Лекции по "Материаловедению"

Обработке холодом подвергают детали шарикоподшипников, точных механизмов, измерительные инструменты. 

 

Упрочнение методом  пластической деформации 

 

Основное назначение методов механического  упрочнения поверхности – повышение усталостной прочности.

Методы механического упрочнения – наклепывание поверхностного слоя на глубину 0,2…0,4 мм.

Разновидностями являются дробеструйная  обработка и обработка роликами.

Дробеструйная обработка  – обработка дробью поверхности готовых деталей.

Осуществляется с помощью специальных  дробеструйных установок, выбрасывающих  стальную или чугунную дробь на поверхность  обрабатываемых деталей. Диаметр дроби  – 0,2…4 мм. Удары дроби вызывают пластическую деформацию на глубину 0,2…0,4 мм.

Применяют для упрочнения деталей  в канавках, на выступах. Подвергают изделия типа пружин, рессор, звенья цепей, гусениц, гильзы, поршни, зубчатые колеса.

При обработке роликами деформация осуществляется давлением ролика из твердого металла на поверхность обрабатываемого изделия.

При усилиях на ролик, превышающих  предел текучести обрабатываемого  материала, происходит наклеп на нужную глубину. Обработка улучшает микрогеометрию. Создание остаточных напряжений сжатия повышает предел усталости и долговечность изделия.

Обкатка роликами применяется при  обработке шеек валов, проволоки, при  калибровке труб, прутков.

Не требуется специальное оборудование, можно использовать токарные или  строгальные станки.

 

Конструкционные материалы. Легированные стали. 

 

1. Конструкционные стали.
2. Легированные стали
3. Влияние элементов на полиморфизм железа
4. Влияние легирующих элементов на превращения в стали
5. Влияние легирующих элементов на превращение перлита в аустенит.
6. Влияние легирующих элементов на превращение переохлажденного аустенита.
7. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
8. Влияние легирующих элементов на преврашения при отпуске.
9. Классификация легированных сталей

 

 

Конструкционные стали. 

 

К конструкционным сталям, применяемым  для изготовления разнообразных  деталей машин, предъявляют следующие требования:

• сочетание высокой прочности и достаточной вязкости
• хорошие технологические свойства
• экономичность
• недефицитность

Высокая конструкционная прочность  стали, достигается путем рационального  выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества.

Решающая роль в составе конструкционных  сталей отводится углероду. Он увеличивает  прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6 %.

Влияние на конструкционную прочность  оказывают легирующие элементы. Повышение  конструкционной прочности при  легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна.

Применение упрочняющей термической  обработки улучшает комплекс механических свойств.

Металлургическое качество влияет на конструкционную прочность. Чистая сталь при одних и тех же прочностных свойствах имеет повышенные характеристики надежности.  

 

Легированные стали 

 

Элементы, специально вводимые в сталь  в определенных концентрациях с  целью изменения ее строения и  свойств, называются легирующими элементами, а стали – легированными.

Cодержание легируюшихх элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость  стали, поэтому их использование  должно быть строго обоснованно.

Достоинства легированных сталей:

• особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;
• улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям ( );
• легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;
• возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
• повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

• подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;
• в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;
• склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.
• склонны к образованию флокенов.

Флокены – светлые пятна в  изломе в поперечном сечении –  мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение  водорода, растворенного в стали.

При быстром охлаждении от 200^o водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале  флокенообразования. 

 

Классификация конструкционных  сталей 

 

Машиностроительные стали предназначены  для изготовления различных деталей  машин и механизмов.

Они классифицируются:

• по химическому составу ( углеродистые и легированные);
• по обработке (цементуемые, улучшаемые);
• по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые).

 

 

Углеродистые стали. 

 

Низкоуглеродистые стали 05 кп, 08, 10, 10 пс обладают малой прочностью высокой пластичностью. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей – шайб, прокладок и т.п.

Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45 применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки.

В нормализованном состоянии по сравнению с низкоотпущенным  обладают большей прочностью, но меньшей  пластичностью. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70,75 используются как рессорно-пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии – для прокатных валков, шпинделей станков.

Достоинства углеродистых качественных сталей – дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти  стали не обеспечивают требуемый  комплекс механических свойств в  деталях сечением более 20 мм. 

 

Цементуемые и улучшаемые стали 

 

Цементуемые стали. 

 

Используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную  прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины.

Цементации подвергаются низкоуглеродистые  стали с содержанием углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются  стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35 %).

С повышением содержания углерода прочность  сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации.

Цементуемые углеродистые стали 15,20,25 используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки и др.). Твердость на поверхности составляет 60…64 HRC, сердцевина остается мягкой.

Цементуемые легированные стали применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).

Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий  простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.

Дополнительное легирование хромистых  сталей ванадием (сталь 15ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Никель увеличивает глубину  цементованного слоя, препятствует росту  зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины. Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя. Стали мало чувствительны к перегреву. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевых сталей и позволяет проводить закалку крупных деталей с охлаждением в масле и на воздухе.

Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение.

Хромомарганцевые стали применяют  вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ).

С целью повышения прочности  применяют легирование бором (0,001…0,005 %) 20ХГР, но бор способствует росту зерна при нагреве.  

 

Улучшаемые стали. 

 

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в  сложных напряженных условиях ( при  действии разнообразных нагрузок, в  том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной  твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск. 

 

Улучшаемые легированные стали. 

 

Улучшаемые легированные стали  применяют для более крупных  и более нагруженных ответственных  деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым.

Повышение прокаливаемости достигается микролегированием  бором (35ХР). Введение в сталь ванадия  значительно увеличивает вязкость (40ХФА).

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.

Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими  свойствами, относятся к мартенситному  классу, слабо разупрочняются при  нагреве до 300…400 ^oС. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров. 

 

Высокопрочные, пружинные, шарикоподшипниковые, износостойкие  и автоматные стали 

 

Высокопрочные стали. 

 

Высокопрочными называют стали, имеющие  предел прочности более 1500 МПа, который  достигается подбором химического  состава и оптимальной термической  обработки.

Такой уровень прочности можно  получить в среднеуглеродистых легированных сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250^oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита.