
- •4. Характеристики решіток
- •Глава і. Металознавство - наука про метали і методи дослідження металів
- •Глава 2. Характеристики металічного стану
- •Що таке метали?
- •Типи зв'язку в металах і неметалах
- •Кристалічна будова металів
- •Гис. 5. Зображення атомів в об’ємі кристалічної решітки металів.
- •Кристалографічні позначення атомних площин і напрямків
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 3. Недосконалості кристалічної будови
- •Точкові дефекти
- •Металів
- •Реальна міцність металів
- •3. Плоскі поверхневі й об'ємні дефекти
- •Глава 5. Кристалізація металів
- •Будова рідкого металу
- •Гомогенна (самодовільна) кристалізація
- •Вплив ступеня переохолодження (швидкості охолодження) на величину зерна металу після кристалізації
- •Гетерогенна кристалізація і вплив умов твердіння на формування кристалів
- •Поліморфні та магнітні перетворення в металах
- •Глава 6. Пластична деформація, рекристалізація. Структура і властивості деформованих і рекристалізованих металів. Руйнування металів
- •Фізичне уявлення про деформацію і зміцнення металів і сплавів. Явище наклепу.
- •Рекристалізації.
- •Гис. 55. Залежність величини зерна після збиральної рекристалізації: а) від температури нагріву; б) від часу витримки; в) від величини попередньої деформації.
- •Гаряча й тепла деформації
- •В'язке й крихке руйнування металів
- •І’ис. 60. Схематичний вигляд поверхні руйнування : а) в’язке; б) крихке.
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 7. Механічні властивості металів і методи їх визначення
- •Загальні механічні властивості
- •Випробування на розтягування, стискання і згинання
- •Випробування на твердість
- •Випробування на ударну в'язкість
- •Критерії довговічності
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 8. Теорія сплавів
- •Поняття про сплави, компоненти, системи. Фази і . Іруктури в металічних системах
- •Тверді розчини
- •Хімічні сполуки (проміжні фази)
- •Основні типи простіших діаграм стану двокомпонентних систем. Аналіз структури і властивостей сплавів
- •Побудова діаграм стану двокомпонентних систем. Правило фаз. Правило відрізків.
- •Діаграма стану, коли обидва компонента утворюють необмежені розчини як в рідкому так і в твердому станах
- •Гне 87. Двокомпонентна система з необмеженою розчинністю як в рідкому, так і в твердому стані: а) діаграма; б) крива охолодження сплаву “X”; в) схеми мікроструктур.
- •Діаграми стану, коли обидва компонента утворюють необмежені рідкі розчини і обмежено розчиняються в твердому пані
- •І'ис. 90. Системи з обмеженою розчинністю в твердому стані і утворенням евтектики: а) фазова діаграма; 61 крива охолодження сплаву “X”.
- •Рнс. 93. Діаграма з евтектикою без розчинності компонентів в і иердому стані і крива охолодження доевтектичного сплаву.
- •Сполука АтВп.
- •Діаграми стану систем з необмеженою розчинністю компонентів у рідкому стані і проміжними фазами (хімічними сполуками)
- •Діаграми стану систем з моноваріаіітноіо рівновагою твердих розчинів на основі поліморфних модифікацій компонентів.
- •Системи з обмеженою розчинністю компонентів у рідкому стані (монотеїстичного типу)
- •Вагою).
- •Зв'язок між типом діаграм і характером зміни властивостей сплавів
- •Запитання для самоперевірки
- •Структура сплавів при нерівноважній кристалізації
- •І’ис. 108. Зерна а-твердого розчину (схема): п) після прискореного охолодження (дендритна ліквація); б) ті ж зерна після дифузійного відпалу.
- •Форма кристалів (зерен)
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 10. Процеси первинної кристалізації металу при зварюванні
- •Особливості будови зварних з'єднань
- •Особливості утворення і росту кристалів при зварюванні
- •Гін і 12. Формування кристалітів зварного шва іііі оплавлених зернах пришовної зони: 1-метал шва; 2-лінія сплавлення; 3-зона термічного впливу; 4-основний метал.
- •Ліквація в зварних швах і фізична неоднорідність металу шва
- •Гпс. 118. Шарувата неоднорідність зварних швів (схема). Вміст ліквіруюних домішок: 1- найвищий; 2-середній; 3- понижений.
- •Утворення гарячих тріщим в зварних швах
- •Металургійні методи регулювання первинної структури зварних швів
- •Запитання для самоперевірки
- •Вуглець
- •Діаграма стану Ре-с. Кристалізація сплавів і їх класифікація
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 2. Відпал першого роду
- •Дорекристалізаційний і рекристалізаційний відпали
- •Глава 3. Відпал другого роду
- •Р Тві/х ис. 154. Криві початку перетворення переохолодженої фази: 1 - в ізотермічних умовах; 2 - при безперервному охолодженні.
