Конструкционные стали. Учебное пособие. Г. И. Сильман конструкционные стали

• Название: Г. И. Сильман конструкционные стали
• Анкор: Конструкционные стали. Учебное пособие.doc
• Дата: 12.10.2017
• Размер: 7.36 Mb.
• Имя файла: Конструкционные стали. Учебное пособие.doc
• Тип: Учебное пособие; #9347
• страница: 5 из 8

1.6. Стали для ответственных сварных конструкций
Эти стали содержат обычно до 0,22% С. Основные легирующие элементы: до 1,8% Mn, до l,2% Si, до 0,9% Сг, до l,7% Ni, до 0,5% Cu, до 0,15% V, до 0,03% Ti, до 0,15% N. Поставляются стали в виде лис­тового и сортового фасонного проката. Применяются без дополни­тельной термической обработки (т.е. в состоянии поставки), в нор­мализованном состоянии с высокотемпературным отпуском, ино­гда после закалки и отпуска (например, стали 14Г2, 17ГС, 15ХСНД). В последнем случае значительно повышаются прочност­ные свойства (_В и _0,2), снижаются порог хладноломкости и склон­ность к старению. Использование легированных сталей взамен уг­леродистых позволяет экономить от 15 до 30% металла, а примене­ние термообработанных профилей дает экономию до 50% металла.

Для судостроения, аппаратов химической промышленности, вагоностроения и мостостроения применяют стали 09Г2, 10Г2С1Д, 10ХСНД, 15ХСНД, 09Г2С, 09Г2Д 15ГФ (ГОСТ 19282-89). Эти стали имеют широкий интервал рабочих температур (от -70 до +450°С). Стали с медью и никелем (10ХСНД, 15ХСНД) отличаются повышенной коррозионной стойкостью в атмосферных условиях.

Для крупных листовых конструкций, корпусов, сосудов, котлов и трубопроводов используют стали 14Г2, 16ГС, 17ГС, 14ХГС, 12ХГС. Из стали 12ГС методами вытяжки, гибки и штамповки из­готовляют также детали сельхозмашин и автомобилей.

Широкое применение находят в последнее время стали с карбонитридным упрочнением, содержащие 0,05-0,12% V и 0,015-0,025% N. Эти стали имеют измельченную структуру и пониженный до -80°С порог хладноломкости. Для металлоконструкций мостов, подкрановых ферм, зданий и других сварных конструкций ответст­венного назначения используют стали 14Г2АФ, 14Г2АФД 16Г2АФ, 18Г2АФ, 12Г2САФ, 12ГН2МФАЮ. Для ответственных сварных конструкций северного исполнения используют сталь 15Г2АФД, для сварных конструкций экскаваторов – стали 12ГН2МФАЮ, 12Г2СМФ, 14ГСМФР, 18Г2АФ. Сталь 12ГН2МФАЮ применяют также для изготовления платформ авто­мобилей большой грузоподъемности (до 120 т). Стали с молибде­ном и бором (например, 14ГСМФР) в нормализованном состоянии содержат в структуре бейнит и имеют повышенный предел текуче­сти (_0,2 ≈ 450 МПа) при хорошей пластичности.

В состоянии поставки (нетермообработанные) стали 15Г2СД, 15Г2СФД, 14Г2АФД, 16Г2АФД, 15Г2АФДпс имеют следующие свойства: _0,2 = 400...420 МПа, _В = 550...580 МПа, =18...20%, удар­ная вязкость при -40°С КСU^-40 = 30...40 Дж/см². Стали 18Г2АФ в 18Г2АД отличаются более высокими прочностными свойствами: _0,2 ≈ 450 МПа, _В ≈600 МПа. Такие же свойства имеет и нормализованная сталь 16Г2АФ. В улучшенном состоянии стали 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ имеют _0,2 = 600...700 МПа и _В = 700...850 МПа, а сталь 12ХН2МФБАЮ – _0,2 = 750...870 МПа в _В = 850...950 МПа, = 12...14% и КСU^-40 =30...35 Дж/см². Критические температуры хруп­кости (при U-образном надрезе на образцах) составляют: для стали 12Г2СМФ от -70 до -100°С, для сталей 14Г2АФ и 16Г2АФ от -90 до -100°С и для стали 12ГН2МФАЮ от -100 до -110°С.

Ударная вязкость сталей может быть существенно повышена специальными способами выплавка – обработкой синтетическим шлаком (СШ) или электрошлаковым переплавом (ЭШП). Так, на­пример, для стали 16Г2АФ ударная вязкость КС^-40 имеет следующее значения: при СШ 160 Дж/см², при ЭШП 280...290 Дж/см² .

