Материаловедение Схема строения (стр. 3 из 4)
Надежность — это свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Для предупреждения внезапных хрупких поломок высоконагруженных деталей важно учитывать не только пластичность и ударную вязкость стали, но и параметры конструктивной прочности, характеризующие ее надежность: ударную вязкость, температурный порог хладноломкости, вязкость разрушения.
Долговечность — это свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения и потере работоспособности в течение заданного времени (ресурса). Потеря работоспособности может быть вызвана различными причинами: развитием
процессов усталости, изнашиванием детали, коррозией и др. Все эти процессы приводят к постепенному накоплению повреждений и разрушению материала. Для обеспечения долговечности важно уменьшить до допустимого уровня скорость развития процессов разрушения.Высокая конструктивная прочность стали достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества.
Решающая роль в составе конструкционной стали отводится углероду. Углерод повышает прочность стали, но снижает ее пластичность и вязкость, повышает порог хладноломкости, увеличивая чувствительность к хрупкому разрушению. Поэтому содержание углерода в конструкционных сталях регламентировано и редко превышает 0,6 %.
Большое влияние на конструктивную прочность стали оказывают легирующие элементы. Повышение конструктивной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемостью, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна, упрочнением феррита и другими факторами. Одним из наиболее важных факторов является повышение прокаливаемости.
В зависимости от применения в конкретных деталях и узлах конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные, пружинные, шарикоподшипниковые, высокопрочные и др.
К конструкционным строительным сталям относятся углеродистые стали обыкновенного качества и низколегированные конструкционные стали, содержащие недорогие и доступные легирующие элементы (обычно до 2,5 %).
Углеродистые стали обыкновенного качества - это наиболее дешевые стали, которые производят в большом количестве. Из них изготовляют горячей прокаткой балки, прутки, швеллеры, уголки, листы, трубы и т. п. В горячекатаном состоянии стали имеют феррито-перлитную структуру. Обычно их применяют без упрочняющей термической обработки.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп — А, Б и В (по ГОСТ 380—71).
Маркируют стали обыкновенного качества буквами Ст и условным номером от 0 до 6. Если сталь относится к группе А, то обозначение группы в марке не указывают: СтО, Ст1, Ст2...Стб. Если сталь относится к группе Б, то в начале марки ставят букву «Б»: БСтО, БСт1, БСт2...БСт6. Если сталь принадлежит к группе В, то в начале марки ставят букву «В»: ВСт1, ВСт2,...ВСт5.
Стали всех групп с номерами марок 1—4 производят кипящими, полуспокойными и спокойными, а с номерами 5 и 6 только полуспокойными и спокойными. Сталь марки СтО по степени раскисленности не разделяют. Кипящие стали маркируют в конце марки индексом кп, полуспокойные пс, спокойные сп.
Углеродистые стали обыкновенного качества всех трех групп применяют в сварных, клепаных, соединенных болтами металлических конструкциях и сооружениях, а также для изготовления слабонагруженных деталей машин.
Машиностроительные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин и механизмов, класси
фицируют по составу (углеродистые и легированные), обработке (цементуемые и улучшаемые), назначению (пружинные, подшипниковые и др.). Рассмотрим отдельные группы машиностроительных сталей.К качественным углеродистым сталям относятся стали 08, 10, 15, 20, 25...70, 75, 80, 85, а также стали с повышенным содержанием марганца (0,7—1,0 %). Это стали повышенной прокаливаемости (15Г, 20Г, 25Г...65Г).
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. В нормализованном состоянии эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью. После термического улучшения достигается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки сталей 40, 45, 50 обеспечивается высокая поверхностная твердость деталей (HRC 40—58) и сопротивление износу. Среднеуглеродистые стали применяют для изготовления самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения.
Стали с высокой концентрацией углерода 60, 65, 70, 75, 80, 85 используют в основном как рессорно-пружинные. В нормализованном состоянии эти стали также применяют для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей.
Достоинствами углеродистых качественных сталей являются дешевизна и технологичность. Однако вследствие малой прокаливаемости углеродистые стали не обеспечивают требуемого комплекса механических свойств в деталях сечением более 15—20 мм.
Стали 30Х, 40Х, 40Г, 40ХН улучшаемые стали, средненагруженные, применяются для изготовления осей, рычагов, коленчатых валов, шестерен, болтов;
Стали 50ХГ, 55ХГР, 55С2, 60С2 – пружинно-рессорные стали, средней прочности, применяются для изготовления пружин подвижного состава железнодорожного транспорта.
4. Выберите режим термической обработки детали из стали указанной марки для получения заданных свойств и обоснуйте его. На основе диаграммы состояний железо-цементит и построенного графика термической обработки напишите о превращениях в структуре стали, используя данные табл. 3
Дано: Резец , сталь Р18, HRC65
Р18 – сталь инструментальная (теплостойкая)
Условия работы: tдопуст на режущей кромке – 615-620°С
Сталь Р18 – быстрорежущая с умеренной красностойкостью, имеет в своем составе: 0,70,8 % С, 3,8-4,4 % Cr, 17,0-18Ю5% W, £1,0% Мо, 1,0-1,4% V.
Температура закалки 1270-1290°С, температура отпуска 550-570°С.
Горячекатаную быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 840-860°С для снижения твердости, облегчения обрабатываемости резанием и подготовки структуры к закалке.
Структура после отжига – мелкозернистый сорбитообразный перлит, состоящий из феррита и мелких карбидов, и избыточные карбиды – вторичные и первичные. Твердость стали после отжига должна быть не более НВ 255-285.
Изделия, изготовленного из быстрорежущей стали подвергают закалке и трехкратному отпуску.
Характерной и очень важной особенностью закалки быстрорежущих сталей является высокая температура нагрева, от которой зависит красностойкость инструмента. Для того, чтобы обеспечить это свойство, необходимо получить при нагреве аустенит, в котором содержится много вольфрама, хрома и других легирующих элементов. При закалке из такого аустенита образуется высоколегированный мартенсит, устойчивый при работе инструмента.
Процесс закалки стали Р18 состоит из медленного нагрева до температуры 800-850°С, окончательного быстрого нагрева до температуры закалки 1270-1290° и регламентированного охлаждения. Быстрорежущие стали обладают пониженной теплопроводностью, медленный или ступенчатый нагрев позволяет выравнить температуру по сечению инструмента и предупредить образование больших внутренних напряжений. Быстрый окончательный нагрев позволяет предупредить окисление и обезуглероживание стали. Выдержку при высокой температуре (1290) дают непродолжительную (10-12 с на каждый мм диаметра или наименьшей толщины инструмента при нагреве в расплавленной соли). При более высокой температуре или излишне продолжительной выдержке могут происходить рост зерна, окисление, обезуглероживание и даже пережог, если начинает оплавляться эвтектика. Структура быстрорежущей стали после закалки состоит из высоколегированного мартенсита, содержащего 0,3-0,4 % С, нерастворенных избыточных карбидов и остаточного аустенита. Для стали Р18 после закалки с 1280 °С соотношение структурных составляющих получается следующим: 55 % мартенсита, 30 % остаточного аустенита и 15 % нерастворившихся карбидов, в основном первичных.
Сохранение в структуре закаленной стали большого количества остаточного аустенита объясняется тем, что аустенит высоколегированный и для него температура начала мартенситного превращения Мн выше комнатной температуры, а температура конца мартенситного превращения Мк — ниже 0° С. При отпуске 150-400 °С из мартенсита выделяются карбиды цементитного типа, которые быстро коагулируют, поэтому твердость несколько понижается (до HRC 58-60). Содержание углерода в мартенсите по сравнению с закаленным состоянием (~0,4 %С) при отпуске 350 °С уменьшается до 0,3 %. Отпуск при 500-560 °С приводит снова к повышению твердости до HRC 63-65. Такое повышение твердости объясняется выделением из мартенсита дисперсных специальных карбидов (дисперсионное твердение мартенсита). К этому превращению добавляется также превращение остаточного аустенита. Высоколегированный остаточный аустенит достаточно устойчив при температурах отпуска до 500 °С. В процессе выдержки при отпуске 550-570 °С из аустенита выделяются в дисперсном виде специальные карбиды. Аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее устойчивым. В процессе охлаждения от температуры отпуска остаточный аустенит превращается в мартенсит (вторичная закалка). Превращение не заканчивается полностью при однократном отпуске. Для того чтобы достигнуть почти полного превращения остаточного аустенита в мартенсит, необходимо двух-трех кратное повторение отпуска при 550—570 °С с выдержкой при каждом отпуске 45—60 мин (рис. 10, а). Следует отметить, что аустенит превращается в мартенсит не при нагревании и не в процессе выдержки, а во время охлаждения.