16334850003245_Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы 2014. Э. Г. Бабенко конструкционные материалы для деталей технических устройств железнодорожного транспорта рекомендовано Методическим советом по качеству образовательной деятельности двгупс в качестве учебного пособия Х
 Скачать 3.25 Mb.
|
|
3.2. Стали 3.2.1. Общая классификация Сталь (польск. stal, от нем. Stahl) – деформирующийся (ковкий) сплав железа с углеродом (дои другими элементами. Стали, как наиболее широко используемые материалы, представлены в современной технике значительным числом марок (составов, исчисляемых тысячами, причем оно постоянно увеличивается в соответствии с возникающими новыми разнообразными требованиями многих отраслей промышленности. В связи с этим, характеризовать стали по одному какому-либо признаку, одинаковому для всех марок, сложно. Наиболее рациональным подходом при решении этой задачи является распределение сплавов по свойствам, наиболее характерным для отдельных групп с классификацией последующим основным признакам 72 – химическому составу – структуре – степени раскисления – качеству – назначению. По химическому составу стали классифицируются на углеродистые и легированные. У обеих групп различаются низкоуглероди- стые (С < 0,3 %), среднеуглеродистые (Си высокоуглеро- дистые (СУ легированных сталей, в зависимости от введенных элементов, различаются группы хромистых, хромоникелевых и многих других. По количеству легирующих элементов стали могут быть низколегированными (менее 5 %), среднелегированными (5…10 %), высоколегированными (более 10 %). Пост рук туре стали систематизируются в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном равновесном) состоянии они могут быть следующих классов – доэвтектоидные, имеющие структуру избыточного феррита – эвтектоидные, структура которых состоит из перлита – заэвтектоидные, в структуре которых имеются вторичные (выделяющиеся из аустенита) карбиды – ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды – аустенитные, со структурой аустенита – ферритные, со структурой феррита. Углеродистые стали могут быть первых трех классов, а легированные всех классов. Аустенитные стали образуются при наличии в них большого количества никеля, марганца и других элементов, расширяющих -область. В таких сталях аустенит существует в стабильном состоянии от комнатной температуры до температуры плавления. Если в составе сталей имеются хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан, кремний и другие элементы, то устойчивым при всех температурах является -состояние. Такие стали называются ферритными. При определенном легировании возможно образование промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных. Посте пени раскисления стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскислением называется процесс удаления кислорода из жидкого металла более активными (чем железо) элементами, иначе сталь хрупко разрушается при горячей деформации. Спокойные стали раскисляются алюминием, марганцем и кремнием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно, без выделения газов. Содержание кремния в таких сталях обычно составляет 0,12…0,35 %, что повышает предел текучести, но снижает пластичность. 73 Кипящие стали раскисляются только марганцем. Перед разливкой они содержат повышенное количество кислорода, который при кристаллизации взаимодействуя с углеродом удаляется в виде углекислого газа. Выделение газа создает впечатление, что сталь кипит. Кипящие стали сравнительно дешевые. Они производятся низкоуглеродистыми и практически без кремния (менее 0,07 %). Полуспокойные стали раскисляются алюминием и марганцем и занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими. Пока чес т в устали классифицируются настали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачествен- ные. Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых процессом ее производства, и зависит от химического состава, строения, содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей (серы и фосфора. Так как газы относятся к трудноопределяемым компонентам, то разделение сталей по качеству производится, в основном, по количеству вредных примесей. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора качественные – дои соответственно высококачественные – не более 0,025 %; а особовысо- кокачественные – не более 0,015 % каждого. Стали обыкновенного качества выпускаются только углеродистыми (С < 0,5 %), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особовысоко- качественные – легированными. По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и специальные. Наиболее распространенной группой является группа конструкционных сталей, из которых изготавливаются изделия промышленных предприятий, транспорта, строительства. Эти стали выдерживают значительные нагрузки, обладают высокой прочностью и вязкостью, имеют высокую сопротивляемость динамическими ударным воздействиям. Среди конструкционных сталей можно выделить цементуемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, строительные, арматурные, шарикоподшипниковые и другие. Инструментальные стали подразделяются настали для режущего и измерительного инструмента, штампов холодного и горячего деформирования. К сталям специального назначения относятся жаростойкие и жаропрочные, коррозионностойкие, износостойкие, электротехнические и другие. 3.2.2. Углеродистые стали Состав и свойства углеродистых сталей Это сложные по химическому составу сплавы, основными составляющими которых являются железо (97,0…99,5 %) и углерод (до 2,14 %). Кроме того, в них находится ряд элементов, наличие которых вызвано технологическими 74 особенностями производства (марганец, кремний) или невозможностью полного удаления (сера, фосфор, кислород, водород, азота также случайные примеси (хром, никель, медь и др. Основное влияние на свойства сталей оказывает углерод. Сего увеличением повышаются твердость и прочность, но при этом уменьшаются вязкость и пластичность (рис. 54). Прочность (в) достигает максимального значения при содержании углерода примерно 0,9 %. Сего увеличением повышается порог хладноломкости и уменьшается ударная вязкость. Углерод также оказывает влияние и на технологические свойства при его повышении сталь снижает способность деформироваться в горячем и особенно холодном состояниях, затрудняется свариваемость. Примеси в сталях подразделяются на полезные, вредные и случайные. К полезным примесям относятся кремний и марганец, которые вводятся в сталь в качестве раскислителей при ее выплавке. После раскисления эти элементы частично переходят в сплав. Количество марганца обычно не превышает 0,5…0,7 %, а кремния 0,3…0,5 %. Они растворяются в феррите и тем самым повышают его твердость и прочность. Кв ред н ы м примесям относятся сера, фосфор, кислород, водород. Сера вызывает хрупкость стали при ее горячей обработке. Такое явление называется красноломкостью. Красноломкость связана с образованием сульфида железа FeS, который с Fe образует легкоплавкую эвтектику Эвт [FeS + Fe]. Температура плавления эвтектики 988 Си располагается она по границам зерен. При горячей обработке стали (стем- пературой нагрева 1000 Си выше) эвтектика расплавляется, и сталь хрупко разрушается. Поэтому количество серы в сталях строго ограничивается. Красноломкость понижает марганец, который связывает серу в сульфиды MnS, при этом образование легкоплавкой эвтектики исключается. Частицы сульфидов располагаются в виде отдельных включений, вытянутых в направлении прокатки. Наличие таких включений приводит к снижению пластичности и ударной вязкости. Фосфор, растворяясь в феррите, повышает его прочность, но очень сильно понижает пластичность, вызывая встали хладноломкость – уменьшение ударной вязкости при понижении температуры (рис. 55). Св, МПа, , % KCU, МДж/м 2 HB в KCU Рис. 54. Влияние углерода на механические свойства стали 75 Порогом хладноломкости называется температура, при которой ударная вязкость резко падает. Различаются верхний и нижний пороги хладноломкости. Верхний порог соответствует температуре, при которой в изломе испытуемого образца стали имеется 90 % вязкой составляющей, а нижний порог соответствует наличию в изломе лишь 10 % вязкой составляющей. Критическая температура хрупкости соизмеряется связкой составляющей. Каждая 0,01 % фосфора повышает порог хладноломкости