yandex rtb 1
ГоловнаЗворотній зв'язок
yande share
Главная->Різні конспекти лекцій->Содержание->2.4.1. Конструкційні сталі

Металургія

2.4.1. Конструкційні сталі

Конструкційні сталі йдуть на виготовлення деталей машин, конструкцій і споруд. Вони повинні забезпечувати тривалу і надійну роботу деталей і конструкцій в умовах експлуатації. Тому основна вимога до конструкційних сталей — комплекс високих механічних властивостей.

Будівельні сталі містять малу кількість вуглецю (0,1-0,3%). Це пояснюється тим, чого деталі будівельних конструкцій звичайно з'єднуються зварюванням. Низький вміст вуглецю забезпечує добре зварювання.

В якості  будівельних використовуються вуглецеві сталі Ст2 і СтЗ, мають межу текучості σ0,2 = 240 МПа. В низьколегованих будівельних сталей при вмісті близько 1,5% Мn і 0,7% Si межа текучості збільшується до 360 МПа. До цих сталям відносяться 14Г2, 17ГС, 14ХГС. Додаткове легування невеликими кількостями ванадію і ніобія (до 0,1%) підвищує межу текучості до 450 МПа за рахунок зменшення величини зерна. До сталей такого типу відносяться 14Г2АФ, 17Г2АФБ.

Приведені сталі застосовують для будівельних конструкції, армування залізобетону, магістральних нафтопроводів і газопроводів.

Цементовані сталі містять 0,1-0,3% вуглецю. Вони піддаються цементації, гартуванню і низькому відпуску. Після цієї обробки твердість поверхні складає HRC 60, а серцевини HRC 15—40. Зміцнення серцевини в цих сталях тим сильніше, чим більше вміст легуючих елементів. Залежно від ступеня зміцнення серцевини цементовані сталі можна розділити на три групи.

До сталей з не зміцнюваною серцевиною відносяться вуглецеві цементовані сталі 10, 15, 20. Їх серцевина має ферито-перлітову структуру. Ці сталі мають високу зносостійкість, але малу міцність (σв = 400-500 МПа). Тому вони застосовуються для маловідповідальних деталей невеликих розмірів.

До сталей із слабо зміцнюваною серцевиною відносяться низьколеговані сталі 15Х, 15ХР, 20ХН і ін. Серцевина має структуру бейніт. Ці сталі мають підвищену міцність (σв = 750-850 МПа).

До сталей з сильно зміцнюваною серцевиною відносяться сталі 20ХГР, 18ХГГ, ЗОХГГ, 12ХНЗ, 18Х2Н4В і ін. Серцевина має мартенситну структуру. Сталі цієї групи мають високу міцність (σв = 1200 -1600 МПа) і застосовуються для великих деталей, що випробовують значні навантаження.

Поліпшувальні сталі містять 0,3-0,5% вуглецю і невелику кількість легуючих елементів (до 3-5%). Ці сталі піддаються поліпшенню, що складається з гартування в маслі. Після термообробки мають структуру сорбіту. Механічні властивості різних марок поліпшених сталей у разі наскрізного прогартовування близькі до σв = 900-1200 МПа. Тому прогартовування визначає вибір сталі. Чим більше легуючих елементів, тим вище прогартовування. Отже, чим більше перетин деталі, тим більш леговану сталь слід використовувати. По прогартовуванню поліпшені сталі можуть бути умовно розбиті на п'ять груп.

До першої групи входять вуглецеві сталі 35, 40, 45, мають критичний діаметр  Dкр =10 мм. Ці сталі піддаються нормалізації замість поліпшення.

До другої групи відносяться сталі, леговані хромом З0Х, 40Х. Для них критичний діаметр складає Dкр= 15-20 мм.

Третю групу складають хромові сталі, додатково леговані ще одним - двома елементами (окрім нікелю) З0ХМ, 40ХГ, З0Х ГС і ін. Для цих сталей Dкр = 20-30 мм.

Четверта група представлена хромонікелевими сталями, що містять близько 1% нікелю: 40ХН, 40ХНМ і ін. Їх критичний діаметр Dкр = 40 мм.

До п'ятої групи входять сталі, леговані рядом елементів, причому вміст нікелю доходить до 3-4%: 38ХНЗ, 38ХНЗМФ (Dкр = 100 мм). Це кращі марки поліпшувальних сталей, хоча вони порівняно дорогі.

Високоміцні стали. Новітня техніка пред'являє високі вимоги до міцності сталі (σβ = 1500-2500 МПа). Цим вимогам відповідають мартенситно-старіючі сталі. Ці сталі поєднують високу міцність з достатньою в'язкістю і пластичністю. Вони є практично безвуглецевими (до 0,03% С) сплавами заліза з нікелем (17-26% Ni), додатково леговані титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом. Широке поширення набула сталь Н18К9М5Т. Вона піддається гартуванню на повітрі з 800-850°С. Високу міцність мартенситно-старіючих сталей одержують в результаті старіння, що представляє собою відпуск, вироблюваною при температурі 450-500°С. В результаті такої термообробки сталь Н18К9М5Т має міцності σв = 2000 МПа.

Окрім згаданої вище сталі, знайшли вживання сталі Н12К8М3Г2, M10X11M2T, Н12К8М4Г2 та інші. Мартенситно-старіючі сталі застосовують в авіаційній промисловості, ракетній техніці, суднобудуванні і т.д. Вони володіють хорошою зварюваністю і оброблюванням. Ці сталі є достатньо дорогими.

Пружинно - ресорні сталі. Пружинно-ресорні сталі містять у своєму складі 0,5 – 0,7% С, додатково леговані Si (до 2%) і елементами Mn, Cr, V, W, B, які підвищують пружні характеристики і прогартованість сталі. Сталь 50С2, 50ХГФА використовують для ресор автомобілів, сталі 55СГ, 60СГ, 65С2ВА, 60С2ХФА – для відповідних пружин, ресор тощо. Найвищу пружність забезпечує гартування і середній (400 – 500оС) відпуск на структуру троститу відпуску (високодисперсна суміш фериту з карбідами). Додаткове легування сталі вольфрамом, молібденом, ванадієм підвищує стійкість сталі під час відпуску, що дозволяє використовувати їх для роботи за умов нагріву до 200 – 250оС. При легуванні борм (0, 003%) підвищується поріг пружності сталі і прогартованість (сталі 55ХГР, 50ХФРА та інші). Для підвищення опору втомі і зменшення чутливості до концентратів напружень пружини і листи ресор у готовому вигляді піддають поверхневону наклепуванні струмуневою обробкою шротом.

Шарикопідшипникові сталі складають особливу групу конструкційних сталей, що відповідають вимогам високої міцності і зносостійкості. Для них характерним є високий вміст вуглецю (~ 1%) і хрому. Для маркування цих сталей використовують літери ШХ, які розшифровуються як сталь шарикопідшипникова хромиста, далі йдуть цифри, які вказують на вміст хрому в десятих частках процента (ШХ6, ШХ9, ШХ15).

Евтектоїдний вміст вуглецю і хрому забезпечують одержання після гартування структури дисперсного мартенситу з карбідами високої твердості, зносостійкості і прогартованість сталі. Для підвищення прогартованості сталі додатково лугують марганцем і кремнієм (сталі ШХ15СТ, ШХ20СГ).

Термічна обробка шарикопідшипникових сталей включає операції відпалювання прокату, гартування (від 790 – 880оС) і відпуск при 150 – 200оС на твердість 62 – 65 HRC. До сталей цієї групи існують підвищені вимоги щодо чистоти і рівності розподілу карбідів.

Зносостійкі сталі об’єднують групи високомарганцевих і графітизованих сталуй. Високомарганцеві сталі, типу 110Г13Л, містять у своєму складі 0,9 – 1,4%С, 11,5 – 15% Mn, характеризуються високою зносостійкістю, пластичністю і ударною в’язкістю. Використовуються для виготовлення широкої номенклатури виливків, які працюють за умов ударно-абразивного спрацювання (бронеплити, била дробарок, траки, залізничні стрілки і хрестовини, зубці ковша екскаваторів). Сталь 110Г13Л має однакову аустенітну структуру після гартування без поліморфного перетворення від температур 1000 – 1100оС і такі механічні властивості: σВ = 800 – 1000 МПа, σт = 250 – 400 МПа, δ = 35 – 45%, ψ = 40 – 50%, 170 – 230 НВ, KCU = 1,6 – 2,1 МДж/м2. Вона здатна до наклепування і внаслідок цього до підвищення твердості (600НВ).

Графітизована сталь містить у своєму складі 1,5 – 2,0% С і до 2% Si. Після графітування вона поєднує властивості загартованої сталі та чавуну. Графіт у такій сталі є змащуючою фазою. Сталь має структуру феритоцементитної суміші з певною кількістю графіту. Залежно від режиму термічної обробки і вмісту вуглецю кількість графіту може значно змінюватись. Графітизовані сталі використовують для виготовлення поршневих кілець, поршнів, колінчатих валів та інших виливків для умов тертя.

 

14