни и зубчатые колеса с применением цементации, закалки и низкого отпуска

Валы с применением азотирования и закалки ТВЧ.

Рессоры и пружины с использованием закалки, среднего отпуска и поверхностно-пластической деформации (ППД).
1. Теоретическая часть


    1. Легированные конструкционные стали


Механические свойства сталей и, следовательно, конструктивная прочность повышается введением в их состав легирующих добавок, основные из которых – хром, никель, кремний и марганец. Другие легирующие элементы (вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор) вводят обычно в сочетании с основными для дополнительного улучшения свойств, обусловленного их влиянием на свойства феррита, прокаливаемость, устойчивость мартенсита при отпуске, дисперсность карбидной фазы и размер зерен.

Применяют легированные стали, как правило, с закалкой и отпуском, т. к. их положительные качества обнаруживаются только после термического упрочнения и состоят в следующем:

а) у всех термоупрочненных легированных сталей сопротивление пластической деформации ?т выше, чем у углеродистых (при равном содержании углерода);

б) прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых (большинство легирующих элементов увеличивает устойчивость аустенита), поэтому нагруженные детали крупного сечения изготовляют из легированных сталей со сквозной прокаливаемостью;

в) повышенная устойчивость аустенита легированных сталей позволяет применять при закалке «мягкие» охладители – масло и снизить брак по закалочным трещинам и короблению в изделиях сложной формы;

г) легирование никелем, повышая вязкость стали и сопротивление ее хладноломкости, увеличивает эксплуатационную надежность деталей машин, поэтому тяжело нагруженные детали ответственного назначения изготовляет из сталей, содержащих никеля от 1–3% до 9–18%.

Таким образом, наиболее важной характеристикой легированных конструкционных сталей являются механические свойства и их распределение по сечению. При этом уровень механических свойств стали и ее закаливаемость (способность воспринимать закалку) зависят от содержания углерода, а прокаливаемость (глубина закаленной зоны), закаливаемость и несколько механические свойства (не считая никеля и молибдена, значительно улучшающих вязкость) – от состава и количества легирующих элементов.

К недостаткам легированных сталей относят:

а) склонность к обратимой отпускной хрупкости, дендритной ликвации и флокенообразованию;

б) повышенное количество остаточного аустенита после закалки, понижающего твердость и сопротивление усталости;

в) дефицитность и высокую стоимость легирующих элементов.

Производят легированные стали качественными, высококачественными и особовысококачественными. Но в основном выплавляют качественными, а по степени раскисления – спокойными.

Они идут на изготовление разнообразных деталей (валов, осей, шестерен, пружин и т. д.) практически во всех отраслях машиностроения и несколько меньше – на изготовление строительных конструкций.

Маркируют конструкционные легированные стали буквами и цифрами, по которым в большинстве случаев можно судить об их качественном и, в первом приближении, о количественном составе.

Основные легирующие элементы обозначают соответствующими буквами:

Ni – Н, Cr – Х, Со – К, Мо – М, Мn – Г, Cu – Д, В – Р, Nb – B, N – A, Si – С, W – B, Ti – Т, V – Ф, Al – Ю.

Цифры после буквы, соответствующей легирующему элементу, указывают на его содержание в целых процентах; если элемента менее 1,0–1,5% – число не ставится.

Количество углерода указывается двухзначным числом в начале марки стали и соответствует содержанию его в сотых долях процента (например, 40Х – углерода 0,40%, хрома – 1%).

Если сталь высококачественная, то в конце марки ставится буква А, если особовысококачественная – буква Ш (например: 40ХНМА – высококачественная легированная конструкционная сталь, 30ХГСШ – особовысококачественная конструкционная сталь).

Конструкционные легированные стали, как правило, подвергают термической обработке, в зависимости от режима которой их делят на используемые без термической обработки представляют отдельную группу – строительных и автоматных сталей; цементуемые (подвергаемые цементации); улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску).

