1. Общая характеристика углеродистых сталей. Маркировка. Свойства.

Конструкционные материалы

 

Конструкционные материалы общего назначения (нормальной, повышенной и высокой прочности, малой плотности, высокой удельной прочности и жесткости).

 

В качестве конструкционных материалов в приборостроении применяют:

-  сплавы на основе железа, алюминия, магния, титана, бериллия, меди,

- пластмассы на основе полимеров (полипропилена, полиамидов, поликарбонатов, полиформальдегида, полиарамидов, полиакрилатов и других) с упрочняющими наполнителями,

 - композиционные материалы, сочетающие неметаллическую или металлическую основу и металлические или неметаллические упрочняющие включения в виде частиц, проволоки, лент, волокон,

- керамические материалы на основе оксидов, нитридов, карбидов, имеющие высокую твердость, но, как правило, хрупкие.

Сплавы на основе железа

Стали

Общая характеристика сталей

Стали - сплавы железа с углеродом (<2%C), содержащие случайные и постоянные примеси и специально вводимые легирующие элементы.

Наиболее характерные вредные примеси (P, S, O₂, N₂, H₂) вызывают охрупчивание стали.

Полезные примеси (Mn, Si) способствуют раскислению стали (удалению O₂). Mn, кроме этого, уменьшает вредное влияние S.

Для удаления P и S используют специальные синтетические шлаки, для понижения содержания газообразных примесей применяют вакуумную плавку. С целью раскисления сталей и уменьшения размера зерна вводится также Al и Ti.

Стали, не содержащие легирующих элементов, называются углеродистыми.

К наиболее дешевым сталям относят углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-94). Маркировка таких сталей состоит из двух букв Ст и цифр от 0 до 6, которые обозначают номер марки. Для стали Ст0 содержание S ~0,06%, P~0,07%, C<0,23%, Для  остальных сталей S ~0,05%, P~0,04%, а содержание C можно приблизительно рассчитать, умножив номер марки на  0,07. Степень раскисления сталей (степень уменьшения концентрации O₂) качественно оценивается индексами: «кп» - кипящие стали (содержат повышенное содержание O₂, выделяющегося в составе газообразного CO) «сп» - спокойные, содержащие мало O₂, «пс» - полуспокойные с промежуточным содержанием O₂.

В приборостроении для ответственных деталей применяются качественные стали, у которых концентрация вредных примесей S <0,04%, P<0,035%, высококачественные - S <0,025%, P<0,025% и особовысококачественные - S <0,015%, P<0,025%.

Маркировка качественных углеродистых сталей (ГОСТ 1050-88) состоит из цифр 08, 10, 15,...60, указывающих на содержание C в сотых долях процента (сталь марки 50 содержит 0,50%C).

Маркировка инструментальных углеродистых сталей включает букву У и цифры 7, 8, ...,14, указывающие на содержание C в десятых долях процента (сталь марки У12 содержит 1,2% C).

Свойства углеродистых сталей в первую очередь зависят от содержания в них C, при этом с увеличением концентрации C:

- растет твердость и прочность, так как в структуре увеличивается доля частиц Ц, однако при C>0,8% прочность снижается из-за появления сплошных хрупких прослоек по границам участков П,

- уменьшается пластичность и ударная вязкость из-за присутствия частиц Ц, что начинает сказываться при C>0,6%, поэтому для уменьшения вредного влияния C частицы Ц делают мелкими и округлыми, близкими по размерами и равномерно распределенными в Ф,

 - ухудшается свариваемость, так как при содержании C>0,25% сталь за счет интенсивного охлаждения после сварки закаливается, что вызывает ее охрупчивание,

- затрудняется обработка резанием, однако, хорошую поверхность в процессе обработки можно получить для сталей с содержанием C~0,3-0,4%; при меньшем содержании C сталь под действием резца выдавливается, образуя шероховатую поверхность, при большем содержании C быстро изнашивается инструмент; для получения наименьшей шероховатости поверхности производится ее термообработка до твердости HRC~30; для получения более удобной (ломкой) стружки предпочтительна сталь с грубыми включениями Ц, добавками S и P, Se, на которых происходит разрушение стружки.

По прочности принято подразделение конструкционных сталей на:

-      стали нормальной прочности (s_в < 1000 МПа),

-      стали повышенной прочности (s_в < 1500 МПа),

-      стали высокой прочности (s_в > 1500 МПа).

Низкоуглеродистые конструкционные стали

Состав: 0,1 - 0,25% C

Механические свойства после нормализации: невысокая прочность (s_0,2~240 МПа), высокая технологическая пластичность (d~28 %).

Возможности упрочнения: холодная пластическая деформация, цементация с последующей закалкой и низким отпуском.

Технологические свойства: хорошо штампуются, свариваются, обрабатываются резанием.

Основное применение (серийное производство): малонагруженные детали, изготавливаемые сваркой и холодной штамповкой, детали повышенной износостойкости (после цементации).

Среднеуглеродистые конструкционные стали

Состав: 0,30 - 0,6 % C

Механические свойства в нормализованном состоянии: повышенная прочность (s_0,2~350 МПа), невысокая технологическая пластичность (d~16 %).

Возможности упрочнения:

- для деталей поперечного сечения до 12 мм улучшающая термическая обработка - полная закалка по всему сечению и высокий отпуск,

- для деталей поперечного сечения 12 – 30 мм - поверхностное упрочнение пластической деформацией и термической обработкой.

Технологические свойства: штампуются в горячем состоянии, ограниченно и трудносвариваемые (требуется подогрев перед сваркой и отжиг после сварки), обрабатываются резанием, горячей ковкой и штамповкой, отсутствует отпускная хрупкость при упрочняющей термообработке.

Основное применение (серийное производство): для деталей конструкций повышенной прочности и износостойкости.