- •Види загартування
- •Загартування без поліморфного перетворення
- •Глава 5. Старіння й відпускання
- •Розбіжності в поняттях старіння й відпускання
- •Структурні зміни при старінні
- •Змінений властивостей при старінні
- •Вибір режиму старіння
- •Запитання для самоперевірки
- •Частина III. Термічна обробка сталей і зварних з'єднань
- •Глава 1. Критичні точки в сталях і класифікація основних видів перетворень
- •Глава 2. Перетворення в сталі при нагріві (утворення аустеніту)
- •Механізм і кінетика аустенізації
- •Ріст зерна аустеніту
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 3. Перетворення в сталі під час повільного охолодження (перетворення аустеніту в перліт)
- •Глава 4. Перетворення аустеніту під час швидкого охолодження сталей
- •І’ис. 180. Субструктура мартенситних кристалів при вивченні в електронному мікроскопі “на просвіт”, ч20000. Пластини мартенситу складаються з великої кількості близько розташованих двійників.
- •Властивості сталей і сплавів після загартування на мартенсит
- •Еретворення аустеніту під час безперервного охолодження. Діаграми неізотермічного (термокінетичного) розпаду аустеніту
- •Відстань від торця, що охолоджується, мм Рис. 191. Смуга прогартовуваності сталі 40.
- •Глава 5. Відпускання сталей
- •Структурні зміни при відпусканні сталей
- •Мікроструктура і механічні властивості сталей після підпускання. Види відпускання і їх призначення
- •Глава 6. Технологія термічної обробки сталей
- •Види гартувань сталей, їх призначення і технологічні параметри
- •Вибір температур гартування «
- •І’кс. 202. Твердість сталі в залежності від вмісту вуглецю і температури гартування: 1- нагрів вище Ас3 (Аст); 2-нагрів вище тільки Асі (770°с); 3-мікротвердість мартенситу (а. П. Гуляєв).
- •Тривалість нагріву і вибір середовища нагріву при гартуванні
- •Охолоджуючі середовища для загартування
- •Внутрішні напруження в загартованих сталях
- •Способи загартування
- •І циліндричної деталі при поверхневому гартуванні з нагрівом свч: 1-індуктор; 2- деталь.
- •Зв'язок мікроструктури зварного з'єднання з діаграмою с гану залізо - цементит
- •Металу.
- •Гне. 218. Вплив ступеня переохолодження нижче рівноважної температури а| на зміну складу евтектоїда вуглецевих сталей.
- •Діаграми неізотермічного перетворення аустеніту для умов зварювання
- •Холодні тріщини в зварних з'єднаннях
- •Глава 8. Термічна обробка зварних з'єднань
- •Роль термічної обробки в забезпеченні надійності зварних конструкцій
- •Основні види термічної обробки зварних з'єднань
- •Конструкцій.
- •Глава 9. Зварюваність сталей і сплавів
- •Частина IV. Конструкційні сталі і сплави та їх зварюваність
- •Глава 1. Вуглецеві конструкційні сталі
- •Вплив вуглецю і домішок па структуру, властивості і застосування вуглецевих сталей
- •І СтЗсп
- •Зварюваність вуглецевих конструкційних сталей
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава 2. Основи легування конструкційних сталей і сплавів
- •Розвиток сучасної промисловості і загальні вимоги до конструкційних матеріалів
- •Легуючі елементи в сталях
- •Вплив легуючих елементів на поліморфізм заліза і властивості фериту і аустеніту
- •Карбідна фаза в легованих сталях
- •Інтерметалічні сполуки
- •Вплив легуючих елементів на перетворення в сталях
- •Класифікація легованих сталей за якістю
- •Класифікація легованих сталей за структурою у рівноважному стані
- •Класифікація легованих сталей за структурою у нормалізованому стані
- •Запитання для самоперевірки
- •Глава з, конструкційні леговані сталі загального призначення
- •Основні легуючі елементи конструкційних сталей і мета їх введення
- •Будівельні і трубні леговані сталі
- •Особливості зварювання низьковуглецевих легованих і і ллей загального призначення
- •Особливості зварювання середньовуглецевих легованих сталей та їх термічна обробка
- •Мартенситно-старіючі високоміцні сталі
- •Високоміцні сталі з високою пластичністю (твір- сталі)
- •Зносостійкі сталі
- •Запитаним для самоперевірки
- •Глава 4. Конструкційні леговані сталі і сплави з особливими властивостями
- •Корозостінкі сталі
- •Види корозії металів
- •Високохромисті нержавіючі і кислототривкі сталі
- •Особливості процесів структуроутворення зварних з'єднань високохромистих сталей і їх термічна обробка
- •Високохромисті нержавіючі сталі аустенітно-мартсм ситного класу та їх зварюваність
- •Хромонікелеві корозостійкі сталі й сплави. Хімічний склад,структура, властивості
- •Вплив процесів зварювання на структуру хромонікелевих корозостіііких сталей
- •Жаростійкі сталі й сплави
- •Особливі властивості, хімічний склад і мікроструктура
- •Особливості зварювання жаростійких сталей
- •Жароміцні сталі й сплави
- •Теоретичні основи жароміцності і класифікація жароміцних сталей і сплавів
- •Теплостійкі сталі перлітного класу. Загальна характеристика, структура і термічна обробка
- •"Турбоатома").
- •Особливості структуроутворення в зварних з'єднаннях теплостійких сталей
- •Вибір режимів термічної обробкзі зварних виробів з теплостійких сталей
- •Технологічних зварних проб із сталі 15x1 міф (в. М. ЗсмзініР. 3. Шрон): •-тріщини; о-тріщин немає.
- •Жароміцні сталі мартенситно-феритного і мартеисит- ііого класів. Класифікація, мікроструктура і термічна обробка
- •Особливості структуроутворення при зварюванні жароміцних сталей мартсіїситіїо-феритного і маргеиситіїого класів і їх термообробка
- •Зварюваність жароміцних аустенітних сталей і сплавів на нікелевій основі
- •Предметний покажчик
- •4 Лінійні дефекти
- •60 Щільність дислокацій
- •7 Вуглецеві сталі, їх структура, класифікація і маркування
- •8 Пороки макро- і мікроструктури сталей
- •9 Відпал, що зменшує напружений
- •10 Методи визначення зерна в сталі
- •11 Бейпітне перетворення
- •13 Термомеханічна обробка сталей (тмо)
- •14 Поверхневе гартування сталей
- •15В середині марки сталі.
- •17 Сталі для кріогенної техніки
Особливості зварювання низьковуглецевих легованих і і ллей загального призначення
Низьколеговані низьковуглецеві сталі за зварюваністю мало відрізняються від нелегованих низьковуглецевих сталей. Однак ле- і уючі елементи негативно впливають на зварюваність. Вони знижують теплопровідність і збільшують коефіцієнт об'ємного розширення сталей, що сприяє перегріву пришовної зони і появі в ній шачних напружень. Тому під час зварювання легованих сталей в пришовних зонах виникає схильність до росту зерна, і з'являються умови для утворення після охолодження нерівноважних структур загартування (бейніту, мартенситу). В результаті цього знижується пластичність, підвищується твердість, крихкість, що в деяких випадках призводить до утворення тріщин.
Труднощі зварювання легованих сталей полягають в тому, що метал шва теж має підвищену схильність до утворення тріщин. Обумовлено це тим, що під час зварювання неминучим стає легування металу шва домішками, які містяться в основному металі.
Вуглець також негативно впливає на зварюваність низьколегованих сталей. Він підвищує чутливість сталі до перегріву і гарту, тобто підвищує міцність, знижує пластичність і в’язкість зварного з’єднання. В звичайних умовах зварювання вуглець сприяє утворенню гарячих тріщин як в самому шві, так і в зоні термічного впливу.
В сучасних низьколегованих сталях вміст вуглецю знаходиться в межах 0,09-0,17%. В деяких сталях, особливо комплексно- легованих, вміст вуглецю не повинен перевищувати 0,12-0,14%.
Вказані особливості легованих сталей помітно проявляються після всіх видів дугового зварювання. Тому під час зварювання, наприклад, сталей типу 10ХСНД, використовують спеціальні креми ієвомарганцевисті і хромомарганцевокремністі дроти з низьким вмістом вуглецю (до 0,08%). При цьому забезпечується рівноміц- ність і висока пластичність зварних швів.
Під час електрошлакового зварювання низьколегованих сталей швидкість охолодження значно повільніша, що зменшує ризик
появи гарячих і холодних тріщин. З цієї точки зору електрошлакове зварювання являється більш прийнятним способом зварювання легованих сталей. Але крихкість зварного з'єднання посилюється через сильне зростання зерна в пришовній зоні і утворення грубої орієнтованої кристалічної структури в самому шві.
Більшість низьколегованих сталей (12Г2СД, 14ХГС, 10ХСНД, 17ГС, 09Г2СД) поставляються у гарячекатаному стані і після зварювання не підлягають термічній обробці. Серед низьковуглецевих низьколегованих сталей є й такі, які відносяться до високоміцних (14Х2ГМР, 14ХМВДФР, 16Г2АФД, 12ХГ2СМФ) і зміцнюються як до зварювання, так і після нього термічною обробкою. Для таких сталей поряд з високою міцністю (ов>800МПа) характерні достатня пластичність, в'язкість, підвищений опір крихким руйнуванням, корозійна стійкість тощо. Термічна обробка таких сталей полягає в гартуванні і відпусканні.