на 25 С. Вредное влияние фосфора усугубляется еще и тем, что он обладает большой склонностью к ликвации. Участки, обогащенные фосфором, отличаются повышенной хрупкостью. Поэтому даже в углеродистых сталях обычного качества количество фосфора не превышает 0,045 %. Вредные примеси в виде газов находятся в сталях в небольших количествах и трудно определяются. Такие примеси называются скрытыми. Газовые примеси частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов) или расположены в свободном состоянии в раковинах, трещинах и других пустотах. Оксиды и нитриды – твердые и хрупкие соединения, которые являясь концентраторами напряжений, снижают пластичность сталей. Водород, несмотря на то, что он не растворяется встали, вызывает надрывы, называемые флокенами. Случайные примеси это элементы попадающие встали при выплавке из руд или вторичного сырья. Назначение и маркировка углеродистых сталей.На рис. 56 приведена классификация углеродистых сталей по назначению. Конструкционные углеродистые стали обычного качества составляют до 70 % всего проката. Они широко применяются в промышленности, строительстве, на транспорте, в том числе иже- лезнодорожном. Например, сталь Ст используется в вагоно- и локомо- тивостроении для изготовления рам тележек рефрижераторных вагонов, балок надрессорных тележек, подпятников, шкворней, опорных и хребтовых балок, кузовов крытых цельнометаллических вагонов, дверей вагонов всех типов, крышек разгрузочных люков полувагонов и т. д. Согласно ГОСТ 380-94 конструкционные углеродистые стали обычного качества подразделяются натри группы А, Б и В. В каждой группе имеется несколько марок. t, o C 1 2 0,4 2,0 1,2 100 200 300 KCU, МДж/м 2 Рис. 55. Влияние фосфора на хладоломкость стали 1 – 0,08 % Р 2 – 0,06 % Р 76 Углеродистые стали Инструментальные Конструкционные Качественные Высококачественные Обычного качества Качественные Группа А Постав- ляется по механическим свойствам Группа Б Поставля- ется по химическому составу Группа В Поставляется по механическим свойствами химическому составу С нормальным содержанием марганца до 0,7 С повышенным содержанием марганца 0,7...1 % Спе- циаль- ные Рис. 56. Классификация углеродистых сталей по назначению Группа А (поставляемая по механическим свойствам) включает семь марок – Ст, Ст, Ст, Ст, Ст, Ст, Ст. Группа Б (поставляется по химическому составу) имеет также семь марок – БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Группа В, которая поставляется как по механическим свойствам, таки по химическому составу, включает только пять марок ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5. Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливаются кипящими, полуспокойными и спокойными. При их маркировке в конце обозначения приводятся буквы кп (кипящая, пс (полуспокойная) или сп (спокойная. Например, сталь БСт3кп – сталь углеродистая конструкционная обычного качества, поставляется по химическому составу, третьей марки, кипящая. Полуспокойные стали с номерами марок 1…6 производятся с обычными повышенным содержанием марганца (от 0,7 до 1,0 %). В этом случае при их обозначении после цифры добавляется буква Г (например, БСт 4Гпс). Стали марок Ст и БСт0 по степени раскисления не разделяются. Стали марок ВСт1, ВСт2, ВСт3 всех категорий и всех степеней раскисления (в том числе и с повышенным содержанием марганца) поставляются с гарантией свариваемости. Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации от 2 июня 1997 гс января 1998 г. введен в действие межгосударственный стандарт ГОСТ 380-94 в качестве государственного стандарта, распространяемого на углеродистую сталь обыкновенного качества, предназначенную для изготовления проката горячекатаного сортового, фасонного, тол 77 столистового, тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового, а также слитков, блюмов, слябов, сутунок, труб, поковок и штамповок, лент, проволоки, метизов и др. Согласно отмеченному стандарту углеродистая сталь обыкновенного качества изготавливается следующих марок Ст, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гсп, Ст3Гпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гсп, Ст6пс, Ст6сп. Химический