Строительные стали предназначены для строительных конструкций (мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т. д.), которые обычно изготовляют сварными, поэтому свариваемость – основное свойство таких сталей.

Автоматные стали предназначены для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах и отличаются хорошей обрабатываемостью резанием из-за повышенного содержания серы (0,08–0,30%) и фосфора (0,06%), способствующих образованию ломкой «сыпучей» стружки.

Их маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (AI2, А30, А40Г – сернистые; ACI4, АС40, АС35Г2 – свинецсодержащие; А35Е, А40ХВ – сернистоселенистые; АЦ20, АЦ40Г – кальцийсодержащие).

Наличие серы и фосфора, улучшая обрабатываемость, ухудшает качество стали: понижает вязкость, пластичность, усталостную прочность и коррозионную стойкость.

Эти стали используют для крепежных и мелких слабонагруженных деталей.

Улучшают обрабатываемость резанием: химические аналоги серы – селен и теллур, которые вводят в высоколегированные нержавеющие стали; небольшие добавки свинца (0,1–0,3%), не понижающие механические характеристики стали; микродобавки кальция (0,002–0,008%).

Конструкционные низколегированные стали (повышенной прочности) содержат до 0,22% углерода и до 2–3% недефицитных легирующих элементов (17ГС, 16Г2АФ, 14ХГС, 09Г2С). Они мало различаются по составу и свойствам; их структура (феррит + перлит) и служебные свойства формируются при производстве (например, контролируемой прокаткой).

Применяют низколегированные стали вместо углеродистых для конструкций, где необходим материал с высоким пределом текучести. Стали, легированные хромом, никелем и медью, имеют повышенную вязкость и коррозионную стойкость, а кремнием и марганцем – используют в котлостроении до 470°С; профилями с повышенным содержанием углерода (0,20–0,35%) – армируют железобетон.

Конструкционные цементуемые – низкоуглеродистые (не более 0,25–0,30% С) низко- и среднелегированные стали после цементации и нитроцементации, закалки и низкого отпуска имеют высокую поверхностную твердость (НRС 58–62) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине.

Они предназначены для деталей, работающих на износ при переменных и ударных нагрузках, т. е. работоспособность которых зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины.

Высокие служебные свойства в поверхностном слое (высокая твердость, контактная выносливость и предел усталости при изгибе) после цементации получают при его высокой закаливаемости, что зависит, прежде всего, от содержания углерода.

Легирующие элементы оказывают косвенное влияние на свойства поверхностного слоя, изменяя в нем концентрацию углерода:

– карбидообразующие элементы увеличивают степень науглероживания и поверхностную твердость, повышая тем самым износостойкость и контактную выносливость (чрезмерно высокая твердость – HRC > 63 нежелательна из-за опасности хрупкого разрушения);

– никель и кремний снижают степень науглероживания и, следовательно, хрупкость слоя.

После закалки детали цементированный слой должен иметь мартенситно-аустенитную структуру без продуктов перлитного и промежуточного превращений аустенита, наличие которых резко снижает предел выносливости.

Работоспособность цементованных деталей при одинаковых свойствах поверхностных слоев зависит от свойств сердцевины:

– при невысокой твердости сердцевины в подслоевой зоне возможна пластическая деформация, которая вызовет перенапряжение поверхностного слоя и его преждевременное разрушение;

– повышение прочности сердцевины способствует увеличению контактной прочности, особенно при циклических нагрузках.

Степень упрочнения сердцевины увеличивается с повышением содержания в стали углерода и легирующих элементов. Поэтому цементуемые легированные стали в зависимости от структуры, получаемой в сердцевине (при охлаждении в масле), подразделяются на следующие группы:

а) среднепрочные низколегированные (I5X, 20Х, 15ХФ, I5XP, 20ХН) с упрочняемой сердцевиной, структура которой после закал- ки – троостит или бейнит.

При цементации этих сталей возможно образование цементитной сетки в поверхностном слое, что повышает его чувствительность к надрезам.

Стали этой группы применяют для небольших деталей (поршневых пальцев и колец, распределительных валиков, толкателей, копиров и т. п.), работающих при средних нагрузках, так как их прокаливаемость невелика (до 25 мм);

б) высокопрочные комплексно-легированные (20ХНР, 18ХГТ, I2XH3, 12X2Н3, 18Х2Н4В) и экономнолегированные с содержанием углерода до 0,25–0,30% (30ХГТ, 25ХГМ) с сильно упрочняемой сердцевиной вследствие образования в ней при закалке мартенсита.

Наиболее ответственные детали, эксплуатируемые с динамическими нагрузками, из высокопрочных цементуемых сталей:

– зубчатые колеса авиадвигателей и судовых редукторов – из I8X2H4MA;

– зубчатые колеса и валы автомобилей – из 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ;

– зубчатые колеса, червяки, кулачковые муфты – из 20ХГР, 20ХНР.

Ответственные детали, работающие при циклических и ударных нагрузках, а иногда при пониженных температурах (валы, штоки, шатуны и т. п.) изготовляют из улучшаемых среднеуглеродистых (0,3–0,5% С) низколегированных (до 5% легирующих элементов) сталей, подвергаемых термическому улучшению – закалке и высокому отпуску на сорбит.

Эти стали должны иметь высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью и малой чувствительностью к надрезу в любом сечении детали, что достигается термическим улучшением при сквозной прокаливаемости, которая является их важнейшей характеристикой и определяется присутствием легирующих элементов.

В деталях небольшого сечения при одинаковом содержании углерода и разном количестве легирующих элементов улучшенные стали имеют близкие прочностные свойства, которые значительно отличаются в деталях крупных сечений.

Следовательно, не механические свойства, а прокаливаемость является критерием при выборе состава стали: чем больше сечение детали, тем более легированной должна быть сталь для ее изготовления.

Сложные по конфигурации детали, особенно подвергающиеся ударным нагрузкам, изготовляют из сталей, которые содержат никель.

Улучшаемые легированные стали условно делят по прокаливаемости на группы, с увеличением номеров которых повышаются степень легирования и размер сечения сквозной прокаливаемости:

а) хромистые стали прокаливаемостью до 20–25 мм (30Х, 40Х, 40ХР);

б) хромистые стали с марганцем, молибденом, кремнием, титаном прокаливаемостью до 40 мм (30ХМ, 30ХГТ, 30ХГС, 40ХГТР);

в) хромоникелевые (l,0–l,5% Ni) стали с бором, марганцем прокаливаемостью до 40–70 мм (40ХН, 40ХНР, 40ХНМ, 42ХМФ);

г) хромоникельмолибденовые (2–3% Ni) стали с ванадием прокаливаемостью свыше 70 мм (30ХН3, 30ХН2ВФ, 38ХНЗМФ).

Рессорно-пружинные стали составляют особую группу конструкционных сталей, у которых используются только упругие свойства из-за специфических требований, предъявляемых к изделиям из них.

Эти стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и пределом выносливости при достаточных пластичности и вязкости, иметь повышенную релаксационную стойкость, хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость.

Указанные свойства рессорно-пружинных сталей достигаются повышенным содержанием в них углерода (чаще всего 0,5–0,7%), определенной степенью легированности и соответствующей термической обработкой (закалкой со средним отпуском).

Рессоры, пружины, упругие элементы механизмов работают при различных нагрузках, температурах и в разных средах (на воздухе и в коррозионно-активных), поэтому пружинные стали подразделяют:

– на стали общего назначения (с высокими механическими свойствами) – углеродистые (65, 70, 75, 85) и легированные (65Г, 60С2, 70СЗ, 50ХГ, 55ХГР, 50ХФА, 55ХГСФ, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА) стали;

– стали специального назначения с дополнительными химическими и физическими свойствами (немагнитные, коррозионно-стойкие, с высокой электропроводностью и др.), т. е. с особыми свойствами – мартенситные и аустенитные коррозионно-стойкие (30X13, 40X13, I2XI8H9T) и мартенситно-стареющие стали (Н18К9М5Т).
1.2. Выбор оптимального состава материала и режимов

упрочняющей обработки в соответствие с требованиями

к деталям
Какай выбрать материал для изготовления детали, как ее изготовить и упрочнить – зависит, прежде всего, от условий работы детали, величины и характера, нагружения при эксплуатации, ее размеров, массы и формы.

В справочной литературе приведены многосторонние сведения о сталях: марки, состав, механические и технологические свойстве, режимы термообработки и получаемые после нее свойства, примерные области применения.

Мнение, что справочник дает ответы на все вопросы, связанные с правильным выбором материала, ошибочно.

Есть большое количество сталей, рекомендуемых для одних и тех же целей и имеющих близкие свойства, установленные стандартными испытаниями. Однако в конкретных условиях работы каждая сталь проявляет себя по-разному, обнаруживая различную конструкционную прочность, и поэтому должна рассматриваться возможность применения нескольких марок стали.

Единого правила выбора оптимального состава материала для различных деталей нет, но всегда необходимо максимальное выполнение требований, предъявляемых к детали, способу ее производства и упрочнения, а именно:

1) эксплуатационное требование – материал должен обеспечить заданную (расчетную) конструкционную прочность (прочность с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, определяющих надежность, долговечность и экономичность конструкции);

2) технологическое требование – трудоемкость изготовления (резанием и давлением) детали должна быть минимальной;

3) экономическое требование – все затраты (стоимость стали, изготовления и упрочнения детали) должны быть минимальны, а эксплуатационная стойкость детали в машине максимальна, т.е. нужно выбирать недорогие углеродистые и низколегированные стали. А дорогие с никелем, молибденом, ванадием, вольфрамом применять, если дешевые не обеспечивают заданных требований.

Поскольку требования к материалу деталей противоречивы (более прочные стали менее технологичны, труднее обрабатываются резанием, холодной объемной штамповкой, хуже свариваются), то выбор стали обычно компромиссен: при массовом производстве стремятся к упрощению технологии и снижению трудоемкости изготовления, в специальных отраслях машиностроения (когда более важна прочность) выбор материала и технологии изготовления и упрочнения диктует только необходимость обеспечить максимальные эксплуатационные свойства.

Обычно рассматривают возможность применения нескольких марок сталей и способов упрочнения, что позволяет выбрать рациональный вариант, обеспечивающий высокие эксплуатационные свойства детали и хорошую технологичность при наименьших затратах. Но самое важное условие правильного выбора материала – обеспечение необходимого комплекса механических свойств и распределение их по сечению детали, исходя из условий ее эксплуатации. При этом необходимо руководствоваться следующими положениями:

1) механические свойства стали (НВ, ?в, ?т, ?, ?, ан) зависят от ее химического состава и структуры, которую можно существенно улучшить термообработкой;

2) легирование повышает ?в и ?т, но, упрочняя металл, способствует ее хрупкому разрушению (кроме никеля и молибдена), поэтому степень легированности выбираемой стали определяется нужной глубиной прокаливаемости: сквозная прокаливаемость необходима деталям, работающим на растяжение (шатуны, болты) и с высокими упругими свойствами (рессоры, пружины, торционные валы), но не нужна работающим на изгиб и кручение, т.к. напряжения в середине их сечения равны нулю;

3) легирование цементуемых сталей должно обеспечивать торможение роста зерна аустенита при нагреве и требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины, т. к. работоспособность цементованных деталей зависит от свойств и поверхности, и сердцевины;

4) легированные стали применяют только термообработанными, кроме некоторых строительных, легированных небольшим количеством дешевых элементов (марганец и кремний ).
1.3. Стали и упрочняющая обработка для типовых деталей машин
Валы. В зависимости от условий эксплуатации стойкость валов определяется усталостной прочностью при кручении и изгибе, контактной прочностью или износостойкостью.

Малонагруженные медленно вращающиеся валы изготовляют из сталей 35, 40, 45 и Ст.3, Ст.4, Ст.5 без термической обработки.

Если работоспособность валов зависит от прочности на изгиб и кручение (не зависит от контактной выносливости и износостойкости), то

– средненагруженные валы (до 80–100 мм) изготовляют из сталей 45, 40Х, 50Х с улучшением (?в = 800–1000 МПа; НВ 217–285);

– высоконагруженные валы (Ш 100–130 мм) – из хромоникелевых и хромомолибденовых глубоко прокаливающихся сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХНЗМА с улучшением (?в  1000 МПа);

– особо ответственные (в турбо- и компрессоростроении) – из еще более легированных 30ХН2ВФА, 36ХНТМФА, З8ХН3МФА, 30Х2НВФА с улучшением.

Валы небольших размеров (гладкие, ступенчатые, шлицевые), работоспособность которых зависит от контактной выносливости и износостойкости (с поверхностной твердостью НRС 48–50) изготовляют из сталей 45, 50 с поверхностной закалкой ТВЧ или с улучшением и поверхностной закалкой и самоотпуском.

Валы покрупнее – из более прокаливающихся сталей 40Х, 40ХГТ с улучшением и поверхностной закалкой ТВЧ с самоотпуском.

Валы быстроходные и более износостойкие (НRС 56–58) – из 20Х, 18ГТ, I2XH3A (иногда 35Х2ГНТА) с цементацией, закалкой и низким отпуском.

Особо высоким сопротивлением изнашиванию обладают валы из стали 38ХМЮА после улучшения и азотирования.

Шестерни, зубчатые колеса. Шестерни и зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя из-за контактного усталостного разрушения, торцового износа, заедания зубьев и их поломки при кратковременных перегрузках. Поэтому материал для них должен обеспечивать высокую поверхностную износостойкость, достаточную статистическую усталостную прочность при изгибе и контактном нагружении и подбираться, исходя из габаритов и конструкции шестерни, а также условий эксплуатации.

Указанным требованиям наиболее соответствуют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали, у которых после термообработки структура:

– поверхностного слоя – мартенсит отпуска;

– сердцевины – феррито-цементитные смеси различной дисперсности, бейнит или низкоуглеродистый отпущенный мартенсит.

Выбор марки стали и метода ее упрочнения для шестерен производят в зависимости от степени их нагруженности:

– мало- и средненагруженные зубчатые колеса – коробки передач, редукторов, задних мостов изготовляют:

1) из безникелевых сталей – 20Х, 18ХГТ, 25ХГТ, 30ХГТ, 20ХГР;

2) из малоникелевых – 20ХГНМ, 19ХГН, 20ХНМ, 20ХНР, 20ХГНР сталей;

– тяжелонагруженные, например, большегрузных автомобилей - из более легированных сталей – 12ХН3А, 20ХНЗА, 15ХГН2ТА, 15Х2ГНТРА, 20ХГН2ТА, 25Х2ГНТА.

Упрочняющая обработка шестерен включает:

– цементацию (нитроцементецию) при 900–930°С;

– закалку от 800–850°С в масле;

– низкий отпуск при 170–200°С.

Толщина упрочненного слоя обычно принимается равной 0,15 толщины зуба по начальной окружности (0,18–0,27m, m – модуль колеса, но не более 1,8 мм).

Твердость поверхности HRC 59–63 – для обеспечения высокой контактной выносливости и износостойкости без хрупкого разрушения.

Твердость сердцевины зубьев обычно HRC 30–42, c ее повышением возрастает предел прочности и выносливости при изгибе и контактная выносливость зубчатых колес.