Але зварюваність високоміцних сталей знижується через те, що вони схильні до загартування в зоні термічного впливу (в зв'язку з цим виникає небезпека утворення холодних тріщин). Крім того, якщо зварюються сталі, попередньо зміцнені термічною обробкою, то в ЗТВ на певній відстані від межі сплавлення, де температура нагріву (500...Асі)°С, з'являється ділянка із зниженою міцністю і
т
Рис. 248. Зниження твердості в ЗТВ після зварювання сталей, що були зміцнені попередньою термообробкою: 1 - сталь 14ХМНДФР (ц„=8000 кал/см);
- сталь 15ХСНД (ц„=7500 кал/см);
- сталь 15 ХНД (ц„=1200 кал/см)
Однак, утворений в ЗТВ низьковуглецевий мартенсит або бейніт не викликає великих напружень, до того ж ці струк-
• урн виникають при відносно високих температурах (>350°С), а тн ім відпускаються під час охолодження.
Іншу небезпеку завдає дифундуючий зі шва водень, який накопичується вздовж меж зерен пришовної зони. В цих місцях виникають великі додаткові напруження, що в кінцевому результаті може призвести до руйнування зварного з’єднання поблизу межі і плавлення.
Зменшення швидкості охолодження в пришовній зоні, як і засоби по зниженню кількості розчиненого в металі зварювальної ванни водню, дозволяють одержати стійкий у відношенні до холодних і рицин метал.
Останнім часом велику увагу приділяють дослідженням ишрюванодті холодостійких сталей бейнітно-мартенситного класу.
Вони відносяться до комплекснолегованих низьковуглецевих високоміцних сталей (оо.2=690-885МПа), наприклад 14Х2ГМР, І4ХГН2МДАФБ.
Службові
властивості зварних з'єднань таких
сталей в значній мірі визначаються
структурою зони термічного впливу, де
можливе утворення холодних тріщин.
Аналіз неізотермічних діаграм пере-
мюрспня аустеніту цих сталей та
металографічні методи дослідження
показують, що при швидкостях охолодження
\¥6/5=(2..20)°С/с,
які є типовими для дугового зварювання
плавленням, в пришовній зоні формується
мартенситно-бейнітна структура. При
цьому охолодження при \У6/5<3°С/с
призводить до утворення структури з
переважною кількістю бейніту (до 60-70%);
після охолодження при ^,л=(3-12)°С/с кількість
бейніту зменшується до 40%; після
\Уб/5>(10-13)°С/с утворюється переважно
мартенситна структура. З метою зменшення
кількості мартенситної складової
рекомендується проводити попередній
підігрів, але він не повинен перевищувати
І„ 130-150°С для сталей з X А1, V, N6
<0,18%, а для сталей з більшим загальним
вмістом карбідо- та нітридоутворюючих
елементів (,|=80-100°С. Це пояснюється тим,
що підігрів може сприяти виділенню
вторинних карбонітридних фаз на межах
структурних складових і отаким чином
сприяти процесу старіння. Супутній
підігрів сталей з X А1, V, N5 >0,09% призводить
до зменшення опірності зварних з'єднань
утворенню холодних тріщин. Метал швів
зварних з'єднань високоміцних сталей
повинен мати рівнозначні основному
металу показники міцності (ові
о0,2)
і відзначатися високим
опором уповільненому та крихкому руйнуванню. Ці вимоги поши рюються на головні способи дугового зварювання (ручне дугове, механізоване в захисних газах та під флюсом).
Принцип легування зварних швів складається з комплексного введення в зварювальну ванну невеликої кількості Мп, Сг, Мо, V іа № при обмеженій кількості вуглецю.
Досягнення властивостей металу швів на рівні основного металу може бути здійснено при використанні систем легування 08ХН2ГМ, 08ХНЗГМ, 08ХНГЗМ. При цьому підвищення холодо стійкості швів відбувається, якщо проводяться металургійні засоби зниження вмісту шкідливих домішок та мікролегування рідкозс мельними металами (РЗМ). Велике значення має регулювання про цесів структуроутворення в ЗТВ шляхом вдосконалення режимів та умов зварювання.
Машинобудівні низько- та середньовуглецеві леговані
сталі
Для виготовлення рушійних деталей, які використовуються, насамперед, в автомобільному і тракторному машинобудуванні, застосовуються сталі низьковуглецеві (що цементуються) і середньовуглецеві (що поліпшуються) нормальної та підвищеної міцності. До їх складу входить, як правило, не більше 5% легуючих елементів, насамперед таких, як Сг, Мп, Зі, №, Ті, Мо.
Хімічний склад деяких таких сталей приведено в таблиці 18.