состав этих сталей соответствует нормам, приведенным в табл. 2. Таблица 2 Химический состав сталей Марка стали Массовая доля элементов, % Марка стали Массовая доля элементов, % C Mn Si C Mn Si Ст 0 < 0,23 – – Ст 3Гпс 0,14…0.22 0,8…1,1 < 0,15 Ст 1кп 0,06…0,12 0,25…0,50 <0,05 Ст 3Гсп 0,14…0,20 0,8…1,1 0,15…0,30 Ст пс 0,06…0,12 0,25…0,50 0,05…0,15 Ст 4кп 0,18…0,27 0,4…0,7 < 0,05 Ст 1сп 0,06…0,12 0,25…0,50 0,15…0,30 Ст пс 0,18…0,27 0,4…0,7 0,05…0,15 Ст 2кп 0,09…0,15 0,25…0,50 <0,05 Ст 4сп 0,18…0,27 0,4…0,7 0,15…0,30 Ст пс 0,09…0,15 0,25…0,50 0,05…0,15 Ст пс 0,28…0,37 0,5…0,8 0,05…0,15 Ст 2сп 0,09…0,15 0,25…0,50 0,15…0,30 Ст 5сп 0,28…0,37 0,5…0,8 0,15…0,30 Ст 3кп 0,14…0,22 0,30…0,60 < 0,05 Ст 5Гпс 0,22…0,30 0,8…1,2 < 0,15 Ст пс 0,14…0,22 0,40…0,65 0,05…0,15 Ст пс 0,38…0,49 0,5…0,8 0,05…0,15 Ст 3сп 0,14…0,22 0,40…0,65 0,15…0,30 Ст 6сп 0,38…0,49 0,5…0,8 0,15…0,30 Межгосударственный стандарт 380-94 соответствует международным стандартам ИСО 630-80 Сталь конструкционная. Пластины, широкие фаски, бруски и профили и ИСО 1052-82 Сталь конструкционная общего назначения в части требований к химическому составу. В табл. 3 показано сопоставление марок сталей типа Ст и «Fe». Таблица 3 Сопоставление марок сталей типа Ст и «Fe» по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82 Марки стали Ст е Ст «Fe» Ст 0 Fe 310 – Fe 360 – D Ст 1кп – Ст 4кп Fe 430 – A Ст пс – Ст пс Fe 430 – B Ст 1сп – Ст 4сп Fe 430 – C Ст 2кп – – Fe 430 – D Ст пс – Ст пс Fe 510 – B, Fe 490 Ст 2сп – Ст 5Гпс Fe 510 – B, Fe 490 Ст 3кп Fe 360 – A Ст 5сп Fe 510 – C, Fe 490 Ст пс Fe 360 – B Ст пс Fe 590 Ст 3Гпс Fe 360 – B Ст 6сп Fe 590 Ст 3сп Fe 360 – C – Fe 690 Ст 3Гсп Fe 360 – C 78 Стали марок Fe 490, Fe 590, Fe 690 изготавливаются полуспокойными и спокойными. Для сталей марок Fe 310, Fe 360, Fe 430, Fe 510 массовая доля марганца – не более 1,6 %; кремния – не более 0,55 %. Конструкционные углеродистые качественные стали подразделяются (см. рис. 56) настали с нормальным содержанием марганца (дои с повышенным (0,7…1 %). По содержанию углерода на низкоуглеродистые (С < 0,3 %), среднеуглеродистые Си с повышенным содержанием углерода (С > 0,7 %). При одинаковом содержании углерода конструкционная качественная сталь является более пластичной и вязкой, чем сталь обычного качества. Низкоуглеродистые качественные стали, обладающие невысокой прочностью, но высокой пластичностью применяются для изготовления различных малонагруженных деталей. Из листового и полосового проката особо пластичной стали (с содержанием углерода 0,05…0,1 %) выполняются изделия холодной штамповкой и глубокой вытяжкой. Среднеуглеродистые стали применяются после нормализации, улучшения, закалки с низким отпуском и поверхностного упрочнения для изготовления различных деталей в общем и транспортном машиностроении. Стали с повышенным содержанием углерода обладают значительной прочностью, высокими упругими свойствами и износостойкостью. Они используются после закалки и отпуска для изготовления деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Обозначаются качественные конструкционные стали словом сталь и двузначным числом, показывающим примерное содержание углерода в сотых долях процента. При этом для сталей с содержанием углерода менее, не подвергнутых полному раскислению, в конце обозначения добавляются буквы кп (для кипящих сталей) или пс (для полуспокойных. Для сталей, подвергнутых полному раскислению (спокойных, буквы в конце их наименований не добавляются. Слово сталь при обозначении допускается опускать. Примеры обозначений – сталь 60 – конструкционная углеродистая качественная спокойная сталь с примерным содержанием углерода 0,6 %; – пс – конструкционная углеродистая полуспокойная качественная сталь с примерным содержанием углерода 0,1 %; – 75Гпс – конструкционная углеродистая качественная полуспокойная сталь с примерным содержанием углерода 0,75 % и повышенным содержанием (0,7…1 %) марганца. Углеродистые качественные стали специального назначения относятся к сталям, к которым предъявляются повышенные требования, учитывающие особые условия работы конструкций. 