1.7. Стали повышенной хладостойкости
Стали для машин и сооружений, поставляемых в районы с хо­лодным климатом, должны иметь низкий порог хладноломкости. Изделия из этих сталей должны сохранять работоспособность в ус­ловиях низких температур (до -60°С) при повышенной скорости ветра, метелях, заносах, обледенении и, т.д.

Изделия в северном исполнении подразделяют на две катего­рии: 1) эксплуатируемые на открытом воздухе и в неотапливаемых помещениях, 2) эксплуатируемые в отапливаемых помещениях, но подвергающиеся воздействию низких температур и других климати­ческих факторов во время транспортировки и монтажа. Для изделий в северном исполнении чаще всего используют спокойные стали. Кипящие стали можно применять в том случае, если они (в виде листов или лент) предназначены для глубокой вытяжки.

Стали по ГОСТ 19281-89 и 19282-89, (см. раздел 1.6) применя­ются для несущих элементов конструкций, испытывающих воздей­ствие растягивающих и изгибающих напряжений: ходовые рамы машин, стрелы и башни, поворотные платформы и т.д.

Стали ВСт3 и ВСт3Г применяют для легко нагруженных несу­щих конструкций и вспомогательных элементов (лестничные пло­щадки, ограждения, обшивки кабин, кожухи и т.д.).

Наиболее высокой хладостойкостью обладают стали, легиро­ванные хромом в сочетании с никелем или молибденом (ГОСТ 14892-69). Температуры эксплуатации и прочностные свойства не­которых из этих сталей приведены в табл.17 (после закалки и отпус­ка при сквозной прокаливаемости).

Таблица 17

Некоторые характеристики хладостойких сталей

Сталь	Температура отпуска, оС	В, МПа	Температура эксплуатации,°С	Сталь	Температура отпуска, оС	В, МПа	Температура эксплуатации,°С
1	2	3	4	5	6	7	8
18Х2Н4ВА	200	1300	-100	30ХМА	550	1000	-80

Продолжение таблицы 17

1	2	3	4	5	6	7	8
18Х2Н4ВА	600	1000	-120	38Х2МЮА	600	1000	-80
12Х2Н4А	200	1200	-70	40ХН	500	1000	-80
15ХМ	200	900	-60	40ХН2МА	600	1100	-80
20ХМ	200	1000	-50	40ХФА	600	1000	-60
15Х	200	800	-50	40Х	500	1000	-60
30ХН3А	550	1000	-80	38XA	500	950	-60

1.8. Стали повышенной деформируемости
Применяются для холодной штамповки и холодной высадки.

Технические требования на листовую сталь для холодной штамповки в основном регламентируются ГОСТ 9045-93, 4041-71, 16523-89, 503-81, 11269-76. В большинстве случаев для холодной штамповки применяют низкоуглеродистую сталь с твердостью не более HRB 55.

Для холодной штамповки используют тонколистовую и широ­кополосную сталь (холодно- и горячекатаную) обыкновенного каче­ства (Ст0...Ст4 всех степеней раскисления, Ст5сп и Ст5пс), качест­венную углеродистую (08...50 всех степеней раскисления, легиро­ванную (10Г2, 12Г2, 16Г2, 25ХГСА, 30ХГСА, 60Г...70Г, 30ХГСН2А, 12Х2НМФА…23Х2НМФА, 12Х2НВФА...23Х2НВФА и др.). Стали поставляются в умягченном (отожженном или отпущенном) или нормализованном состояниях.

Высокой технологической пластичностью обладают двухфаз­ные ферритно-мартенситные стали (ДФМС), структура которых после закалки из межкритического интервала содержит феррит и 15...30% мартенсита Такие стали обладают низким отношением _0,2/_В (0,4...0.5) и почта в два раза большим, чем для обычных низ­колегированных сталей, темпом нарастания прочности при увеличе­нии степени пластической деформация. Типичными ДФМС являют­ся стали 06ХГСЮ и 06Г2СЮ. Механические свойства после термической обработки: у стали 06ХГСЮ _0,2 = 250 МПа, _В = 620 МПа; у стали 06Г2СЮ _0,2 = 310 МПа, _В = 650 МПа. Свойства сталей после деформации 5% и старения при 200°С: у стали 06ХГСЮ _0,2 =560 МПа, _В = 650 МПа; у стали 06Г2СЮ _0,2 = 610 МПа, _В = 700 МПа.

