презентация / к лекции конст. стали
.doc1 Длительную работу изделия обеспечивают технологические, эксплуатационные, экономические требования к изделиям.
Технологичность материала характеризует способность материала резанием, давлением, свариваемостью, прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термообработке. Экономичность характеризует низкую цену (минимальное содержание легирующих элементов, дешевые технологии и т.д.), что важно при массовом производстве.
2 Наличие на поверхности остаточных напряжение сжатия затрудняет образование трещин усталости, способствует увеличению предела выносливости. Резко отрицательное влияние оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений:
- конструктивные – изменение формы детали, галтели, отверстия, канавки, проточки,
- технологические – микронеровности, риски и др. следы механической обработки,
- металлургические – внутренние дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений.
3 Скорость изнашивания и износ зависят от времени. Существует три периода износа: 1 - период приработки, 2 – период установившегося износа, 3 – период катастрофического износа. Износостойкость – это предупреждение катастрофического износа. Материал, устойчивый к изнашиванию в одних услових, может быстро разрушать в других. Износостойкость при заданных условиях трения определяется экспериментальным путем.
Повышение конструкционной прочности: 1 – увеличение плотности дислокаций, что повышает сопротивление пластическому деформированию, 2 – создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, дисперсных вторичных фаз (скользящая дислокация вынуждена останавливаться у границ зерен, т.к. у других зерен другое направление скольжения). Трещина вынуждена менять направление движения при переходе от одного зерна к другому, ее траектория и сопротивление движению увеличивается.
Поверхностное упрочнение – закалка и поверхностное деформирование (обдувка дробью, обкатка роликами).
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и др. констр. надрезов.
Принципиально новый способ достижения высокой конструкционной прочности использован в создании композиционных материалах – новом классе высокопрочных материалов. Они представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон, тормозящих движение дислокаций (армирование).
4 Концентрация углерода в конструкционных сталях достигает до 0,7-0,8%. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали и ее термической обработки. С повышение содержания углерода увеличивается твердость и хрупкость, снижается ударная вязкость, повышается порог хладноломкости, снижается свариваемость и способность деформироваться в горячем и холодном состоянии.
Углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемость резанием и давлением. Недостаток – малая прокаливаемость. Поэтому резонно их закаливать в воде, что вызывает значительные деформации. Крупные детали изготавливают без термообработки, а только в горячекатаном состоянии и нормализации, что увеличивает металлоемкость конструкций.
5 Углеродистые стали обыкновенного качества предназначены для изготовления различных металлоконструкций, слабонагруженных деталей машин и приборов. Преимущество - способность свариваться и обрабатываться давлением. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют стали групп Б, В номеров 1-4 – сварные фермы, рамы. 5,6 – рельсы, жд колеса, валы, шкивы, шестерни и др. детали грузоподъемных и сельхозмашин.
Стали группы А поставляют горячекатаными с гарантируемыми механическими свойствами без термообработки.
Б – с применением ковки, сварки и термообработки.
В – сварные металлоконструкции
6 Стали 30-35 после улучшения – детали небольшого размера с достаточным сопротивлением усталости (шатуны, коленвалы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т.д.). Размер деталей зависит от требований к прокаливаемости. Для деталей, работающих на растяжение требуется сквозная прокаливаемость (шатуны) и размер ограничивается 12 мм. Для деталей, испытывающих напряжения изгиба и кручения (валы, оси и т.д.) толщина закаленного слоя должна быть не менее половины радиуса сечения. Их размер 30 мм.
Стали 40-55 применяют для изготовления крупных деталей после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь твердость поверхности 40-58 HRC и сопротивление износу (шейки коленвалов, зубья шестерен).
7 Большинство легирующих элементов снижают ударную вязкость, особенно при концентрации более 1%. Исключение составляет никель, не снижающий ударную вязкость.
Важнейший фактор – снижение скорости закалки и как следствие повышение прокаливаемости. Наиболее эффективно повышает прокаливаемость комплекс элементов: хром+молибден, хром+никель, хром+молибден+никель и т.д. Комплексно-легированные стали применяют для крупных деталей сложной формы.
К первой относятся элементы (Ni, Мn, С, N2, Сu), под влиянием которых критическая точка А3 понижается, а А4 повышается. При этом повышается зона аустенита (- фазы) и сужается область -фазы (феррита). При увеличении Х (концентрация легирующего элемента) точка А3 может понизиться до комнатной и при любой температуре от комнатной до Тl состав точки Х будет твердый раствор легирующего элемента в аустените ( -Fe + С).
Во вторую группу объединяют элементы, которые повышают критическую точку А3 и понижают точку А4, сужая интервал между ними. При некоторой критической концентрации у точки А3 и А4 совмещаются и область -фазы замыкается в узкую площадку.
Легирующие элементы второй группы называют ферритообразующими элементами (Сr, V, Si, W, Mo, Ti, Al и др.).
Карбидообразующие: Zr, Ti, Nb, V, Cr, Mo, W, Мn.
Хром – повышает твердость и временное сопротивление за счет образования карбидов, более 13% повышает коррозионную стойкость, повышает прокаливаемость,
Никель - не снижает ударную вязкость, сильно снижает температуру перехода в хрупкое состояние (порог хладноломкости). 1% → -60 оС.
Марганец – повышает предел текучести, делая сталь чувствительной к перегреву, раскислитель.
Кремний – сильно повышает предел текучести, предел упругости после среднего отпуска, раскислитель.
Молибден, цирконий, ниобий, ванадий, вольфрам – измельчители зерна.
Молибден – снижает отпускную хрупкость при 500 оС, повышает твердость и прочность за счет труднорастворимых карбидов.
Вольфрам, ванадий - повышают твердость и прочность за счет труднорастворимых карбидов, повышают теплостойкость.
Титан - повышает теплостойкость, прочность за счет труднорастворимых карбидов и интерметаллидов.
8 Улучшение этих сталей в отличие от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с высокой пластичностью, вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины, высокий порог хладноломкости.
Хромансили ХГС хорошо свариваются всеми видами сварки, обрабатываются резанием в деталях 30-40 мм.
ХН – обеспечивают высокий комплекс механических свойств у деталей 40-50 мм, ХНМФ – в деталях до и более 100 мм.
9 Сталь применяют наследственно мелкозернистую. Для несложных деталей и небольших сечений до 25-30 мм применяют сталь 10-25, хромистую сталь 15Х (более прочная сердцевина), 15ХФ (повышенная вязкость за счет измельчения зерна).
Для крупных деталей ответственного назначения, работающих на износ при высоких удельных нагрузках, применяют ХН стали (20ХН, 12Х2Н4) и более сложнолегированные стали.
Иногда ХН стали заменяют ХГ с добавлением титана для измельчения зерна,
Для нагруженных шестерен – легирование бором 20ХГР.
10 Для пружин и рессор небольшого сечения, закаливаемых в масле, и испытываемых небольшие напряжения применяют стали 65-85. Предел текучести этих сталей после термообработки не ниже 800 кГ/мм2, а легированной стали 1000 кГ/мм2. Но чаще применяют легированные стали кремнием, марганцем, ванадием и т.д. Кремнистые стали используют для пружин вагонов, некоторых автомобильных рессор. Однако кремний склонен к обезуглероживанию и графитообразованию. Поэтому их стали заменять кремнемарганцевыми и т.д. (60СГ, 60С2ХА, 65С2ВА, 50ХФ и т.д.
Предел выносливости пружин и рессор снижается не только от обезуглероживания, но и при наличии дефектов на поверхности (риски, царапины и т.д.). Срок службы рессор может быть повышен поверхностным наклепом (дробеструйной обработкой, холодная протяжка с отпуском без закалки), создающим в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия, которые понижают рабочие напряжения растяжения в наружных волокнах. Применяется холоднотянутая проволока «серебрянка».
Основное требование к шарикоподшипниковым сталям – чистота стали от серы, фосфора, примесей, неметаллических включений, пористости, также чистота поверхности.
Износостойкая сталь.
Основной легирующий элемент - никель. При добавке Ni точка А3 снижается и становится возможным переход a®g по сдвиговому (мартенситному) механизму. Продукт превращения - никелевый мартенсит - твердый раствор замещения атомов железа атомами никеля в ОЦК-решетке, поэтому он пластичен, вязок и обладает умеренной прочностью. После старения при 480-500 0С из мартенсита выделяются интерметаллиды NiTi, Ni3Ti, что приводит к увеличению прочности. Добавки Ti, A1 и др. увеличивают конструкционную прочность.