Технология материалов. Лекции

Общая характеристика сталей 

     Ж/у  сплавы с содержанием углерода  до 2,14% называются сталями. Кроме

железа и углерода в сталях содержатся полезные и вредные  примеси.

     Сталь  – основной металлический материал, широко применяемый для

изготовления  деталей машин, летательных аппаратов, приборов, различных

инструментов  и строительных конструкций. Широкое  использование сталей

обусловлено комплексом механических, физико-химических и  технологических

свойств. Методы широкого производства стали были открыты  в середине ХIX в.

В это же время  были уже проведены и первые металлографические исследования

железа и его  сплавов.

     Стали  сочетают высокую жесткость с  достаточной стати-ческой и

циклической прочностью. Эти параметры можно менять в широком диапазоне за

счет изменения  концентрации углерода, легирующих элементов  и технологий

термической и  химико-термической обработки. Изменив  химический состав,

можно получить, стали с различными свойствами, и использовать их во многих

отраслях техники  и народного хозяйства.

     Углеродистые  стали, классифицируют по содержанию  углерода, назначению,

качеству, степени  раскисления и структуре в  равновесном состоянии.

     По  содержанию углерода стали, подразделяются на низкоугле-родистые (<

0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7 % С) и высокоугле-родистые (> 0,7 %

С).

     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 0С) деформирования.

     По  качеству стали, классифицируют  на обыкновенного качества,

качественные, высококачественные. Под качеством стали понимается

совокупность  свойств, определяемых металлургическим процессом ее

производства. 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.

     Полуспокойные  стали по степени раскисления  занимают промежуточное

положение между  спокойными и кипящими.

     По структуре в равновесном состоянии стали, делятся на: 1)

доэвтектоидные, имеющие в структуре феррит и  перлит; 2) эвтектоидные,

структура которых  состоит из перлита; 3) заэвтектоидные, имеющие в

структуре перлит и цементит вторичный. 

     2. Маркировка, расшифровка, свойства, термическая обработка и область

применения. 

     2.1 Углеродистые конструкционные стали 
 

     Стали  обыкновенного качества  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 используют в состоянии  поставки для изделий,

изготовление  которых не сопровождается горячей  обработкой. В этом случае

они сохраняют  структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые

стандартом.

     Сталь  марки Ст3 используется в состоянии поставки без обработки

давлением и  сваркой. Ее широко применяют в строительстве  для изготовления

металлоконструкций.

     Стали  группы Б 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 деталей важны сведения о химическом составе,

необходимые для  определения режима горячей обработки.

     Стали  группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для

ответственных деталей (для производства сварных  конструкций).

     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. Способностью к

свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В

номеров 1-4, поэтому  из них изготавливают сварные  фермы, различные рамы и

строительные  металлоконструкции, кроме того, крепежные  изделия, часть из

которых подвергается цементации.

     Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большой прочностью,

предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, а также валов, шкивов,

шестерен и  других деталей грузоподъемных и  сельскохозяйственных машин.

Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической

обработке –  закалке с последующим высоким  отпуском.

     В  машиностроении углеродистые качественные  стали, используются для

изготовления  деталей разного, чаще всего неответственного назначения и

являются достаточно дешевым материалом. В промышленность эти стали

поставляются  в виде проката, поковок, профилей различного назначения с

гарантированным химическим составом и механическим свойствами.

     В  машиностроении применяют углеродистые  качественные стали,

поставляемые  по ГОСТ 1050-74. Маркируются эти стали двузначными цифрами 05,

08, 10, 15, 20, …, 75, 80, 85, обозначающими среднее содержание  углерода в

сотых долях  процента.

     К  углеродистым сталям относят  также стали с повышенным содержанием

марганца (0,7-1,0 %) марок 15Г, 20Г, 25Г, …, 70Г, имеющих повышенную

прокаливаемость.

     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.

     Низкоуглеродистые стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп отличаются малой

прочностью и  высокой пластичностью в холодном состоянии. Эти стали в

основном производят в виде тонкого листа и используют после отжига или

нормализации  для холодной штамповки с глубокой вытяжкой. Они легко

штампуются из-за малого содержания углерода и незначительного  количества

кремния, что  и делает их очень мягкими. Их можно  использовать в

автомобилестроении  для изготовления деталей сложной  формы. Глубокая вытяжка

из листа этих сталей применяется при изготовлении консервных банок,

эмалированной посуды и других промышленных изделий.

     Спокойные  стали 08, 10 применяют в отожженном  состоянии для

конструкций невысокой  прочности – емкости, трубы и  т. д.

     Стали  10, 15, 20 и 25 также относятся к  низкоуглеродистым сталям, они

пластичны, хорошо свариваются и штампуются. В нормализованном  состоянии в

основном их используют для крепежных деталей  – валики, оси и т. д.

     Для  увеличения поверхностной прочности  этих сталей их цементуют

(насыщают поверхность  углеродом) и применяют для  деталей небольшого

размера, например слабонагруженных зубчатых колес, кулачков и т. д.

     Среднеуглеродистые  стали 30, 35, 40, 45, 50 и аналогичные стали с

повышенным содержанием  марганца 30Г, 40Г и 50Г в нормализованном  состоянии

отличаются повышенной прочностью, но соответственно меньшей  вязкостью и

пластичностью. В зависимости от условий работы деталей из этих сталей к ним

применяют различные  виды термообработки: нормализацию, улучшение, закалку с

низким отпуском, закалку ТВЧ и др.

     Среднеуглеродистые  стали применяют для изготовления  небольших валов,

шатунов, зубчатых колес и деталей, испытывающих циклические  нагрузки. В

крупногабаритных  деталях больших сечений из-за плохой прокаливаемости

механические  свойства значительно снижаются.

     Высокоуглеродистые  стали 60, 65, 70, 75, 80 и 85, а также  с повышенным

содержанием марганца 60Г, 65Г и 70Г в основном используют для изготовления

пружин, рессор, высокопрочной проволоки и других изделий с высокой

упругостью и  износостойкостью. Их подвергают закалке  и среднему отпуску на

структуру троостит в сочетании с удовлетворительной вязкостью и хорошим