Применяются ДФМС для листовой штамповки деталей сложной конфигурации (детали кузова автомобилей, диски колес легковых автомобилей и т.д.). Толщина стенок деталей при этом может быть уменьшена на 15...25%.

Для холодной высадки применяют качественную углеродистую и легированную конструкционную сортовую горячекатаную и ка­либрованную стали (ГОСТ 10702-78): 08...20 всех степеней раскисления, 25...50, 15Х...45Х, 38ХА, 15Г...45Г, 20Г2...40Г2, 38ХС, 12ХН...50ХН, 15ХФ, 15XM, 16ХСН, 19ХГН, 30ХМА, 12ХН3А, 20ХГСА...35ХГСА, 35ХГН2, 38ХГНМ, 18Х2Н4МА, 25Х2Н4МА, 40ХНМА, 30ХН2МФА. Стали поставляются после отжига или высо­кого отпуска или без термической обработки. Калиброванная сталь поставляется в нагартованном состоянии, иногда после термообработки. Твердость стали должна быть в пределах НВ 131...255.
1.9. Автоматные стали (ГОСТ 1414-75)
Автоматными называют конструкционные стали повышенной и высокой обрабатываемости резанием. Их применяют для обработки на станках-автоматах и для горячей обработки давлением с даль­нейшей обработкой резанием. Автоматные стали классифицируют по химическому составу, видам обработки, по назначению и состоя­нию материала.

По химическому составу стали подразделяют на 6 групп: угле­родистые сернистые (All, A12, А20, АЗО.А35, А40Г), углеродистые со свинцом (АСЫ, АС40, АС35Г2, АС45Г2), сернисто-селенистые (А35Е, А45ЕХ сернисто-селенистые с хромом (А40ХЕ), легирован­ные свинецсодержащие (АС12ХМ, АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, АС30ХМ, АС38ХГМ, АС40ХГНМ), кальцийсодержащие (АЦ20...АЦ60, АЦ35Х...АЦ45Х, АЦ35Г...АЦ45Г, АЦ35Г2... АЦ45Г2, АЦ30ХМ, АЦ12ХН3, АЦ20ХН3).

По видам обработки сталь делится на горячекатаную, калибро­ванную, круглую со специальной отделкой поверхности – серебрян­ку.

В зависимости от назначения горячекатаная сталь подразделя­ется на следующее подгруппы: для горячей обработки давлением; для механической обработки резанием, для холодного волочения. Назначение стали рекомендуется указывать в заказе.

По состоянию материала различают стали без термической об­работки, термически обработанные (Т), нагартованные (Н) – калиб­рованные в серебрянку.

Применение автоматных сталей позволяет в 1,5...2 раза снизить расход инструмента или на 22...30% сократить машинное время обработки, уменьшив износ инструмента на 30...35 %.

Из автоматных сталей изготавливают метизы, в автомобилестроении – вилки включения сцепления, цепи, шестерни привода масляного насоса, валики редуктора привода спидометра, оси дрос­сельной заслонки, штуцера главного цилиндра тормоза (стали All, А12, А20), рычаги переключения передач (АС12ХН), оси сателлитов дифференциала, ступицы (АС14ХГН), червяки рулевого управления (АС30ХМ, АСЦ30ХМ) и т.д.
1.10. Рессорно-пружинные стали
Стали этой группы должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, высоким пределом выносливо­сти при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому раз­рушению. Для получения этих свойств стали должны содержать не менее 0,5% С и быть подвергнуты закалке и отпуску при 400...520°С. Углеродистые стали при этом получают _0,2 не менее 800 МПа, а легированные – не менее 1000 МПа.

Для пружин малого сечения применяют углеродистые стали 65...85 с закалкой в масле или воде. Чаще применяют легированные стали, содержащие 1,5...2,8% Si, 0,6...1,2% Mn, 0,2...1,2% Сг, 0,1...0,25% V, 0,8...1,2% W и 1,4... 1,7% Ni (ГОСТ 14959-79).

Кремнистые стала 55С2, 55С2А, 60С2, 60С2А, 70СЗА имеют высокие пределы упругости и текучести (_0,2 =1100...1600 МПа) и применяются для изготовления пружин вагонов, автомобильных рессор, торсионных валов.