Твердость сердцевины:

– более HRC 42–45 увеличивает опасность хрупкого разрушения;

– пониженная – способствует развитию пластической деформации в теле зуба и, следовательно, разрушению упрочненного слоя.

Мало- и средненагруженные шестерни можно изготовлять:

– в единичном и мелкосерийном производстве из улучшаемых сталей 40, 45, 50Г, 40Х, 30ХГС, 50Х, 50ХН с закалкой ТВЧ по контуру зубчатого венца;

– шестерни больших диаметров – изготовлять литыми из сталей 35Л–50Л, 40ХЛ, 30ХГСА с нормализацией и высоким отпуском (для легированных сталей).

Нормали. Нормали – болты, винты, гайки, шпильки изготовляют из улучшаемых углеродистых и легированных сталей.

Разрушение их в конструкциях бывает вязким (из-за низкой прочности в нетермообработанном состоянии или при недостаточной твердости) и хрупким, наиболее опасным, (из-за высокой твердости или поверхностного наклепа, не снятого рекристаллизационным отжигом).

Установлено, что максимальной хрупкой прочности соответствует твердость HRC 30–35. Поэтому детали крепежа, работающие без высоких напряжений, изготовляют из сталей 40, 40Х, 30ХГС нормализованными (HRC 25–30); испытывающие высокие и сложные напряжения – из 40Х, 40ХН, 40ХНМА улучшенными или нормализованными (HRC 30–35).

Крепежные детали, получаемые холодной высадкой, нормализуют (880–900°С) для снятия наклепа.

Пружины, рессоры. Рессоры и пружины должны обладать высоким пределом упругости и сопротивлением усталости, в них не допустима пластическая деформация и, следовательно, не нужна высокая ударная вязкость и пластичность.

Поэтому их изготовляют из специальных рессорно-пружинных сталей, главное свойство которых – высокий предел упругости (текучести) для углеродистых 800 МПа, а для легированных – 1000 МПа при пластичности ? = 5%, ? = 20–25%.

Повышенные значения предела упругости этих сталей достигаются закалкой и средним отпуском (400–500°С) на троостит.

Для изготовления рессор и пружин необходимо выбирать сталь, состав которой обеспечивает сквозную прокаливаемость изделия и структуру троостита по всему сечению.

Поэтому пружины небольших сечений, испытывающие невысокие напряжения, изготовляют из углеродистых сталей 65, 70, 75, 85 с закалкой в масле; пружины больших сечений (до 5–8 мм) – с закалкой в воде и средним отпуском; крупные и высоконагруженные пружины и рессоры (пружины валов, автомобильные рессоры, торсионные валы) изготовляют из кремнистых сталей 55С2, 60С2А, 70СЗА и более легированных – 50ХГА, 50ХГФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 60С2Н2А, термическая обработка которых состоит из закалки (800–650°С) в масле или воде и отпуска (400–500°С) на троостит (HRC 35–45, ?в = 1300–1600 МПа).

Нередко пружины изготовляют из патентированной холоднотянутой проволоки и ленты из сталей 65, 65Г, 70, высокие механические свойства которых достигаются патентированием и последующим протягиванием (степень деформации  70%).

Патентирование – нагрев выше Ас3 на 150–200°С и быстрое охлаждение при 450–550°С – относится к отжигу 2-го рода и является разновидностью изотермической обработки. Структура по выходе из ванны – дисперсная феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом патентирования или трооститом.

Кроме патентированных сталей, используют также углеродистые инструментальные У7, У8, У9, У10 в виде холоднотянутой проволоки (серебрянки). Наклеп (нагартовка) их холодным протягиванием создает высокую твердость и упругость. Патентируют и протягивают ленту и проволоку на металлургических заводах, а на машиностроительных производят только навивку пружин и отпуск (250–350°С) для снятия напряжений.

  1   2   3   4   5   6   7   8   9


Учреждение образования
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации