Учебное пособие 800438

дислокаций и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска (зернистый сорбит), обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

Отпуск при более высоких температурах (близ точки Ас1,) нецелесообразен вследствие чрезмерного роста зерен цементита, так как это приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.

Отжиг

Цель отжига - привести сталь в термодинамически равновесное состояние с минимальной плотностью дислокаций, по возможности низкой твердостью и высокой пластичностью.

Наиболее распространенной разновидностью отжига является обыкновенный отжиг, который производится с целью смягчить сталь перед механической обработкой и подготовить ее структуру к окончательной обработке, состоящей из закалки и отпуска. Этому отжигу подвергаются имеющие неблагоприятную грубозернистую структуру литые заготовки, а также заготовки, прошедшие ковку, штамповку и другие виды обработки давлением, также нуждающиеся в исправлении структуры.

В ряде случаев, когда получающиеся после отжига свойства обеспечивают долголетнюю службу детали, он оказывается окончательным видом термообработки. При обыкновенном отжиге сталь нагревается до температуры на 30...50 °С

61

выше линии GSK диаграммы Fe-Fe3C, выдерживается при этой температуре до полного завершения структурно-фазовых превращений и охлаждается с очень малой скоростью (менее 100 °С/ч) в камере печи с отключенными источниками теплоты.

Диффузионный отжиг, или гомогенизация, является разновидностью отжига, применяемого с целью устранения в легированной стали (как и в других сплавах) дендритной ликвации.

При диффузионном отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000…1100 °С и подвергается длительной выдержке (18…24 ч). Для устранения крупнозернистости после гомогенизации производится обыкновенный отжиг, или нормализация.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производится с целью устранения наклепа холоднодеформированного металла.

Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150…250 °С выше температуры рекристаллизации (Тр) обрабатываемого сплава. Это наименьшая температура, необходимая для протекания в наклепанном металле процессов, возвращающих ему исходные (до деформации) значения характеристик механических и других свойств.

Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали производится при температуре нагрева в пределах 600…700 °С.

Нормализация. Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева на 30…50° выше линии GSE диаграммы Fe-Fe3C, и охлаждение на спокойном воздухе. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05...0,25% С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельчение зерна у литых и кованых заготовок.

62

Нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение данной сетки у заэвтектоидных сталей.

1.7.8. Классификация углеродистых сталей

Углеродистые стали классифицируют по содержанию углерода, структуре в равновесном состоянии, назначению, качеству, степени раскисления [1-3].

По содержанию углерода стали подразделяются на низко углеродистые (< 0,3 %С), среднеуглеродистые (0,3..0,7 %С) и высокоуглеродистые (> 0,7 %С).

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита и заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

По назначению стали классифицируют на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали представляют наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. К этим сталям относят цементуемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные. Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента, штампов холодного и горячего (до 200 °С) деформирования.

По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается совокупность свойств, определяемых ме-

63

таллургическим процессом ее производства. Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07% Р, качественные — не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные — не более 0,025% S и 0,025% Р.

Стали обыкновенного качества бывают только углеродистыми (до 0,5% С), качественные и высококачественные — углеродистыми и легированными.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие. Раскисление — процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый с целью предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное содержание кислорода, который при затвердевании частично взаимодействует с углеродом и удаляется в виде СО. Выделение пузырьков СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название.

Кипящие стали достаточно дешевые, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07%), но с повышенным количеством газовых примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

Легированные стали производят спокойными, углеродистые — спокойными, полуспокойными и кипящими.

По структуре в равновесном состоянии стали делятся на: доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и перлит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита и заэвтектоидные, имеющие в структуре перлит и цементит вторичный.

64

1.7.9.Углеродистые стали, применяемые

вавиастроении

Углеродистые стали поступают на заводы в виде листов, лент, проволоки, прутков, поковок и труб [6,7].

Малоуглеродистые стали (10А, 20А и др.), содержащие до 0,25% углерода, применяются в тех случаях, когда сталь должна подвергаться значительным пластическим деформациям — гибу, выколотке, высадке, холодной штамповке, отбортовке и т. д. Это детали электромагнитных механизмов, сварные узлы, косынки, штампованные детали с невысокой прочностью, шайбы, прокладки, трубчатые заклепки, винты и др.

Детали, изготавливаемые из малоуглеродистых (до 0,25% С) сталей, ставятся на самолет без какой-либо упрочняющей термической обработки.

Проволока из малоуглеродистой стали применяется для изготовления заклепок и высадных болтов Малоуглеродистые стали хорошо свариваются, причем чем ниже содержание углерода, тем лучше свариваемость.

Среднеуглеродистые стали (35, 45, 45А и др.) в авиастроении применяются для механически обрабатываемых деталей сравнительно малой прочности (болты, гайки, винты, шайбы, шпильки, заглушки и др.). Детали, изготовленные из сталей 35 и 45, подвергаются термической обработке. Из стали 45А изготовляют ленты-расчалки, валики и муфты к ним. Закалка деталей производится с 840—860° в масле, отпуск при 600—650° должен обеспечить наличие сорбитной структуры.

Высокоуглеродистые стали (70, У8А, У10А и др.) в авиастроении применяются в виде холоднотянутой сильно нагартованной проволоки марок ВС (высокого сопротивления) и ОВС (особо высокого сопротивления), из которых изготовливаются главным образом спиральные

65

пружины, а также ленты для плоских пружин (марки У8 и У9). Температура закалки этих сталей равна 770-790°. Закалочная среда - масло. Отпуск пружин желательно проводить в соляной ванне при температуре 350-420° с выдержкой в течение 5 мин. При термической обработке необходимо избегать обезуглероживания

1.7.10. Стали обыкновенного качества

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380 - 90) выпускают в виде проката (прутки, балки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.) в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали маркируются сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается.

Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается. Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — «сп», полуспокойных — «пс», кипящих — «кп», а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1…Ст6, кипящими — Ст1…Ст4 всех трех групп. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, без указания химического состава.

Сувеличением номера марки прочность увеличивается,

апластичность стали соответственно уменьшается.

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей

66

обработкой. В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом. Пример маркировки: Ст3сп, Ст3пс, Ст3кп.

Сталь марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки давлением и сварки. Химический состав этой группы сталей сильно колеблется. Ее широко применяют в строительстве для изготовления металлоконструкций.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки. Пример маркировки: БСт3, МСт3кп, КСт3пс.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций). В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так как они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Пример маркировки: ВМСт2, ВКСт2.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Эти стали используются, когда работоспособность деталей и конструкций обеспечивается жесткостью. Углеродистые стали обыкновенного качества широко используются в строительстве при изготовлении железобетонных конструкций.

67

1.7.11.Углеродистые качественные стали

Вмашиностроении эти стали используются для изготовления деталей разного, чаще всего неответственного назначения и являются достаточно дешевым материалом. Они имеют более низкое содержание вредных примесей и неметаллических включений, чем стали обыкновенного качества. В промышленность эти стали поставляются в виде проката, поковок, профилей различного назначения с гарантированным химическим составом и механическими свойствами.

Вмашиностроении применяют углеродистые качественные стали, поставляемые по ГОСТ 1050-88. Содержание серы

ифосфора в них допускается в пределах 0,03…0,04% каждого из элементов. Маркируются эти стали двузначными цифрами

05, 08, 10, 15, 20,..., 75, 80, 85, обозначающими среднее со-

держание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20 содержит в среднем 0,20% С, сталь 75 — 0,75% С и т. д.

К углеродистым сталям относят также стали с повышенным содержанием марганца (0,7...1,0%) марок 15Г, 20Г, 25Г,

..., 70Г, имеющих повышенную прокаливаемость (критический диаметр до 25..30 мм).

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексом соответственно «пс» и «кп». Кипящие стали производят марок 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойные — 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.

Качественные стали широко применяются в машиностроении и приборостроении, так как за счет разного содержания углерода в них, а, соответственно, и термической обработки, можно получить широкий диапазон механических и технологических свойств.

68

1.7.12. Автоматные стали

Эти стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора.

Эти стали маркируют буквой А (автоматная) и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС» (AC 14). Чтобы не проявлялась красноломкость, в сталях увеличено количество марганца. Добавление в автоматные стали свинца, селена и теллура позволяет в 2..3 раза сократить расход режущего инструмента.

Однако необходимо помнить, что повышение содержания серы и фосфора снижает качество стали. Стали, содержащие серу, имеют ярко выраженную анизотропию механических свойств и пониженную коррозионную стойкость.

Стали A11, A 12, А20 используют для крепежных деталей и изделий сложной формы, не испытывающих больших нагрузок, но к ним предъявляются высокие требования по точности размеров и чистоты поверхности.

Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие напряжения.

Стали, содержащие свинец, широко применяют для изготовления деталей двигателя.

1.7.13. Углеродистые инструментальные стали

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного инструмента и штампов холодного и горячего деформирования. Основные свойства, которые необходимы для инструмента - износостойкость и теплостойкость. Углеродистые инструментальные стали являются наиболее дешевыми. В основном их применяют для изготовления малоответственного режущего инструмента и для

69

штампово-инструментальной оснастки регламентированного размера.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435-90) производят качественные — (У7, У8, У9,.... У13) и высококачественные —

(У7А, У8А, У9А,..., У13А).

Буква У в марке показывает, что сталь углеродистая, а цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная. Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит. За счет невысокой твердости в состоянии поставки (НВ 187…217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента.

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инструментов с более тонкой режущей кромкой.

Недостатком инструментальных углеродистых сталей является потеря прочности при нагреве выше 200 °С (отсутствие теплостойкости). Инструмент, изготовленный из этих сталей, применяют для обработки сравнительно мягких материалов и при небольших скоростях резания или деформирования.

1.7.14.Легированные стали

Вуглеродистой стали, кроме углерода, содержатся и другие элементы, например марганец, кремний, хром, никель. Но эти элементы содержатся в виде примеси и не вводятся в

углеродистую сталь преднамеренно, они входят в исходные материалы (руды, флюсы и т. п.) или попадают в сталь в процессе ее раскисления. Если же в процессе выплавки углеродистой стали преднамеренно добавить в нее другие элементы, то

70