Сталями, що цементуються, називають сталі, з яких виготовляють деталі машин (шестерні, зубчасті колеса, кулачкові валики). Вони працюють в умовах тертя і потребують насичення поверхні сталі вуглецем з метою підвищення її твердості до НКС 58-63. Одночасно серцевина зубців повинна бути стійкою до впливу циклічних і ударних навантажень, тобто бути одночасно міцною і в'язкою. Після того, як в результаті цементації або нітроцементації на поверхні сталі утворюється шар достатньої глибини з вмістом вуглецю 0,8-1,2%, деталі підлягають об'ємному загартуванню і низькому відпусканню (таблиця 19). Після такої термічної обробки серцевина має структуру низьковуглецевого мартенситу або бейніту (в залежності від складу сталі), що забезпечує їй підвищені характеристики міцності в поєднанні з доброю пластичністю,
и'и ікістю, малою вразливістю до надрізів і високим опором І ю тішенню в'язкої тріщини.
Благоприйнятне поєднання міцності, пластичності і в'язкості, а іикож висока холодостійкість (поріг холодноламкості знаходиться в о(інисті від’ємних температур) обумовлюють інколи застосування низьковуглецевих легованих сталей для деталей, які не підлягають поверхневому зміцненню.
Всі сталі, що цементуються (таблиця 18) за структурою підносяться до перлітного класу, окрім 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА), яка підноситься до мартенситного класу.
Низьколеговані сталі з хромом (20Х, 18ХГТ, 20ХГР) пмняються сталями нормальної міцності, мають невелику прогарто- нупаність, і їх застосовують для виробів невеликих перерізів (до .’5мм) і нескладної конфігурації.
Хромонікелеві сталі 12ХНЗА, 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А застосовують для крупних деталей відповідального призначення. Після загартування в маслі такі сталі в перерізі до 100мм мають і груктуру низьковуглецевого мартенситу в суміші з нижнім бейнітом, яка забезпечує поєднання високої міцності і в'язкості.
Найбільш високі механічні і експлуатаційні властивості мають хромонікелеві сталі з молібденом або вольфрамом (18Х2Н4МА, І8Х2Н4ВА). Вироби з таких сталей в перерізі до 150-200мм мгартовуються під час охолодження на повітрі, що зменшує жолоблення до мінімуму. Поріг холодноламкості цих сталей лежить в районі температури -80°С. їх застосовують для виготовлення потужних деталей відповідального призначення (крупногабаритних ведучих інсстерен, валів тощо).
Хромонікелеві сталі (через присутність в них дорогих легуючих елементів №, Мо, \¥) в автомобільній і тракторній промисловості майже не використовуються. Замість них використовують хромомарганцеві сталі 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГР, 25ХГМ та інші. Порівняно з хромонікелевими вони мають меншу в'язкість. Введення невеликої кількості Ті, Мо утворює тугоплавкі карбіди (ТіС, М02С), які зменшують схильність цих сталей до перегрівання. В наш час також застосовуються нові марки сталей, які мають глибоку прогартовуваність, дрібне зерно, підвищену міцність і високу ударну в'язкість (20ХГНМ, 19ХГН, 14ХГН, 25ХГНМАЮ).
Марка сталі |
С |
Мп |
Зі |
Сг |
N1 |
Мо |
ІНШІ елементи |
Таблиця
18. Хімічний
склад легованих конструкційшп сталей
(ГОСТ 4543- 74*), %
20Х |
0,17-0,23 |
0,5-0,8 |
... |
07,-1,0 |
|
|
|
18ХГТ |
0,17-0,23 |
0,8-1,1 |
... |
1,0-1,3 |
|
|
0.03-0.09ТІ |
20ХГР |
0,18-0,24 |
0,7-1,0 |
... |
0,75-1,05 |
|
|
В<0,003 |
25ХГТ |
0,22-0,29 |
0,8-1,1 |
... |
1,0-1,3 |
|
|
|
25ХГМ |
0,23-0,29 |
0,9-1,2 |
... |
0,9-1,2 |
|
0,2-0,3 |
|
12ХНЗА |
0,09-0,16 |
0,3-0,6 |
... |
0,6-0,9 |
2,75-3,15 |
|
|
12Х2Н4А |
0,09-0,15 |
0,3-0,6 |
... |
1,25-1,65 |
3,25-3,65 |
|
|
(20Х2Н4А) |
0,16-0,22 |
0,9-0,6 |
... |
1,25-1,65 |
3,25-3,65 |
|
|
18Х2Н4МА |
0.14-0,20 |
0,25-0,55 |
... |
1,35-1,65 |
4,0-4,4 |
0,3-0,4 |
|
(18Х2Н4ВА) |
|
|
... |
|
|
|
(0,8-1,2\У) |
20ХНЗА |
0,17-0,24 |
|
... |
0,6-0,9 |
2,75-3,15 |
|
|
Низьковуглецеві
сталі, що цементуються
Середньовуглецеві
сталі, що поліпшуються
ЗОХ
0,24-0,32
0,5-0,8
...
0,8-1,1
40Х
0,36-0,44
0,5-0,8
...
0,8-1.1
40ХФА
0,37-0,44
0,5-0,8
...
0,8-1,1
0,1-0,18
V
40ХГТР
0,38-0.45
0,7-1,0
...
0,8-1,1
0,03-0,09Ті
ЗОХГС
0,28-0,35
0,8-1,1
0,9-1,2
0,8-1,1
В<0,003
40
ХН
0,36-0,44
0,5-0,8
...
0,45-0,75
1,0-1,4
ЗОХНЗА
0,27-0,33
0,3-0,6
...
0,6-0,9
2,75-3,15
40ХН2МА
0,37-0,44
0,5-0,8
...
0,6-0,9
1,25-1,65
0,15-0,25
36Х2Н2МФА
0,33-0,4
0,25-0,5
...
1,3-1,7
1,3-1,7
0,2-0,3
38ХНЗМФА
0,33-0,4
0,25-0,5
...
1,2-1,5
3,0-3,5
0,35-0,45
0,1-0,18V
38Х2МЮА
0,35-0,42
...
1,35-1,65
0,15-0,25
0,7-1,1АІ
Таблиця
19. Режими
термічної обробки і механічні н і
мстивості сталей, що цементуються
(нітроцементуються, І ОСТ 4543- 74)
Сталь
Термообробка
Механічні
властивості
Присто
сування
для
деталей
з максимальним робочим перерізом,
мм.
Загартування,
Ін,°С,
охолодж.
Відпускан-
ня, Іц.°С, охолодж
<7„
1 а<).2
5
| ф
КСГІ
МПа
%
МДж/м2
20Х
880;в.м.
770-820;
в.м.
180;
пов.,м.
800
650
11
40
0,6
35
І8ХГТ
20ХГР
880-950;
пов.
870-880;
м.
200;
пов.,м.
1000
1000
900
800
9
9
50
50
0,8
0,8
35
40-60
25ХГТ
25ХГМ
880-950;
пов.
850-860;
м.
200;
пов.,м.
200;
пов.
1300...1500;
1200
1000...1100;
1100
9-10
10
45-50
45
0,6-0,7
0,8
60-80
60-80
І2ХНЗА
860;
пов.
760-810;
м.
180;
пов.,м.
950
700
11
55
0,9
60-80
І2Х2Н4А
(20Х2Н4А)
860;
м.
760;
м.
180;
пов.,м.
1150
950
10
50
0,9
100-120
ІХХ2Н4МА
(ІХХ2Н4ВА)
950;
пов.
860;
пов.
200;
иов.,м.
1150
850
12
50
1,0
120
і більше
*/- перше загартування; 2- друге загартування; в.-вода; м.- масло; пов,- повітря.
В такі сталі для підвищення прогартовуваності і міцності вводять нікель (0,8-1,1%). Як показує досвід, ресурс роботи агрегатів автомобілей, тракторів і вугільних комбайнів, виготовлених з цих сталей, значно зростає. Слід відмітити, що деталі, які цементуються, не підлягають зварюванню.
Багато деталей машин (вали, колінчасті вали, осі, штоки, шатуни, відповідальні деталі турбін і компресорних машин) виготовляють з легованих середньовуглецевих сталей (0,3-0,5% С), які називають політиуємими. Легують ці сталі такими елементами, як
Сг, Мп, 8і, N1, Мо, \У. В сумі їх повинно бути не більше 3-5%, в тому числі близько 0,1 % таких, що подрібнюють зерно (V, Ті, N6, 2г). Термічна обробка поліпшуємих сталей складається із загартування від 1Н=820-880°С (в залежності від складу) в маслі і високого відпускання при 550-680°С. Після такої термообробки структура сталі - зернистий сорбіт, а сама термообробка називається поліпшенням. В таблиці 18 приведені марки поліпшуємих сталей, їх хімічний склад, а в таблиці 20 - режими термообробки і механічні властивості (останні визначаються на контрольних зразках діаметром 25 мм).
Під час вибору марки сталі, окрім границі текучості (00.2), ударної в'язкості, чутливості до надрізів, важливе значення мають також температури верхнього і нижнього порогів холодноламкості, опір втомленості. При цьому велике значення мають глибина прогартовуваності сталі, величина зерна і відсутність схильності до відпускної крихкості II роду.
Високе відпускання після наскрізного гарту заготівок призводить до утворення зернистого сорбіту по всьому перерізу, що забезпечує їм найкращі механічні властивості, особливо великий опір крихкому руйнуванню - низькій поріг холодноламкості, високі значення роботи розвитку тріщин КСТ і в'язкості руйнування К-іс (тріщиностійкості). Для поліпшених легованих сталей, як правило, К-іс«250 МПа-мІ/2, а для сталей з нікелем і молібденом - К-1с~300- 350 МПа-мІ/2.
Критеріями вибору марки сталі, перш за все, слід вважати:
розмір (діаметр перерізу) заготівки; 2) рівень характеристик міцності після відпуска; 3) наявність концентраторів напружень і динамічних навантажень, що визначає необхідність вибору марки сталі, яка містить легуючі елементи, що знижують температуру переходу до крихкого стану (нікель) або відзначається підвищеною чистотою.
Від присутності тих чи інших елементів залежить і призначення поліпшуємих сталей, а самі сталі поділяються на декілька груп.
Спочатку слід відмітити групу хромистих сталей ( З ОХ, 38Х, 40Х, 50Х). Вони відносяться до дешевих конструкційних матеріалів. З підвищенням вмісту вуглецю підвищується їх міцність, але знижується пластичність і в'язкість, підвищується поріг холод- інміамкості. Хромисті сталі схильні до відпускної крихкості II роду, і тму після високого відпускання їх треба охолоджувати швидко (у йоді). В зв'язку з невеликою прогартовуваністю (Бкр=15-25 мм) такі палі застосовують для деталей невеликого перерізу.
Хромомарганцеві сталі мають достатньо високі показники міцності і прогартовуваності (наприклад, 40ХГ), але відзначаються низькою в'язкістю, підвищеним порогом холодноламкості (від 20 до 60°С), схильністю до відпускної крихкості і росту зерна аустеніту під час нагрівання. Введення титану забезпечує таким сталям несхильність до перегрівання, а добавки бору сприяють підвищенню прогартовуваності (40ХГТР).
Хромокрелшієвомаргаицеві сталі мають високий комплекс іпіастивостей (як механічних, так і технологічних). Вони називаються хромансилями і широко використовуються в автомобільній промисловості: вали, зварні конструкції, деталі рульового керування. Сталі хромансиль з невеликою кількістю вуглецю застосовують також у вигляді листів і труб для зварних конструкцій.
Середньовуглецеві сталі (30ХГС) піддають поліпшенню або ізотермічному загартуванню на нижній бейніт, після якого сталь одержує особливо високі механічні властивості (ов=1650 МПа, О(),2=1300 МПа, 5=9%, \р=40%, КСІІ=0,4 МДж/м2), а також знижується чутливість до надрізів.
Сталі хромансиль мають дуже суттєві недоліки: вони схильні до відпускної крихкості ІІ-го роду і зневуглецьовуванню під час нагрівання. Критичний діаметр прогартовуваності їх невеликий - 30-40 мм.
Для збільшення прогартовуваності і підвищення в'язкості в сталь хромансиль добавляють 1,4-1,8% № (30ХГСНА), а з метою усунення відпускної крихкості вводять 0,15-0,25%Мо (30ХГСНМА). Такі сталі стають високоміцними і широко використовуються для виготовлення вельми відповідальних деталей, в тому числі і в літакобудуванні (для силових деталей фюзеляжу, шасі тощо).
Для виготовлення відповідальних деталей машин значних перерізів і складної конфігурації застосовують хромонікелеві середньовуглецеві сталі. Нікель забезпечує найбільший запас в'язкості, а в поєднанні з хромом і молібденом - велику прогартовуваність (Окр> 100мм). Нікель, особливо з молібденом, сильно знижує поріг холодноламкості. Чим більше нікелю, тим нижче допустима робоча
Таблиця
20. Режими
термічної обробки і механічні властивості
деяких легованих поліпшуємих сталей
Сталь
Термообробка
Механічні
властивості
Поріг
ХОЛОД-
нолам-
кості
Т50
°С
Застосування
для деталей з максимальним робочим
перерізом, мм
Загартування
(Г°С, середовище охолодження)
Відпускання
((°С, середовище охолодження)
Ов
0(1.2
б
1
У
КСІЇ
МПа
%
МДж/м
ЗОХ
860,
м.
500;
уов., м.
900
700
12
45
0,7
-50
25-35
40Х
860,
м.
500;
пов., м.
1000
800
10
45
0,6
-50
25-35
40ХФА
880,
м.
550;
пов., м.
900
750
10
50
0,9
-60
25-35
40ХГТР
840,
м.
550;
пов., м.
1000
800
11
45
0,8
-20
50-75
ЗОХГС
880,
м.
540;
пов., м.
1100
850
10
45
0,4
-20
50-75
40ХН
820,
м.
550;
пов., м.
1000
800
11
45
0,7
-60
50-75
ЗОХНЗА
820,м.
530;
пов., м.
1000
800
10
50
0,8
-70
75-100
40ХН2МА
850,
м.
620;
пов.
1100
950
12
50
0,8
-80
75-100
16Х2Н2МФА
850,
м.
600;
пов.
1200
1100
12
50
0,8
-80
>100
38ХНЗМФА
850,
м.
600;
пов.
1200
1100
12
50
0.8
-80
>100
38Х2МЮА
850,
м.
600;
пов.
1200
1100
12
50
0,8
-80
>100
Середовище
охолодження:
м. -
масло;
пов. -
повітря.
температура сталі і вище її опір крихкому руйнуванню. У поліпшуємі сталі рекомендується вводити <3%№. Збільшення його призводить до підвищення кількості залишкового аустеніту після загартування сталі.
Для деталей з діаметром перерізу до 70 мм використовують сталі 40ХН, 45ХН і 50ХН, але вони мають ваду - схильність до відпускної крихкості, тому після високого відпускання їх необхідно охолоджувати швидко (в залежності від габаритів - у воді або маслі). Для усунення такого недоліку сталі легують додатково молібденом (40ХН2МА) або вольфрамом. Механічні властивості цих сталей приведені в таблиці 20.
Нерідко в хромонікелеву сталь окрім молібдену (вольфраму) добавляють ванадій, що сприяє утворенню дрібнозернистої струк-
і урн, наприклад: 38ХНЗМФ; 36Х2Н2МФА. Такі сталі мають високу іірої артовуваність (Окр>100-150мм), відзначаються високою міцністю, пластичністю і в'язкістю, а також низьким порогом холод- іюііамкості (Т50= -80...-100°С). Молібден, присутній в сталях, підвищу! теплостійкість, тому їх можна використовувати при температурах 400-450°С.
Загальними недоліками хромонікелевомолібденованадієвих і і алей являються: висока ціна, труднощі обробки різанням і велика схильність до утворення дрібних флокенів. Якщо знаходять флокени пише в одній заготівці, то бракують усю плавку. Тому, як правило, вся партія заготівок підлягає протифлокеновій обробці - багатора- ювому нагріванню до температур 640-680°С. Такі сталі застосовують для виготовлення найбільш відповідальних деталей турбін, компресорних машин, для яких потрібен матеріал особливої міцності у великих перерізах.
Високоміцний стан можна одержати в легованих сталях після ^гартування і низького відпускання при 250-300°С. Велику роль у підвищенні міцності грає вуглець. Так, підвищення вуглецю в легованих сталях до 0,4-0,45% може забезпечити границю міцності овдо 2400 МПа. Але структура низьковідпущеного мартенситу схильна до крихкого руйнування.
Високоміцний стан в поєднанні з достатньо високим опором крихкому руйнуванню можна одержати в комплексіюлегованих сталях. Для того, щоб одержати в цих сталях необхідний запас в'язкості, підбирають раціональний склад сталі, легуючи її такими елементами і в таких дозах, щоб підвищувалась пластичність, знижувався температурний поріг холодноламкості, зменшувався розмір зерна. Важливу роль має очищення сталей від шкідливих домішок, що проводиться металургійними засобами. До високоміцних сталей відносяться марки 40ХГСНЗВА; 40ХН2СМА; 30Х2ГСН2ВМ; 30Х5МСФА; 45ХНЗМФА.
Підвищення в'язкості досягається легуванням нікелем (1,5- 3%). Чим більше його в сталі, тим нижчий поріг холодноламкості і більший допустимий рівень міцності. Разом з тим вводять невелику кількість кремнію, молібдену, вольфраму, ванадію. Ці елементи зменшують розміцнення мартенситу під час відпускання, що дозволяє трохи підвищити температуру відпускання і повніше зняти внутрішні напруження. Сильні карбідотвірні елементи (Мо, \¥, V) необхідні також для подрібнення зерна аустеніту. Хром і марганець підвищують прогартовуваність сталі.
Комплекснолеговані сталі мають підвищений вміст карбідо- твірних елементів (Сг<5%; Мо, XV, V) і можуть зміцнюватись після високого відпускання (500-600°С). Під час такого відпускання поп ністю знімаються внутрішні напруження, і виділяються дрібнодисперсні карбіди, тобто відбувається дисперсійне зміцнення - твердіння. В зв'язку з цим сталі називаються вторинно твердіючими. Після високого відпускання границя міцності (св) цих сталей досягає 2000-2250 МПа.
Підвищення міцності середньовуглецевих легованих сталей може бути ще більш ефективним, якщо впроваджувати термомеханічну обробку (ТМО).
В залежності від температури деформації сталі (вище чи нижче температури рекристалізації) відрізняють декілька способів ТМО. Найбільш поширені з них - високотемпературна термомеханічна обробка (ВТМО), і низькотемпературна термомеханічна обробка (НТМО). Механізм зміцнення сталей після цих обробок розглянуто в главі 6 частини III. Слід тільки відмітити, що після цих обробок підвищення міцності поєднується з достатньо високим запасом пластичності і в'язкості.