79 На железнодорожном транспорте важное место в этой группе занимают стали для мостостроения, рельсовые, осевые, бандажные, колесные, котельные и другие. Так стали для мостостроения отличаются большой степенью раскис- ленности и хорошей свариваемостью. Они обладают значительной ударной вязкостью, которая определяется после искусственного старения с учетом возможных изменений свойств при длительной эксплуатации мостов. Рельсовые стали обладают высокой контактной прочностью и износостойкостью. Они имеют плотную макроструктуру без пороков усадочного характера, высокую сопротивляемость ударным нагрузкам. Для повышения стойкости против износа и образования контактно-усталостных дефектов, рельсы подвергаются термическому упрочнению. Стали для осей локомотивов и вагонов близки по составу к углеродистой конструкционной качественной стали марки 40. Она применяется в нормализованном состоянии. Стали для цельнокатаных колес вагонов и бандажей локомотивов близки по составу к сталями. Колеса подвергаются закалке сот- пуском. К группе сталей специального назначения относятся также автоматные стали, которые имеют повышенную обрабатываемость режущим инструментом благодаря наличию в них значительного содержания серы дои фосфора (до 0,15 %). В целях повышения обрабатываемости кроме серы и фосфора встали вводятся свинец, селен, теллур. Такие стали дают возможность в 2…3 раза сократить расход режущего инструмента. Однако, механические свойства (пластичность, вязкость) у автоматных сталей весьма низкие. Поэтому они используются в основном при изготовлении на станках-автоматах малоответственных изделий. Обозначение углеродистых сталей специального назначения многообразно. Некоторые из них обозначаются аналогично углеродистым качественными др, у других – к содержанию углерода добавляется определенный индекс. Например, у литейных конструкционных качественных сталей в конце приводится буква Л (сталь Л, ау автоматных вначале проставляется буква А (сталь АУ гл ер од истые качественные инструментальные стали делятся на две группы качественные и высококачественные см. рис. 56). Качественные стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой, показывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У означает, что это углеродистая инструментальная качественная сталь со средним содержанием углерода 0,8 %. Высококачественные инструментальные стали имеют более низкое содержание серы и фосфора, чем качественные. Обозначаются они аналогично последним, нов конце проставляется буква А. Например, У12А – углеродистая инструментальная высококачественная сталь со средним содержанием углерода 1,2 %. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, пилы, ручные ножовки, шаберы, напильники, бритвы и т. д) обычно используются заэвтектоидные стали У, У, У, У. Такие инструменты, как зубила, отвертки, топоры, кернеры и др. изготавливаются из сталей У, У. Углеродистые стали используются в качестве режущих только в том случае, когда обработка идет с малыми скоростями, не вызывающими в зоне резания температур, превышающих 200 С. При более высоких температурах первоначальная высокая твердость (обеспечиваемая закалкой инструмента) резко снижается и режущие свойства теряются. 3.2.3. Легированные стали Легированием (от нем. legieren – сплавлять, от лат. ligo – соединяю) называется введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов для изменения их структуры, придания определенных физических или механических свойств. Легирующие добавки, как правило, вводятся в расплавленный металл. Легированные стали – стали, которые помимо обычных компонентов углерода, марганца, кремния, серы, фосфора) содержат и другие (легирующие) элементы, либо кремний или марганец в повышенном, кроме обычного, количестве. Легирующие элементы вводятся в основном в виде ферросплавов или лигатур. При суммарном содержании легирующих элементов до 5 % сталь считается низколегированной, от 5 до 10 % – среднелегированной и более 10 % – высоколегированной. Легированные стали производятся качественными, высококачественными и особовысококачественными. Наиболее часто они подвергаются закалке и отпуску, так как в отожженном состоянии по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства |