Лигированые стали

ВВЕДЕНИЕ

 

Конструкторы  при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут  учитывать только один или два  каких-либо критерия, характеризующие  свойства материала, им необходимо знать  его конструктивную прочность.

Конструктивная  прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную  работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала  конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции, прочность материала,  надежность и долговечность материала в  условиях работы данной  конструкции.

Жесткость конструкции. Для многих силовых элементов  конструкций - шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т, п. - условием, определяющим их  работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состояния и т. д., а также  и свойствами материала.  Показателем жесткости материала  является модуль продольной  упругости Е (модуль жесткости) -  структурно нечувствительная характеристика, зависящая только  от природы материала.

Среди главных  конструкционных материалов наиболее высокое значение модуля Е имеет  сталь, наиболее низкое - магниевые  сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов  существенно изменяется при учете их плотности и использовании  критериев удельной жесткости и устойчивости:  Е/g,(E/g)^1/2,(E/g)^1/3  (табл.1).

 

 

Таблица 1.Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов

 

При оценке по этим критериям, выбираемыми в соответствии  с формой и напряженным состоянием, во многих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгодным - углеродистые и легированные стали.

Прочность - способность  тела сопротивляться деформациям и  разрушению. Большинство технических  характеристик прочности (s_в, s_0,2) определяют  в результате статического испытания на растяжение.

Эти характеристики зависят от структуры и термической  обработки.

Прочность конструкционных  материалов, используемых в технике, изменяется в очень широком диапазоне - от 100¸150 до 2500¸350О МПа. Однако выбор материала только по абсолютному значению показателей прочности s_т (s_0,2), s_в и др. не дает  правильной оценки возможностей материала. Для создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет плотность материалов g. С учетом этого более правильно оценивать  значение его удельной прочности отношением характеристик прочности s_т, s_в и др. к плотности материала (например, s_в/g, s_т/g, где g - плотность материала, г/см3).

Из данных, приведенных  в табл.2, видно, что, например,  алюминиевые сплавы, имея значительно меньшую абсолютную  прочность, чем углеродистые и многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это означает, что при равной прочности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем 

Таблица 2. Удельная прочность некоторых конструкционных материалов

 

изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность  имеют  стеклопластики типа СВАМ, а  из металлических конструкционных  материалов - титановые сплавы.

Оценивая реальную прочность конструкционного материала,  следует учитывать характеристики пластичности d, y, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения. Это относится и к высокопрочным материалам, которые, обладая высокой прочностью,  склонны к хрупкому разрушению

Модуль упругости  Е и s_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. Надежность конструкции - это также ее способность работать вне расчетной ситуации, например, выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры  (порог хладноломкости), условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины и т. д.

Сопротивление материала хрупкому разрушению является  важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы  конструкций.

Долговечность-свойство изделия сохранять работоспособность  до предельного состояния (невозможности  его дальнейшей эксплуатации). Долговечность  конструкции  зависит от условий  ее работы. Прежде всего это сопротивление  износу при трении и контактная прочность (сопротивление материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со скольжением). Кроме того, долговечность изделия зависит от предела выносливости, зависящего в свою очередь от состояния поверхности  и коррозионной стойкостью  материала.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация и маркировка углеродистых  и легированных сталей

 

Сплавы железа - сталь и чугун - основные металлические  материалы, используемые в различных  отраслях народного хозяйства. Наиболее широко применяют стали. Они должны иметь хорошие технологические  свойства: легко обрабатываться  давлением (многие изделия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, свариваться. В ряде случаев от них требуется высокая коррозионная стойкость или жаропрочность и т. д.

Достоинством  сталей является возможность получать нужный  комплекс свойств, изменяя их состав и вид обработки.

Стали подразделяют на углеродистые и легированные.

Углеродистые  стали - это основной конструкционный  материал, который используют в различных  областях промышленности. Они проще  в производстве  и  значительно  дешевле легированных. Свойства их определяются количеством  углерода  и  содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом.

1.1 Влияние углерода

Механические  свойства  углеродистой стали зависят  главным  образом от содержания углерода.  С ростом  содержания  углерода в стали увеличивается количество  цементита и соответственно  уменьшается количество феррита, т. е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Как видно из графика, приведенного на рис.1, прочность повышается только до 1 % С,  а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам  зерен в заэвтектоидных сталях  сетка вторичного цементита снижает прочность

Рис.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода

 

 

стали. Кроме  углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси,  присутствие  которых обусловлено разными  причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные  примеси.

1.2.Влияние примесей

Постоянные  примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера.

Марганец и  кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их  также  называют технологическими: примесями.

Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания  сульфида железа FeS в стали: FeS+MnÞMnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в цементите. Углеродистые  стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % Si.

Сера - вредная  примесь - попадает в сталь главным  образом с исходным сырьем-чугуном. Сера нерастворима  в железе, она  образует с ним соединение FeS-сульфид  железа. При взаимодействии с железом  образуется эвтектика (Fе+FеS)  с температурой плавления 988 °С. Поэтому при нагреве стальных  заготовок для пластической деформации выше 900 °С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкость. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620 °С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости.

Содержание  серы в сталях допускается не более 0,06 %.

Фосфор попадает в сталь главным образом также  с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость.

Содержание  серы и фосфора в стали зависит  от способа ее выплавки.

Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали  газы - азот, кислород, водород - ввиду  сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10^-2-10^-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются. Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки.

Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями.

Содержание  легирующих элементов в сталях может  изменяться  в очень широких  пределах. Сталь считают легированной хромом  или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 %  или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия  и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %.

В конструкционных  сталях легирование осуществляют с  целью  улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость  стали, а некоторые из них к  тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь  должно быть строго обосновано.

Существует  несколько классификаций, позволяющих  систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств.

Стали классифицируют по химическому составу, способу  выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

1.3.Классификация  сталей

По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как  трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т.д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д.

По степени  легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).

По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным  образом  мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах.

Рис 2. Диаграммы  изотермического распада аустенита  трех классов стали

 

В зависимости  от степени раскисления при выплавке стали  могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15-0,35 %, в полуспокойной 0,05-0,15 %, в кипящей <0,05 %. Легированные  стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах.

В результате уменьшения содержания кремния в феррите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии (например, для изготовления деталей глубокой вытяжкой). Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали  становятся хрупкими уже при -10 °С, в то время как спокойные  стали, содержащие одинаковое количество углерода, могут работать до -40 °С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, например, хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре  имеются первичные карбиды - легированный ледебурит.

По структуре после  охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (рис.2) (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры.