45948

Конструкционные стали: классификация, маркировка, химический состав, механические и технологические свойства, применение

Доклад

Производство и промышленные технологии

Конструкционные стали: классификация маркировка химический состав механические и технологические свойства применение. Широкое использование стали в промышленности обусловлено сочетанием комплекса механических физикохимических и технологических свойств. Сталью называются сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами причем углерода в стали должно содержаться меньше 214 . Постоянными примесями в стали являются: кремний до 04 марганец до 08 сера до 005 фосфор до 005 и газы NOH и др.

Русский

2013-11-18

50.2 KB

120 чел.

2. Конструкционные стали: классификация, маркировка, химический состав, механические и технологические свойства, применение.

Сталь - основной металлический материал, широко применяемый для изготовления машин, приборов и инструмента. Широкое использование стали в промышленности обусловлено сочетанием комплекса механических, физико-химических и технологических свойств. Сталь, особенно углеродистая, сравнительно недорога и может производиться в большом количестве. Сталью называются сплавы железа с углеродом и некоторыми другими элементами, причем углерода в стали должно содержаться меньше 2,14 %. Постоянными примесями в стали, являются: кремний (до 0,4 %), марганец (до 0,8 %), сера (до 0,05 %), фосфор (до 0,05 %) и газы (N,O,H и др.). Конструкционными называются, стали, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, сооружений и конструкций.Углеродистые конструкционные стали делятся на углеродистую сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-94), углеродистую качественную сталь (ГОСТ 1050-88) и сталь с повышенной обрабатываемостью резанием (автоматные стали для обработки на станках-автоматах ГОСТ1414-75).

Стали обыкновенного качества. Углеродистая сталь обыкновенного качества  в зависимости от назначения, химического состава и механических свойств изготавливается следующих марок : Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5,  Ст 6.

Буквы «Ст» означают «сталь», цифры - условный номер марки стали. С увеличением номера возрастает количество углерода, возрастает прочность стали и снижается ее пластичность. (табл.2.1). По способу раскисления стали обыкновенного качества делятся на кипящие (КП), спокойные (СП) и полуспокойные (ПС). Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода. Если кислород не удалить, то сталь может хрупко разрушиться при горячей деформации (прокатке,  ковке, штамповке). Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием, алюминием. Такие стали содержат мало кислорода и затвердевают без газовыделения, спокойно. Кипящие стали раскисляют только марганцем,   поэтому в них содержится повышенное количество кислорода. Кислород при разливке и охлаждении взаимодействует с углеродом, в результате чего образуется СО в виде пузырьков. Выделение пузырей создает впечатление кипения стали, поэтому сталь называется кипящей. В дальнейшем пузыри остаются в стальном слитке, но при последующей горячей обработке давлением стенки пузырей свариваются и визуально в изломе пузыри не обнаруживаются. Кипящие стали самые дешевые, так как практически не содержат кремния.     Таблица 2.1

Химический состав и механические свойства углеродистой

стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94).

Мар-ка

    Химический  

состав.

состав

Механические

 свойства

С

%

Si

%

Mn

%

S

%

P

%

  σb

МПа

δ

%

Ст 1

0,06-0,12

<0,05

0,25-0,50

<0,05

<0,04

200

33

Ст 3

0,14-0,22

~0,15

0,30-0,60

<0,05

<0,04

230

25

СТ 6

0,38-0,49

~0,15

0,60-0,80

<0,05

<0,04

300

14

        

В зависимости от назначения углеродистые стали  обыкновенного качества делятся на группы А, Б, В.

        Стали группы А поставляются по механическим свойствам (без химического состава). Стали Группы Б поставляются с гарантированным химическим составом (без механических свойств). Стали группыВ повышенного качества поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом.

        Стали группы А нельзя подвергать сварке и  термообработке, так как химический состав не гарантируется. Стали групп Б и В можно упрочнять термообработкой и подвергать сварке, поэтому стали (особенно   спокойные) применяются в мостостроении, в конструкциях сельхозмашин и др.

Из сталей обыкновенного качества изготавливается горячекатаный                     рядовой прокат: уголки, швеллеры, балки, прутки, листы, трубы и поковки. Стали обыкновенного качества в состоянии поставки широко применяются, в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций (таблица. 2.2)                            

                                                                                                       Таблица 2.2

             Применение сталей обыкновенного качества в машиностроении.

                                                                                                        .   .

Марка

Назначение

Ст 1

Для изготовления сварных конструкций неответственного

назначения: шайбы, прокладки, кожухи, ограждения.

Ст 3

Детали металлоконструкций: рамы тележек, крюки, кольца,

цилиндры, шатуны, крышки, тяги.

Ст 6

Валы, оси, пальцы, шпиндели, муфты, зубчатые колеса, шпонки, пластины цепей, звездочки, упоры.

Полная маркировка углеродистой стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-85 производится следующим образом: БСт3сп , что означает: сталь 3, спокойная,  группы поставки Б (по химическому составу).

Углеродистые качественные конструкционные стали.Качественные стали характеризуются более высокими, чем у сталей обыкновенного качества, механическими свойствами, что объясняется более низким содержанием вредных примесей и неметаллических включений.Стали поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.Качественные углеродистые стали маркируются цифрами 08, 10, 15…85 и буквами КП, ПС. Цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента, а буквы – степень раскисления: кипящая (КП), полуспокойная (ПС), СП  не указывается.Углеродистые качественные стали делятся на три группы: низкоуглеродистые (сталь 08-25); среднеуглеродистые (сталь30-55); высокоуглеродистые (сталь60-85).  Низкоуглеродистые стали отличаются малой прочностью и высокой пластичностью в холодном состоянии. Такие стали производятся преимущественно в виде тонкого листа и используются после отжига для холодной штамповки  с глубокой вытяжкой. Сталь 08КП широко применяется для штамповки кузовов автомобилей. Стали марок 15, 20, 25, пластичны, хорошо штампуются и свариваются. Из этих сталей изготавливаются малонагруженные детали невысокой прочности без термообработки : валы, оси, рычаги, шайбы, подкладки, болты, гайки и другие детали. Кроме того эти стали применяются для изготовления цементуемых деталей, от которых требуется высокая поверхностная твердость при вязкой сердцевине (кулачки, малонагруженные зубчатые колеса и др.)

                                                                                                         Таблица2.3

Химический состав и механические свойства углеродистых качественных сталей

                                                                                                      .        

Марка

стали.

Химический состав в %.

Механические свойства.

 C

%

Mn

%

Si

%

S

%

P

%

  σb

МПа

δ 

%

Ψ %

HB

МПа

ан

МДж/м2

10

0,07-

0,14

0,35-

0,65

0,17-

0,37

<0.04

<0.04

340

31

55

1430

___

40

0,37-

0,45

0,50-

0,80

0,17-

0,37

<0.04

<0.04

580

19

45

2170

0,6

80

0,77-

0,85

0,50-

0,80

0,17-

0,37

<0.04

<0.04

1100

6

30

2850

___

     Среднеуглеродистые стали имеют повышенную прочность и достаточную пластичность после термообработки (нормализации, улучшения или закалки ТВЧ), поэтому наиболее широко применяются для изготовления самых разных деталей во всех отраслях машиностроения: болты, плунжеры, зубчатые рейки, пальцы траков,  оси, маховики, небольшие валы, шатуны, зубчатые колеса, коленчатые валы, шпиндели, шпонки и другие детали, испытывающие циклические нагрузки.. Высокоуглеродистые стали обладают высокой прочностью   и износостойкостью, имеют высокий предел упругости, поэтому используются для изготовления высоконагруженных деталей, в том числе обладающих высокими упругими свойствами: прокатные валки, пружины, торсионы и другие детали.

                                                                                                 Таблица 2.4     

Назначение некоторых марок качественных сталей.

                   .                                                                                           

Марки

Сталей

                                                    Назначение

10

Детали, не требующие высокой прочности, изготавливаемые штамповкой и холодной высадкой: трубки, прокладки, крепежные детали, кожухи, детали кузовов; цементуемые и цианируемые детали: копиры, упоры, валики, фрикционные диски и др.

40

Коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, болты, шпильки, бандажи, плунжеры, шпиндели, оси, муфты, зубчатые рейки, пальцы траков, турбинные диски, оси, головки цилиндров, маховики и т.д.

80

Пружинящие детали и детали, подвергаемые абразивному износу: пружины, торсионы, шайбы Гровера, рессоры, прокатные валки, упорные кольца, цанги, диски, ножи, стойки пружинные и т.д.