Стали 60С2ХФА и 65С2ВА (_0,2 =1700 МПа) применяют для крупных высоконагруженных пружин и рессор. Для упругих элемен­тов, работающих в условиях больших динамических нагрузок, при­меняют сталь 60C2H2A. Для автомобильных рессор широко используют стали 50ХГА и 50ХГФА. Для клапанных пружин используется сталь 30ХФА.

Иногда пружины изготовляют из патентированной холоднотя­нутой проволоки и холоднотянутой ленты из сталей 65, 65Г, 70, У8, У10. Пружины после холодной навивки подвергают отпуску при 210...320°С для снятия напряжений.
1.11. Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 601-78)
Шарикоподшипниковые стали должны обладать высокой твер­достью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К ним предъявляются высокие требования по содержанию вредных примесей и неметаллических включений, а также по карбидной неоднородности. В связи с этим для таких сталей применяют иногда электрошлаковый (с обозначением буквой Ш в конце марки) и вакуумно-дуговой переплав (буквы ВД в конце марки).

Для колец, шариков и роликов подшипников применяют стали ШХ15 и ШХ15СГ; их подвергают закалке в масле с 840...860°С и отпуску при 150...170°С. Иногда применяют обработку холодом при -70...-80°С. Твердость после термической обработки составляет HRC 61...66, предел выносливости _-1 = 650...710 МПа, ударная вяз­кость для образцов без надреза KCU = 25...45 Дж/см². У сталей, под­вергаемых электрошлаковому или вакуумно-дуговому переплаву, достигается существенное повышение свойств (_-1 до 900...960 МПа), но стоимость сталей при этом возрастает в 1,5...2 раза.

Для деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой цементации на глубину 1,2...3,5 мм, высо­котемпературного отпуска, закалки и отпуска при 160...170°С сталь 20Х2Н4А имеет твердость на поверхности HRC 58...62 и в сердце­вине HRC 35...45.

Для деталей тяжело нагруженных роликовых подшипников, подвергаемых объемно-поверхностной закалке, применяют сталь ШХ4РП с регламентируемой прокаливаемостыо. Закаленный слой имеет твердость HRC 60...63, а сердцевина – HRC 35...40.

Кольца и тела качения подшипников, работающих в агрессив­ных средах, изготовляют из стали 95X18. Их подвергают закалке в масле от 1000...1050°С и отпуску при 140...150°С на твердость не менее HRC 56. Предел выносливости при HRC 60 составляет _-1 ≈ 980 МПа. Сталь 95X18-Ш применяют для износостойких деталей ответственного назначения.
1.12. Износостойкие графитизированные и аустенитные стали
Поскольку графит в структуре стали получают за счет частично­го разложения цементита, графитизированные стали должны иметь высокое содержание углерода и кремния. Состав некоторых графитизированных сталей, применяемых в России, приведен в табл.18.

Стали подвергают двухступенчатому графитизирующему отжи­гу (820...840°С, 5 часов и 700...720°С, 5...15 часов). Детали приме­няются в отожженном состоянии или после закалки с отпуском. Свойства отожженной графитизированной стали: _В ≈ 600 МПа при  ≈ 6%.
Таблица 18

Химические составы графитизированных сталей

Марка стали	Содержание элементов, мас. %
	С	Si	Mn	Другиеэлементы
ЭИ293	1,50.. .1,75	0,75... 0,95	0,20... 0,40	-
ЭИ33б	1,50.. .1,70	0,70... 1,00	0,1 5... 0,40	0,4...0,7 Cu
ЭИ366	1,30...1,45	1,25... 1,60	0,40... 0,50	0,2…0.4 Ti

Применяют графитизированную сталь как заменитель цветных антифрикционных сплавов. Термически обработанную графитизированную сталь применяют для деталей штампов холодного дефор­мирования, калибров, траков, литых коленчатых валов и других деталей.

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного тре­ния и высоких давлений и ударов (траки гусеничных машин, щеки дробилок, крестовины железнодорожных и трамвайных путей и т.д.), применяют высокомарганцевую аустенитную сталь 110Г13Л, со­держащую 0,9...1,3%С и 11,5...14,5%Mn (ГОСТ 2176-77). Сталь подвергают закалке в воде с 1100°С. При значительных давлениях и ударных нагрузках сталь наклепывается и становится износостой­кой. Механические свойства стали: _В = 800...900 МПа и _0,2 = 310...350 MПa при = 25...15%,  = 30...20% и НВ 180...220.

Для изделий, подвергающихся изнашиванию потоком жидкости или газа, рекомендуется аустенитная сталь 30Х10Г10, обладающая высокой кавитационной стойкостью.