Конструкционные стали

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

1. Строение и свойства конструкционных сталей……………………………4

2. Классификация конструкционных сталей………………………………….6

3. Конструкционные легированные стали…………………………………….8

3.1 Конструкционные низколегированные стали ……………………………8

3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали …………………..8

4. Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения ……………………………………………………………………...12

4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали……………………….…12

4.2 Коррозионностойкие стали ………………………………………………..13

4.3 Жаростойкие стали ………………………………………………………...14

4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы……………………...16

Заключение……………………………………………………………………...17

Список литературы………………………………………………………….….18

Введение

Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием  форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических  и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы  определяют требования к конструкционным  материалам, основные из которых - эксплуатационные, технологические и экономические.

Конструкционными называют материалы, предназначенные для  изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам.

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуны и особенно стали.

Конструкционная сталь должна иметь и хорошие технологические  свойства: хорошо обрабатываться давлением  и резанием, быть не склонной к шлифовочным трещинам, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке.

1. Строение и  свойства конструкционных  сталей

Сталями называют сплавы железа с углеродом и некоторыми другими  химическими элементами. Содержание углерода в сталях может доходить до 2,14%. Однако в сталях, применяемых в машиностроении и строительстве, углерода содержится не более 1,3%.

При содержании углерода более 1,3% стали становятся слишком хрупкими, и существенно затрудняется их обработка  режущим инструментом.

На сегодняшний день стали  являются основным конструкционным  материалом для изготовления нагруженных  деталей машин, сооружений, элементов  подвижного состава. Кроме железа и  углерода в сталях содержатся полезные и вредные примеси. Сталь - основной металлический материал, широко применяемый  для изготовления деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных  инструментов и строительных конструкций. Широкое использование сталей обусловлено  комплексом механических, физико-химических и технологических свойств.

Методы широкого производства стали были открыты в середине ХIX века. В это же время были уже проведены и первые металлографические исследования железа и его сплавов. Стали сочетают высокую жесткость с достаточной статической и циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за счет изменения концентрации углерода, легирующих элементов и технологий термической и химико-термической обработки.  конструкционный сталь закалка

Изменив химический состав, можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих отраслях техники и народного  хозяйства.

Если сталь имеет в  своем составе только железо и  углерод (Fе, С) и некоторое количество постоянной примеси, то такую сталь называют углеродистой. Если в углеродистую сталь специально введены один или несколько так называемых легирующих элементов (Сr, Ni, W и др.) с целью улучшения ее служебных и технологических свойств, то такую сталь называют легированной. При легировании могут возникать новые свойства, не присущие углеродистым сталям.

2. Классификация  конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству и назначению.

По химическому  составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы: малоуглеродистые - менее 0,3% С; среднеуглеродистые - 0,3-0,7% С; высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

Для улучшения технологических  свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, Al, B, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

В легированных сталях их классификация по химическому  составу определяется суммарным  процентом содержания легирующих элементов: низколегированные - менее 2,5%; среднелегированные - 2,5-10%; высоколегированные - более 10%.       Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

• в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледебуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;
• в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный.

К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более  высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству стали, классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные.

Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и  свойства стали, а также её технологичность  во многом зависят от содержания газов (водорода, кислорода) и вредных примесей - серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные - углеродистыми и легированными.

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные.

Конструкционные стали, представляют наиболее обширную группу, предназначенную  для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К  этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные.

Инструментальные стали, подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов  холодного и горячего деформирования.

Конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.

3. Конструкционные легированные стали

3.1 Конструкционные низколегированные стали

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22% углерода и сравнительно небольшое количество недефицитных легирующих элементов. Целью легирования этих сталей является повышение закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

Эти стали в виде листов, сортового фасонного проката  применяют в строительстве и  машиностроении для сварных конструкций, в основном без дополнительной термической  обработки. Низколегированные стали  не образуют при сварке холодных и  горячих трещин.

3.2 Конструкционные цементуемые легированные стали

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые стали. Увеличение действительного зерна в цементованном слое после термической обработки вызывает уменьшение контактной выносливости, предела выносливости, сопротивления хрупкому разрушению и увеличение деформации обработки. Легированные цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30...45).

Хромистые стали (15Х,15ХА). Хром широко используется для легирования стали. Хромистые стали предназначаются для изготовления небольших изделий простой формы. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементованном слое. Хромистая сталь чувствительна к перегреву. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Введение 0,1 – 0,2% ванадия  повышает механические свойства хромистых  сталей, главным образом вязкость. Эти стали применяют для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках. Введение бора увеличивает  прокаливаемость хромистых сталей, но несколько повышает порог хладноломкости. Прокаливаемость стали с бором сравнительно высокая.

Хромованадиевые стали(15ХФ). Легирование хромистой стали ванадием улучшает механические свойства. Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Из-за малой прокаливаемости их используют только для сравнительно небольших изделий.

Хромоникелевые  стали(12ХН3А,12Х2Н4А). Эти стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках (крупные детали ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки). Чем выше содержание никеля, тем ниже допустимая температура применения стали и выше ее сопротивление хрупкому разрушению. Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя.

Хромоникелевые стали  мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом дополнительно повышает прокаливаемость. Такие сплавы применяют для крупных тяжелонагруженных деталей.

Хромомарганцевые  стали (20ХГ, 25ХГТ). Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью. Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости. Марганец применяется как заменитель никеля. Повышая устойчивость аустенита, марганец снижает критическую скорость закалки и повышает прокаливаемость стали.

Хромомарганцевые стали  применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако эти  стали менее устойчивы против перегрева и имеют меньшую  вязкость по сравнению с хромоникелевыми. 

Хромомарганцевые стали  применяют в автомобильной и  тракторной промышленности, а также  в станкостроении.

Хромомарганцевоникелевые стали (20ХГНМ, 15ХГН2ТА). Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. Эти стали приближаются по своим механическим и технологическим свойствам к хромоникелевым сталям.

Хромокремнемерганцевые стали (хромансил) (20ХГС, 25ХГС). Эти стали обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил используют в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (например, в самолетостроении).

Хромоникельмолибденовые стали (40ХН2МА). Для предотвращения склонности к обратимой отпускной хрупкости хромоникелевые стали дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

Хромоникельмолибденованадиевые  стали (38ХНЗМФ, 36Х2Н2МФА) . Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена добавляют ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Эти стали обладают высокой прочностью и низким порогом хладноломкости. Молибден, присутствующий в стали, повышает ее теплоемкость.

Недостатками высоколегированных хромоникельмолибденованади-евых сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин, для которых требуется материал особой прочности в крупных сечениях.

Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали. Легирование бромом повышает прочностные свойства после закалки и низкого отпуска, не изменяя или несколько снижая вязкость и пластичность. Бор делает сталь чувствительной к перегреву. Легирование бористой стали титаном повышает ее устойчивость против перегрева. Дополнительное легирование стали никелем повышает прокаливаемость, пластичность и вязкость. 

4. Конструкционные машиностроительные стали и сплавы

специального  назначения

Специальное назначение конструкционных  сталей и сплавов определяется требованием  к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических  свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных  нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро- и радиотехнической промышленности.

В зависимости от химического  состава сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему  элементу:

-сплавы на железоникелевой основе;

-сплавы на никелевой основе.

Классификация машиностроительных сталей и сплавов по основному  потребительскому свойству имеет следующие  группы; особо высокой прочности и вязкости, коррозионностойкие (в том числе, собственнокоррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные), износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

4.1 Мартенситностареющие высокопрочные стали

Мартенситностареющие стали  представляют собой сплавы железа с  никелем (8 – 20%), а часто и с  кобальтом. Для протекания процесса старения в мартенсите сплавы дополнительно  легируют Ti, Be, Al, Nb, W, Mo. 
Никель и кобальт способствуют упрочнению при старении и одновременно повышают сопротивление хрупкому разрушению.  
Хром (легирование до12%)  упрочняет мартенсит сталей Fe – Ni – Ti и Fe – Ni – Al при старении повышает сопротивление коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др).

Мартенситностареющие стали - особо высококачественные и из-за высокой стоимости применяются для деталей наиболее ответственного назначения: Н18К9М5 - шестерни, валы, корпуса ракет; Н10Х12Д2Т - детали химической аппаратуры, пружины; Н4Х12К15М4Т - штампы горячего деформирования, детали теплоэнергетических установок и др.

Мартенситностареющие стали  применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении, в приборостроении  для упругих элементов, в криогенной технике.

4.2Коррозионностойкие стали

Коррозионностойкие стали  и ставы (ГОСТ 5632-72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью против коррозии только в ограниченном числе сред. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5%Сг, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть низким, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может уменьшить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области g-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.

Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в  довольно широком диапазоне в  зависимости от структуры. Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть: ферритно-карбидной и мартенситной (12Х13, 20Х13, 20Х17Н2, 30Х13, 40Х13, 95Х18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар); ферритной (15Х28) - для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах; мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.

Коррозионная стойкость  сталей может быть повышена термической  обработкой  и созданием шлифованной  поверхности.

Коррозионностойкие стали и сплавы классифицируют в зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны  гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

4.3 Жаростойкие стали

Для жаростойких и жаропрочных  машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1 ...0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.).

Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы получают на базе системы Fe + Cr * Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей, является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С.  Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печных газах, в том числе, серосодержащих (15Х5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12Х17, 15Х28), окислительных  и науглероживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять   ползучесть при приложении больших нагрузок.

Жаростойкие стали характеризуют  по температуре начала интенсивного окисления. Величина этой температуры  определяется содержанием хрома  в сплаве. Так при 15% Cr температура эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С.

Жаростойкие стали и сплавы используются для производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.

Жаропрочные стали должны обладать высоким сопротивлением химической коррозии, но вместе с тем, обеспечивать надежную работу под нагрузкой (то есть иметь достаточно высокие пределы ползучести и длительной прочности) при температурах эксплуатации выше 400...450°С.

Жаропрочные стали и сплавы в своем составе обязательно  содержат никель, который обеспечивает существенное увеличение предела длительной коррозионной прочности при незначительном увеличении предела текучести и  временного сопротивления, и марганец. Они могут дополнительно легироваться молибденом, вольфрамом, ниобием, титаном, бором, йодом и др. Так микролегирование бором, а также редкоземельными и некоторыми щелочноземельными металлами повышают такие характеристики, как число оборотов при кручении, пластичность и вязкость при высоких температурах. Механизм этого воздействия при микролегировании основан на рафинировании границ зерна и повышении межкристаллитной прочности. Химический состав и структура этих сталей весьма разнообразны.

Эти стали классифицируют по температуре эксплуатации (ГОСТ 20072-74): при 400...550°С - 15ХМ, 12Х1МФ, 25Х2М1Ф, 20ХЗМВФ; при 500...600°С - 15Х5М, 40Х10С2М, 20Х13; при 600:..650°С -12Х18Н9Т, 45Х14Н14В2М, 10Х11Н23ТЗМР, ХН60Ю, ХН70Ю, ХН77ТЮР, ХН56ВМКЮ. ХН62МВКЮ.

Жаропрочные стали и сплавы применяются для изготовления труб, клапанных, паро- и газотурбинных деталей (роторы, лопатки, диски и др.), листов, печных конвейеров, деталей высокотемпературных установок, поршневых двигателей, ящиков для цементации и др.

4.4 Криогенные машиностроительные стали и сплавы

Криогенные машиностроительные стали и сплавы (ГОСТ 5632-72) по химическому составу являются низкоуглеродистыми (0,10% С) и высоколегированными (Cr, Ni, Mn и др.) сталями аустенитного класса (08Х18Н10, 12Х18Н10Т, ОЗХ20Н16АГ6, ОЗХ13АГ19 и др.). Основными потребительскими свойствами этих сталей являются пластичность и вязкость, которые с понижением температуры (20...-196°С) либо не меняются, либо мало уменьшаются, т.е. не происходит резкого уменьшения вязкости, характерного при хладноломкости. Например, для криогенных сталей (ОН6А, ОН9А) после соответствующей термической обработки (двойная нормализация и отпуск или закалка в воде и отпуск) характерно при понижении температуры повышение предела ползучести от 400 до 820 МПа. Криогенные машиностроительные стали классифицируют по температуре эксплуатации в диапазоне -196...-296°С и используют для изготовления деталей криогенного оборудования.

Заключение

Конструкционные стали и  сплавы - это материалы с целой  гаммой свойств, и в зависимости  от количества примесей обладают теми или иными качествами, как например, прочность, износостойкость, твёрдость, хрупкость. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали - основной металлический материал промышленности.

Список литературы

1. Колесов С.Н. Материаловедение  и технология конструкционных  материалов. - М.: Высшая школа, 2004. - 512с.

2. Арзамасов Б.Н.  Материаловедение.- М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 648с.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение.- М.: Машиностроение, 1980.- 250с.

4. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф. Технология металлов и материаловедение.- М.: Металлургия, 1987.- 249с.

5. Сорокин В.Г. Стали и сплавы. Марочник.- М.: Интермет Инжиниринг, 2001.-74с.