- •Бийский технологический институт (филиал)
- •И.В. Боткин, ю.Н. Косицын, п.И. Мазуров
- •Лабораторная работа №6 (4 часа)
- •Изучение свойств и структур легированных сталей
- •1 Цель работы
- •2 Предмет и содержание работы
- •2.1 Классификация легированных сталей
- •2.1.1 Классификация по равновесной структуре
- •2.1.2 Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
- •2.1.3 Классификация по составу
- •2.1.4 Классификация по назначению
- •2.1.4.1 Классификация конструкционных легированных сталей по назначению
- •2. 2 Маркировка легированных сталей
- •2.2.1 Значение букв, входящих в состав марок легированных сталей
- •3 Оборудование, технические средства, инструмент
- •4 Порядок выполнения работы
- •5 Общие правила к оформлению работы
- •6 Контрольные вопросы
- •7 Задание
- •8 Список использованных источников
- •Приложение а микроструктуры легированных сталей
- •Приложение б свойства легированных сталей
2.1.3 Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.п. Классификационный признак – наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
2.1.4 Классификация по назначению
По назначению сталь делится:
Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин.
Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента.
Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые и т.д.
2.1.4.1 Классификация конструкционных легированных сталей по назначению
По этому признаку все конструкционные стали делятся на семь групп:
Цементуемые стали.Характерный отличительный признак их в том, что концентрация углерода в них 0,1…0,25 % при обязательном присутствии хрома. Например, 15Х, 18ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4ВА и др.
Упрочнение этих сталей возможно только методом химико-термической обработки, называемой цементацией, когда поверхностный слой детали насыщают углеродом, что приводит к повышению твердости и износостойкости, а сердцевина сохраняет свою первоначальную пластичность и вязкость.
Строительные стали.Это стали, идущие для изготовления сварных металлоконструкций ответственного назначения. Концентрация углерода в таких сталях может колебаться в интервале от 0,09 до 0,35 % при обязательном присутствии или марганца, или кремния, или одновременном присутствии и марганца, и кремния. Марганец и кремний в этих сталях играют роль раскислителей, что позволяет получать сварные швы, не содержащие закиси железа. Все строительные стали относятся к сталям перлитного класса.
В зависимости от концентрации углерода строительные стали могут иметь или нормальную прочность, или повышенную. Последние идут для изготовления арматуры, используемой в железобетонных конструкциях. Арматурные стали характеризуются более высокой концентрацией марганца. Например, 18Г2С, 25Г2С, 20ХГ2Ц и др.
Улучшаемые стали. Это стали с концентрацией углерода 0,3…0,5 % при обязательном присутствии хрома. Упрочняются такие стали методом термической обработки, состоящей из закалки с последующим высоким отпуском, хотя допускается и низкий отпуск. В зависимости от концентрации серы и фосфора эти стали могут быть или качественными, или высококачественными. Поставляются они чаще всего в горячекатаном состоянии, но могут и в термически обработанном. По структуре после нормализации все эти стали относятся к сталям перлитного класса. Кроме хрома они могут иметь в своем составе такие элементы, как марганец, кремний, молибден, ванадий, никель, бор и алюминий. Например, 30Х, 35ХГФ, 38ХС, 40ХН, 40ХМФА, 30ХГСА, 38Х2Н2МА, 38Х2МЮА и др.
Рессорно-пружинные стали. Они предназначены для изготовления любых упругих элементов: рессор, пружин, мембран, торсионных валов и т.п. Характерным признаком таких сталей является: концентрация углерода 0,5…0,7 % при обязательном присутствии кремния. Однако, за последнее время в практике стали применяться, так называемые, безкремнистые стали, в которых при той же концентрации углерода, кремний заменяется следующими комбинациями легирующих элементов: или хромом с марганцем, или хромом с ванадием, или хромом с марганцем и ванадием одновременно.
Все рессорно-пружинные стали относятся к сталям перлитного класса и они подвергаются закалке с последующим средним отпуском для достижения твердости 39…44 HRC. Именно такая твердость обеспечивает высокий предел выносливости. При более высокой твердости предел выносливости снижается. Примеры марок рессорно-пружинных сталей: 60С2, 70С3А, 50ХГ, 50ХФА, 50ХГФА и др.
Подшипниковые стали. Они используются для изготовления как колец, так и тел качения (шариков, роликов и иголок). Характерным отличительным признаком подшипниковых сталей является концентрация углерода в пределах 0,95…1,15 % при обязательном присутствии хрома. Повышенная концентрация углерода в этих сталях придает им высокую твердость и износостойкость, а присутствие хрома – повышенную прокаливаемость. По концентрации углерода они относятся к заэвтектоидным сталям.
Коррозионно-стойкие (нержавеющие стали). Характерным признаком всех нержавеющих сталей является высокая концентрация хрома в них. Она должна быть не менее 13 %.
По структуре, получающейся после нормализации при температуре 900 С, эти стали могут относиться к ферритному, мартенситному, мартенситно-ферритному, аустенитному, аустенито-ферритному и аустенито-мартенситному классам.
Наиболее дешевыми являются стали мартенситного класса, например, 20Х13, 30Х13, 40Х13, 14Х17Н2. Достоинство этих сталей заключается в их высокой прочности (до 1600 МПа), высокой твердости и износостойкости. Их можно упрочнять термической обработкой, состоящей из закалки с температур около 1050 С с последующим низким отпуском (200…250С). К недостаткам сталей следует отнести их склонность к межкристаллитной коррозии и склонность к отпускной хрупкости.
К сталям ферритного класса относятся стали с пониженной концентрацией углерода (0,07…0,15 %), но с повышенной концентрацией хрома (до 30 %). Например, 08Х17, 12Х17, 15Х25Т, 15Х28 и др. При высокой коррозионной стойкости они обладают и высокой теплостойкостью. Вместе с тем они имеют и ряд недостатков. Их нельзя упрочнять термической обработкой, у них затруднительная свариваемость, они склонны к росту зерна.
К сталям мартенситно-ферритного класса относятся более сложнолегированные стали, но с уменьшенной до 12 % концентрацией хрома, например, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР. Такие стали чаще всего используются как жаропрочные.
Стали аустенитного класса это стали сложно – и высоколегированные. Концентрация углерода в них 0,03…0,45 %, хрома 13…19 % и никеля 9…25 %. Эти стали обладают хорошей пластичностью и свариваемостью, но их нельзя упрочнять термической обработкой, а после закалки нельзя подвергать нагреву. В качестве примеров можно привести такие марки, как 08Х18Н10Т, 36Х18Н25С2, 03Х17Н14М2 и др.
Жаропрочные стали.Это стали, которые сохраняют свою прочность при высоких температурах. Жаропрочность относится к эксплуатационным свойствам и определяется не только величиной приложенной нагрузки и напряжениями, возникающими вследствие этой нагрузки, но и продолжительностью нахождения материала под нагрузкой. Таким образом, при одной и той же температуре прочность стали будет тем ниже, чем дольше она будет работать.
Жаропрочность оценивается двумя показателями:
пределом длительной прочности (σд) – это напряжение, вызывающее разрушение стали при определенной температуре за данный период времени: например, 25 – при температуре 750Cи после 10000 часов эксплуатации предел прочности должен быть не менее 25 кгс/мм2;
пределом ползучести (σпл) – это напряжение, вызывающее заданную скорость деформации при данной температуре: например, 25– при постоянном напряжении в 25 кгс/мм2при температуре 750Cи после 10000 часов эксплуатации относительное удлинение не должно превышать 0,2 %.
Жаропрочные стали в зависимости от концентрации углерода делятся на низкоуглеродистые (концентрация углерода менее 0,2 %) и среднеуглеродистые (С = 0,3…0,5 %). В составе низкоуглеродистых сталей обязательно должны находиться молибден и хром, при этом концентрация хрома не должна превышать 5 %, а в составе среднеуглеродистых – кремний и хром, при этом концентрация хрома должна находиться в пределах от 5 до 12 %.
В отечественном машиностроении наибольшее распространение получили жаропрочные стали перлитного, мартенситного и мартенсито-ферритного классов.
К сталям перлитного класса относятся марки: 12МХ, 12МХФ, 12МХ1Ф. К сталям мартенитного класса относятся марки: 12МХ2ФСР, 12МХ2ФБ. К сталям мартенсито-ферритного класса – 15Х11МФ, 40Х9С2, 45Х10С2М. Они идут для изготовления выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.