Тема 14. Конструкционные стали и сплавы.

14.0. Введение

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные), конструкций и сооружений (строительные стали).

К конструкционным сталям относятся стали со специальными свойствами - износо-стойкие, пружинные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамиче-ских нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур, Все это способст-вует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин.

Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести , являю-щимся основной характеристикой при расчетах деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью (  ), сопротивлению хрупкому разрушению (KCU, KCT, K1c) и низким порогом хладноломкости (t 50).

Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости ( ), износу и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали. Повышение прочности стали достигается твердорастворным (   ), дислокационным (Д), дисперсным (ДУ), зернограничным (З) и субструктурным (с) упрочнением, получаемым путем термиче-ской, термомеханической, химико-термической и деформационной обработок, а также под-бором составом стали.

В таблице 11 показано, за счет каких механизмов происходит повышение прочности низкоуглеродистых строительных сталей (< 0,25%) с ферритно-перлитной структурой и ма-шиностроительных сталей после закалки на мартенсит отпуска. В таблице даны расчеты формул для оценки вклада в упрочнение различных механизмов,

Величина  предел прочности определяется суммарным вкладом каждого механизма упрочнения:

      Д  ДУ  З  П,

где  = 2*10-4 G;

 - твердо-растворное;

Д - дислокационное;

ДУ - дисперсионное;

З - зерно граничное;

П - перлитное упрочнение

Повышение прочности () обычно сопровождается понижением пластичности (), вязкости (KCU, KCT, K1c) и повышением порога хладноломкости t 50. Только измельчение зерна аустенита, вызывая повышение , понижает порог хладноломкости, увеличивая тем-пературный запас вязкости.

Поэтому конструкционные стали должны быть мелкозернистыми. Мелкое зерно в зна-чительной степени компенсирует отрицательное влияние других видов упрочнения на тем-пературный порог хладноломкости.

Конструкционная сталь должна иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т. д.) и резанием, не образовывать шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуг-лероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке и т.д. Строительные конст-рукционные стали должны свариваться всеми видами сварки.

Таблица 11

Механизм упрочнения стали

Механизм

упрочнения Структура Компоненты механизма упрочнения Расчетная формула

Твердорастворный

Феррит +

Перлит

Легирование феррита

 =∑ ki Ci

Мартенсит

Легирование мартенсита

Дислокационный Феррит +

Перлит

Дислокация в феррите

( = 107-108 см-2)

Д =  G b1/2

Мартенсит

Дислокация в мартенсите

( = 1010-1012 см-2)

Дисперсный Феррит +

Перлит

Перлитная составляющая

 = 2,4П

Мартенсит Дисперсные карбонитриды в феррите и в отпущенном мартенсите ДУ = 0,84  Gb2 х

кД ln (/2b)

Зернограничный Феррит +

Перлит

Размер зерен и субзерен феррита

З = kУ d–1/2

Мартенсит Размер мартенситных паке-тов, двойников.

Размер субзерен в мартен-ситном пакете

C = kC l–m,

где m = 0,5-1,0

Примечание. G – модуль сдвига железа (G  84000 МПа); ki - коэффициент упрочнения -Fe i –м легирующим элементом; Ci – концентрация i-го элемента в -Fe; M0 – ориентационный множитель ( для -Fe M0 =2,75); b - вектор Бюргерса (b=0,25 нм);  -расстояние между частицами; kД - коэффициент, определяющий тип дислокаций (kД =1,25); П - % перлита в структуре;  - коэффициент ( = 0,5);  - плотность дислокаций; kУ – коэффициент упрочнения (kУ =20 Н/мм3/2); d - размер зерна; kС – коэффициент , учитывающий строение субструктуры (kс =0,13 Н/мм при m = 1); l – размер субзерен.

17). Углеродистые конструкционные стали

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного каче-ства и качественные.

Стали обыкновенного качества. Буква "Ст" в марке обозначает сталь, цифры услов-ный номер марки, с повышением содержания марганца (0,8 - 1,1%) - Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст3Гпс.

В зависимости от условий и степени раскисления различают стали:

1) спокойные "сп" (Cт1сп, Cт2сп, Cт3сп, Cт4сп, Cт5сп, Cт6сп ;

2) полуспокойные "пс" (Cт1пс, Cт2пс, Cт3пс, Cт4пс, Cт5пс, Cт6пс);

3) кипящие "кп" (Cт1кп, Cт2кп, Cт3кп, Cт4кп).

Таблица 12

Содержание углерода и марганца в сталях обыкновенного качества, %

Марка

стали Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6

С % 0,23 0,06-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,28-0,49

Mn % - 0,25-0,5 0,25-0,5 0,3-0,65 0,4-0,7 0,5-0,8 0,5-0,8

Таблица 13

Содержание кремния и кислорода в сталях обыкновенного качества, %

кремний кислород

спокойные 0,15 - 0,3 %  0,002 %

полуспокойные 0,05 - 0,15 %  0,01 %

кипящие < 0,05 % < 0,02 %

Спокойные стали застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисля-ются только ферромарганцем и до затвердевания в них находится повышенное содержание FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, ко-торый выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит.

Массовая доля серы должна быть не более 0,05%; фосфора - не более 0,04 %; азота - не более 0,008 %.

С повышение условного номера марки стали возрастает предел прочности () и те-кучести (2) и снижается пластичность (,).

Таблица 14

Механические свойства стали обыкновенного качества

марка  , МПа 2 , МПа ,% ,%

Ст3сп 380 - 490 210 - 250 25 - 22 -

Ст5сп 500 - 640 240 - 280 20 - 17 -

• Чем больше толщина проката, ниже  , 2 ,  и ;.

• Кипящие стали имеют порог хладноломкости на 30 - 400С выше, чем спокойные стал, поэтому их нельзя применять при низких температурах;

• С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается.

Механические свойства стали обыкновенного качества могут значительно повышены, а порог хладноломкости понижен закалкой с прокатного нагрева.

Качественные углеродистые стали.

Массовая доля серы должна быть не более 0,04 %; фосфора - не более 0,035 - 0,04 %;

Маркируются цифрами 08,10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Таблица 15

Механические свойства качественных углеродистых сталей

 ,

МПа 2 ,

МПа ,% ,% KCU,

МДж/м2 назначение

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода < 0,25%)

05кп, 08, 07кп, 10 и 10кп

330-340 200-210 33-31 - - Для малонагруженных деталей

Для холодной штамповки

15, 15кп, 20 и 25

380-460 230-280 27-23 - - Для ответственных сварных конст-рукций. Для деталей машин , упроч-няемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5 % С)

30, 35, 40, 45, 50 и 55

500-610 300-360 21-16 - - Для самых разнообразных деталей

(после нормализации)

40, 45 и 50

600-700 400-600 - 50-40 0,4-0,5 Для изготовления небольших дета-лей или более крупных деталей, не требующих сквозного прокаливания

(после улучшения). Для повышения прокаливаемости сталь легирую марганцем 40Г, 50Г.

Стали с высоким содержанием углерода (0,6 - 0,85 %С)

60, 65, 70, 80 и 85

Обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; приме-няют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрацион-ных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и.т. д.