Конструкционные стали повышенной обрабатываемости резанием. Эти стали характеризуются хорошей обрабатываемостью резанием при высоких скоростях обработки, что достигается повышенным содержанием серы, фосфора (таблица 2.5).Стали маркируются буквой «А» ( автоматные, что означает – для обработки на станках – автоматах) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Повышенное содержание серы и фосфора устраняет налипание стружки на инструмент, ведет к измельчению стружки, уменьшает нагрев инструмента, способствует снижению трения и повышению стойкости инструмента, получению гладкой поверхности детали, что ведет к повышению скорости резания в два раза.

Однако такие стали имеют пониженную вязкость и пластичность, пониженную коррозионную стойкость, поэтому применяются для крепежных и мелких, слабонагруженных деталей машин и приборов.  

                                                                                                             Таблица 2.5

              Химический состав и механические свойства автоматных сталей           

                                       (ГОСТ1414-75).

                            .       

Марка

стали

Химический состав

    Механические

         свойства

 C

%

Mn

%

Si

%

S

%

P

%

  σb

МПа

δ 

%

         HB

МПа

А12

0,08-

0,16

0,60-

0,90

 -

0,08-

0,20

0,08-

0,15

420-

470

22

1600

А20

0,15-

0,25

0,60-

0,90

 -

 

0,08-

0,15

<0.06

460-

610

20

1680

А30

0,25-

0,35

0,70-

1,0

 -

0,08-

0,15

<0.06

520-

670

15

1850

 ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ. Легированные конструкционные стали созданы на основе углеродистых, в которые введены легирующие элементы. Легирующие элементы придают стали повышенные физические, химические, и технологические свойства: прочность, вязкость, износостойкость, прокаливаемость и т.д. Для получения заданных свойств стали легируют Mn, Si, Cr, B, W, Mo, Ti и некоторыми другими элементами в  количествах, больших, чем содержание обычных примесей в стали: Mn более 0,8%, Si более 0,5%  и т.д. По содержанию легирующих элементов стали делятся на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), среднелегированные (2,5-10% легирующих элементов), высоколегированные (>10% легирующих элементов). По химическому составу легированные стали делятся на качественные, высококачественные и особо высокого качества. Отличие состоит в содержании вредных примесей и неметаллических включений: содержание серы и фосфора в качественной стали составляет по 0,025%, в высококачественной – по 0,015%, в стали особо высокого качества – по 0,010% и менее. Легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами, которые показывают примерный состав стали. Стоящие впереди марки цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если впереди марки цифры нет, то это означает, что углерода в ней около 1%. Цифры, стоящие после буквы указывают среднее содержание данного элемента в процентах. Если за буквой отсутствует цифра, значит содержание  данного элемента около 1%. Буква А в конце маркировки означает, что сталь высококачественная.Легирующие элементы обозначаются в маркировках сталей следующими буквами: А – азот, В – вольфрам, Г – марганец, Х – хром, Н – никель, Т – титан, К – кобальт, Д – медь, Б – ниобий, Р – бор, Ф – ванадий, Ю- алюминий, С – кремний, М – молибден.Например, сталь 15ХА обозначает: хромистая сталь, содержит 0,15%С и около 1%Cr, высококачественная.Некоторые марки стали, в виде исключения, обозначаются буквами: Р – быстрорежущие, Е –магнитные, Э – электротехнические, Ш – шарикоподшипниковые, ЭИ – исследуемые.

Конструкционные легированные стали по ГОСТ 4543-85 применяются главным образом для изготовления ответственных деталей машин, приборов и конструкций. По химическому составу стали по ГОСТ 4543-85 делятся на хромистые, кремнистые, никелевые, хромованадиемые и т.д., всего 19 групп. Легированные конструкционные стали по технологии применения делятся на две большие группы: улучшаемые стали и цементуемые стали.

Улучшаемые машиностроительные стали. Улучшаемые стали содержат 0,3-0,5% С и небольшое (<10%) количество легирующих элементов Cr, Mn, Si, Ni, Mo и др. Эти стали применяются для изготовления деталей с повышенными требованиями к прочности, износостойкости при высоких удельных нагрузках, имеющих переменный характер. После закалки и высокого отпуска стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью, высокое сопротивление хрупкому разрушению, в том числе и при отрицательных температурах (низкий порог хладноломкости).  Прочность деталей в целом определяется глубиной закаленного слоя, которая определяется легированием: сталь 40Х прокаливается в сечении на глубину до 35 мм, сталь 40ХН – до 75 мм, а сталь 38ХНЗМФА – больше 100 мм.В зависимости от легирования улучшаемые стали делятся на 6 групп:1. Хромистые стали 30Х,  40Х, 45Х  и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

Сталь 30Х имеет следующие свойства:  σb=900 МПа, σ0,2=700 МПа, δ=12%, ψ=45%.

2. Хромомарганцевые стали. Совместное  легирование хромом (0,9-1,2%) и  марганцем (0,9-1,2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (например,40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до -60оС), склонность к отпускной хрупкости и рост зерна аустенита при нагреве.

Сталь 40ХГТР имеет  σb =1000 МПа,  σ0,2=800 МПа,  δ=11%,  ψ=45%.

3. Хромокремнемарганцевые стали (хромансили) обладают высоким комплексом свойств. Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали марки хромансиль применяют  в виде листов, труб для ответственных сварных конструкций в самолетостроении. Стали хромансиль склонны к обратной отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

Сталь 30ХГС имеет σb =1100 МПа, σ0,2=850 МПа, δ=10%,  ψ=45%.

4. Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

Сталь 40ХН имеет  σb =1000МПа, σ0,2=800МПа, δ=11%, ψ=45%.

5. Хромоникелемолибденовые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали - в воде. Для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом(40ХН2ВА).

Сталь 40ХН2МА имеет  σb =1100МПа, σ0,2=950МПа, δ=12%, ψ=50%.

6. Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью, вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов (волосовидных трещин).Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.

Сталь 38ХН3МФА имеет  σв=1200 МПа, σ0,2=1100 МПа, δ=12%, ψ=45 %.  Таблица 3.1

                            Применение улучшаемых сталей                                                 

№№ п/п

Марка стали.

                                           Назначение

1

40Х

Детали, работающие при средних скоростях и удельных давлениях: шестерни, валы, шпиндели, червяки, роторы гидронасосов, рейки, кольца, втулки и другие детали.

2

30ХГС

Ответственные детали средних размеров, работающие в условиях износа: рычаги, толкатели, силовые сварные конструкции, валы, детали рулевого управления и другие детали.

3

40ХН

Ответственные детали, работающие при повышенных динамических нагрузках: валы, шпиндели, коленчатые валы, шестерни, болты, роторы, цилиндры и другие детали.

4

40ХН2МА 38ХН3МФА

Наиболее ответственные крупные детали: валы, роторы турбин, детали крупных редукторов, тяжелонагруженные детали компрессорных машин и насосов, цилиндры, червяки и другие детали.

                                                                         

Цементуемые машиностроительные стали. Цементуемые стали содержат 0.1- 0.25 % С и имеют невысокое (< 10%)

легирование Cr, Mn, Mo,Ni, V. Легирование обеспечивает высокую твердость поверхностного закаленного слоя HRc = 60 и достаточную прочность сердцевины σb= 1000МПа. Детали подвергаются цементации (насыщению поверхностного слоя углеродом), закалке и низкому отпуску. Цементуемые стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих на износ и испытывающих переменные и ударные нагрузки (зубчатые колеса, кулачки и.т.д.)

В зависимости от легирования низкоуглеродистые цементуемые стали делятся на 6 групп:

1. Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1,0-1,5 мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое. Стали чувствительны к перегреву, прокаливаемость их невелика.

Сталь 20Х имеет:  σb =800МПа, σ0,2=650МПа, δ=11%, ψ=40%.

2.Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0,1-0,2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ).  Хромованадиевые стали менее склонны к перегреву и применяются для изготовления сравнительно небольших деталей ответственного назначения.   

3. Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих при эксплуатации значительные  динамические нагрузки. Сталь отличается повышенной прочностью, пластичностью и вязкостью сердцевины и высокой твёрдостью цементованного слоя. Хромоникелевые стали мало чувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоёв углеродом.

Сталь12Х2Н4А имеет:  σb =1150МПа, σ0,2=950МПа, δ=10%, ψ=50%.

4. Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

В автомобильной и тракторной промышленности с танкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Сталь 25ХГМ имеет:  σb =1200МПа, σ0,2=1100МПа, δ=10%,  ψ=45%.

5. Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромоарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

На ВАЗе широко применяются стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.

После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

Сталь 15ХГН2ТА имеет:  σb =950 МПа, σ0,2=750 МПа, δ=11%,  ψ=55%.

6. Стали легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь нечувствительной к перегреву.

В промыленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяется сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

Сталь 20ХГНР имеет: σb =1300МПа, σ0,2=1200МПа, δ=10%,  ψ=09%.

К недостаткам среднелегированных сталей, содержаших 3-4% никеля (например,12Х2Н4А ) относится высокая стоимость и более сложный цикл химико-термической обработки. Чтобы обеспечить высокую поверхностную твёрдость, стали необходимо подвергать обработке холодом, которая вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит  (после закалки в сталях сохраняется большое количество, в     некоторых   случаях до60%, остаточного аустенита, что объясняется смещением     точки                                                                                                                 \Мк ниже 0º С).

                                                                                          

                                                                                                    Таблица 3.2

Применение некоторых цементируемых сталей

1

20Х, 20ХФ

Небольшие детали, работающие при малых и средних нагрузках: шестерни, шатуны, шпиндели, втулки и другие детали.

2

12Х2Н4А

Крупные детали ответственного назначения, испытывающие значительные нагрузки: валы турбин, роторы, шестерни, червяки и т. д.

3

25ХГМ

Ответственные детали в крупносерийном и массовом производстве: зубчатые колеса автомобилей, коленчатые валы, шатуны, пальцы и т.д.

4

15Х2НЧТА

Крупные детали особо ответственного назначения: зубчатые колеса авиадвигателей, судовых редукторов, коленчатые валы, шестерни, шатуны, муфты и т. д.

Высокопрочные стали.К высокопрочным сталям, нашедшим применение в машиностроении, относятся мартенситостареющие и ТРИП-стали.Мартенситостареющие стали – безуглеродистые (C<0,03%С) сплавы железа с 8-25% Ni, легированные Co, Cr, Ti, Al, Mo и другими элементами. Применение мартенситостареющих сталей обеспечивает высокую конструктивную прочность изделий в широком диапазоне температур (от криогенных до 5000С) при высокой технологичности. Мартенситостареющие стали обладают неограниченной прокаливаемостью, хорошо свариваются, легко деформируются и обрабатываются резанием. Имеют наивысший среди сталей предел упругости (σу=1600 МПа) и высокий предел прочности             (σb =240 МПа) при достаточно высокой вязкости (αн=2 МДж/м2), низкий порог хладноломкости. Большой недостаток мартенситостареющих сталей – высокая стоимость, поэтому применяется сталь для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике и т.д.Широкое применение в технике получила мертенситостареющая сталь Н18К9М5Т (С=0,03%, N=18%, Co=9%, Mo=5%, Ti=0,6%), имеющая после закалки и старения:  σB =2100 МПа, σ0,2=1900 МПа, δ=8%, ψ=50%, αн=0,5 МДж/м2.

В машиностроении применяются и менее легированные мартенситостареющие стали с кобальтом Н12К8М3Г2 и без него Н10Х11М2Т (σb =1500 МПа, αм=0,5 МДж/м2). Метастабильные высокопрочные аустенитные стали с высокой пластичностью называют ТРП-сталями или ПНП-сталями. Эти стали содержат 8-14% Cr, 8-32%Ni, 0,5-2,5%Mn, 2-6% Mo, до 2% Si (30Х9Н8М4Г2С2 и 25Н25М4Г1).Механические свойства ПНП-сталей: σb =1500÷1700 МПа, σ0,2=1400÷1550 МПа, δ=50÷60%. Характерным для этой группы сталей является высокое значение вязкости разрушения и предела выносливости.Широкому применению ПНП-сталей препятствует их высокая легированность, необходимость использования мощного оборудования для деформации при сравнительно низких температурах, трудность сварки. Эти стали используют для изготовления высоконагруженных, ответственных деталей, проволоки, тросов, крепежных деталей и др. Рессорно-пружинные стали. Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ14959-79) предназначены для изготовления упругих элементов общего назначения (пружин, рессор, торсионов и т.д.). Такие стали должны обладать высоким пределом упругости и выносливости. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5÷0,7%С), которые подвергают закалке и среднему отпуску (420-5200С) для получения структуры троостит или нижний бейнит. Стали относятся к перлитному классу и легируются Si, Mn, Cr, V, Ni.Для пружин малого сечения применяют  углеродистые стали 65Г, 70, 85. Сталь 85 имеет: σb =1150 МПа, σ0,2=1100 МПа, δ=8%, ψ=30%. Более часто для изготовления пружин и рессор используют легированные стали.(ГОСТ14959-79). Стали 60С2ХФА и 65С2ВА, имеющие высокую прокаливаемость, хорошую прочность и релаксационную стойкость, применяют для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор. Сталь 65С2ВА имеет σb =1900 МПа, σ0,2=1700 МПа, δ=5%, ψ=20%. Когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок, применяют сталь с никелем 60С2Н2А.Для изготовления автомобильных рессор широко применяют сталь 50ХГА, которая по техническим свойствам превосходит кремнистые стали. Для клапанных пружин рекомендуется сталь 50ХФА, которая не склонна к перегреву и обезуглероживанию. Износостойкие сталиК инзносостойким  относятся следующие группы сталей:- шарикоподшипниковые стали;- графитизированные стали;- аустенитная высокомарганцовистая сталь;- литые карбидные сплавы. Шарикоподшипниковые стали. Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ801-78) применяются для изготовления подшипников качения (ролики, шарики, кольца). К сталям для подшипников предъявляются требования максимального сопротивления контактной усталости и истиранию, поэтому сталь должна обладать высокой твердостью и малым количеством металлургических дефектов. Неметаллические включения в  стали служат концентраторами напряжений и вызывают преждевременное разрушение от усталости. Шарикоподшипниковые стали содержат около 1%С, легируются Cr, Mn, Si, Ni и подвергаются термообработке (закалке и низкому отпуску (Т< 2000С), после чего обеспечивается твердость HRC60-66. Наибольшее распространение получила сталь ШХ15 (С=1%, Cr=1,5%), из которой делаются шарики и ролики диаметром более 18 мм. Более мелкие шарики и ролики делаются из сталей ШХ6, ШХ9. Крупногабаритные подшипники с диаметром более 550 мм изготавливаются из стали 20Х2Н4А и подвергают цементации на глубину 5-10 мм. Для работы в агрессивных средах применяются  коррозионностойкие стали типа 95Х18 (С=0,95%, Cr=18%). Графитизированная сталь. Графитизированная сталь применяется для изготовления волочильного инструмента, матриц для холодной вытяжки, траков гусениц, штампового инструмента, так как сталь отличается высокой износостойкостью в условиях истирания при больших давлениях. Закаленная графитизированная сталь сочетает свойства закаленной стали и серого чугуна, так как имеет в своем составе 2% углерода и 2% кремния, который способствует графитизации цементита. Графитизация проводится путем ступенчатого отжига деталей. Структура графитизированной стали состоит из феррито-цементитной смеси и графита. Графит играет роль смазки, поэтому снижается коэффициент трения и не происходит схватывание детали с контртелом. В отожженном состоянии графитизированная сталь применяется для изготовления вкладышей подшипников, поршней, поршневых колец, коленвалов и других деталей, работающих на трение. Высокомарганцовистая сталь. Высокомарганцовистая сталь применяется для изготовления деталей, работающих в условиях сильных ударов или сильного давления (траки гусеничных машин, крестовины стрелочных переводов, зубья экскаваторов и другие детали). Сталь 11ОГ13Л содержит 1,2%С и 13% Mn. Высокая износостойкость проявляется только при однофазной структуре, состоящей из аустенита, что достигается закалкой с температуры 11000С. После закалки сталь имеет низкую твердость НВ=2000 и высокую вязкость, но после наклепа твердость возрастает до НВ=6000, что объясняется образованием в поверхностном слое большого количества дефектов кристаллического строения. Аустенит стали 11ОГ13Л имеет способность к наклепу, чем и объясняется сильное деформационное упрочнение деталей. Сталь плохо обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем (буква Л в марке стали). При чистом абразивном изнашивании (без ударов) износостойкость стали 110Г13Л невысокая. К этой же группе сталей, упрочняемых при ударном воздействии, относятся кавитационностойкие стали типа 30Х10Г10. Аустенит в этих сталях испытывает наклеп при ударном воздействии, при этом происходит частичное мартенситное превращение, на развитие которого тратится энергия кавитации, в результате чего износостойкость деталей (гребные винты, лопасти гидротурбин, цилиндры гидронасосов, задвижки магистральных трубопроводов) повышается. Литые карбидные сплавы. Для борьбы со всевозможными видами абразивного износа деталей и инструментов грунтообрабатывающих машин применяют литые или наплавочные износостойкие сплавы. Такие сплавы содержат до 4%С и большое количество (до 50%) карбидообразующих легирующих элементов (Cr, W, Mo и т.д.) .При абразивном износе без ударных нагрузок (детали сельхозмашин, тачки, бункеры и т.д.) применяются сплавы типа У25Х38 (С=0,25%, Cr=38%).При значительных ударных нагрузках (зубья экскаваторов, пики отбойных молотков и др.) применяются сплавы типа У35Х7Г7С со структурой аустенит + мартенсит + мелкие карбиды. Детали, работающие при очень больших нагрузках (ковши экскаваторов, добывающих железную руду, наконечники рельсов, резцы для мерзлого грунта и др.) наплавляются сплавами, обеспечивающими аустенитную структуру с вкраплениями карбидов У30Г34 или У11Х14В13Ф2ГКоррозионостойкие стали. Коррозионостойкими (ГОСТ5632-72) называются металлы и сплавы, которые спососбны противостоять коррозионному воздействию среды, то есть устойчивые против электрохимической коррозии, которая развивается в жидких средах: в водных растворах солей, щелочей, кислот, в морской воде, влажной атмосфере или почве. В таких средах на поверхности металлов возникают участки с разным электрохимическим потенциалом, что приводит к появлению  гальванического тока и растворению элемента с пониженным потенциалом. Электрохимическая неоднородность возникает при наличии в структуре нескольких фаз, дислокаций остаточных напряжений, окисных пленок и т.д. Коррозионный поток можно уменьшить легированием, в основном Cr и Ni. Хром придаст железу пассивные свойства, а никель способствует получению однофазной аустенитной структуры. Дополнительное легирование Ti, Mn, Mo, Nb, Al придает стали более высокие коррозионностойкие свойства в определенных средах. Наиболее характерной и широко распространенной коррозионностойкой сталью является 12Х18Н9Т. Для получения аустенитной структуры сталь закаливается в воде с температуры нагрева Т=1100ºС. Сталь имеет хорошие технологические свойства: легко прокатывается, сваривается, штампуется. Имеет  высокие механические свойства: σb=500МПа, δ=35%. Сталь стойкая в среде HNO3, щелочей, хлористых солей, морской воде. Применяется в пищевой, нефтяной, авиа- и химической промышленности. Для изготовления аппаратуры, работающей  в растворах серной, фосфорной кислот, в солянокислых средах применяется никелевый сплав Н70МФ (σb=950  МПа, δ=50%). В некоторых случаях применяются двухслойные стали: основной слой – из низколегированной (09Г2, 12ХМ и др.) или даже углеродистой (Ст. 3), а плакирующий слой-  (1-6 мм) из коррозионностойкой стали 08Х18Н9Т, Н70МФ и других.   Таблица3.3                                                                                                              Применение коррозионностойких  сталей

(ГОСТ5632-72)

п/п

  Марка

Структура

                           Назначение

1

2

3

4

 1

  12Х13

  20Х13

Феррит +

мартенсит

Детали с повышенной пластичностью, подвергающиеся ударным нагрузкам (клапаны гидропрессов, предметы домашнего обихода), а так же изделия, подвергающиеся действию слабо-агрессивных сред (атмосферные осадки, растворы органических кислот): детали турбин, котлов, трубы, лопатки, болты и др.

 2

  30Х13

  40Х13

Мартенсит

Режущий, мерительный  и хирургический инструмент, пружины,карбюраторные иглы, клапаны компрессоров, предметы домашнего обихода.       

1

2

3

4

 3

12Х18Н10Т

Аустенит

Изготовление сварной арматуры, работающей в среде высокой агрессивности:: трубы, детали печной арматуры,теплообменники, коллекторы выхлопных систем, патрубки, муфели, реторты и другие детали.

 4

 ХН65МВ

 Н70МВ

Аустенит

Изготовление сварных конструкций, работающих при повышенной температуре в сернокислых, солянокислых средах, фосфорной кислоте, концентрированной   уксусной кислоте и других агрессивных средах.

  .

Жаростойкие и жаропрочные стали.Жаростойкостью (окалиностойкостью) называется способность металла сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре. Скорость образования окалины обуславливается  появлением пленок окислов на поверхности металла: чем плотнее и сплошнее пленка, тем меньше окалинообразование. Для повышения жаростойкости сталь легируется элементами, которые изменяют состав окалины в сторону снижения диффузии атомов кислорода через неё. Такими элементами являются Cr, Al, Si, образующие плотные и сплошные окислы Cr2O3,  Al2O3 и SiO2. Чем больше в стали Cr, Al, Si, тем выше жаростойкость. Для работы  при 900о С нужно иметь в стали ≥10% Cr, при 1100о С - ≥25% Cr, при 1300о С - ≥ 25% Cr и ≥5% Al. Стали, легированные Cr и Si называются сильхромами, легированные Cr и Al – хромалями, легированные Cr, Al и Si- сильхромалями.  Таблица 3.4

Применение жаростойких сталей (ГОСТ10994-74).

п/п

  

   Марка

Рабочая

температура

       о С

Назначение

1

2

3

4

 1

 40Х9С2

 Х20Н80

 

 600- 650

1000- 1100

Электронагреватели печей.

 

2

 Х13Ю4

 900- 950

Клапаны выпуска                        ДВС, трубы рекуператоров, теплообменники, колосники.

1

2

3

4

3

 15Х25Т

 800- 1000

Малонагруженные детали печей, чехлы термопар, теплообменники, трубы пиролизных установок, электроды свечей.

 4

 20Х23Н18

 950- 1050

Муфели, ролики рольгангов, подовые плиты, трубы для пиролиза метана, пирометрические  трубки.

 5

 Х23Ю5Т

1350- 1400

Электронагреватели печей, газопроводы, камеры сгорания химических установок.

Жаропрочные стали. Жаропрочностью называется способность сталей сопротивляться деформации и разрушению в области высоких температур. Перлитные, мартенситные и аустенитные жаропрочные стали используются при температурах 450 – 700о С и по масштабам применения занимают ведущее место. При температурах 700 – 1000о С применяются никелевые сплавы, при более высоких температурах применяются кобальтовые сплавы, тугоплавкие металлы, специальная керамика, графит.Перлитные стали предназначены для длительной эксплуатации при температурах 450 -580оС и используются в котлостроении. Обычно это низкоуглеродистые (0,08-0,15%С) стали, легированные Mo, Cr, V. Оптимальной термической обработкой является нормализация с температуры Т=1000оС и последующим  высоким (650 – 700о С) отпуском. Перлитные стали пластичны в холодном состоянии, удовлетворительно свариваются и обрабатываются резанием.Мартенситные стали предназначены  для изделий, работающих при температуре 450-600оС. Повышенная по сравнению с перлитными сталями жаропрочность у мартенситных сталей достигается либо при низком (0.10-0.15% ) содержания С и легированием  Cr 10-12%, Mo, V, W, Nb,  либо средним 0,4% содержанием углерода и легированием Si = 2-3%  и Cr =5-10% , так называемые сильхромы. Сильхромы используются для изготовления клапанов двигателей, крепежных деталей и т.д.Аустенитные стали самые жаропрочные и используются при температурах более 600 ºС .Основные легирующие элементы  - хром и никель выбирают в количестве, достаточном для получения чисто аустенитной структуры. Для повышения жаропрочности стали легируют элементами Cr, Mo, W, Al , Ti, Nb, которые образуют карбиды. Для изготовления деталей работающих при температуре более 700оС применяются сплавы на никелевой и кобальтовой основе. Сплавы с содержанием  никеля более 50% называются нимоники. Сталь ХН77ТЮР работает длительно при температуре 850оС. При температурах выше 1000-1400оС применяются тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, ниобий и тантал.Таблица 3.5

Применение жаропрочных сталей (ГОСТ5632-72).

                                                                                                                                                                                                                              

                        

Марка

стали.

     Рабочая

температура, оС

                                  Назначение

1.

30Х13Н7С2

        900

Клапаны тракторов и ДВС средней мощности.

2.

Х6С

        700

Клапаны легковых машин

3.

15 ХМ

        550

Котлостроение: трубы пароперегревателей и т. д.

4.

12Х12ВНМФ

       600                       

Котлостроение: лопатки паровых турбин и т. д.

5.

40ХН2МА

        500

Крепежные детали котлов.

6.

ХН 78Т

        700

Жаровые трубы и камеры сгорания турбин.

7.

ХН70ВМТЮ

        900

Лопатки газовых турбин.

Криогенные стали.Криогенные стали обладают достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требования высокой коррозионной стойкости. В качестве криогенных сталей применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, не склонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих при температуре до – 196оС, используют стали с 6-7 % никеля  (OH6A) и 8,5-9 ,5 % Ni (OH9A) , обладающие низким порогом хладноломкости. Из этих сталей изготавливают цилиндрические или сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже-- 196оС.

Сталь 10Х14Г14Н4Т имеет:σb= 620МПа , σ02= 280МПа , δ = 45%, 60%