Министерство  образования и науки РФ

      Саратовский Государственный

      Технический Университет

Кафедра МВПО

 
 
 
 

Контрольная работа на тему

Конструкционные стали 

По дисциплине Материаловедение 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил  студент 

заочного  отделения 

Трухман Сергей Викторович 

          Саратов 2006 

    Конструкционные стали и сплавы

    Общими  потребительскими требованиями к конструкционным  сталям являются наличие у них  определенного комплекса механических свойств, обеспечивающего длительную и надежную работу материала в  условиях эксплуатации, и хороших технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием, закаливаемости, свариваемости и др.).

    Необходимые технологические и потребительские  свойства конструкционных сталей и  сплавов, в основном, обеспечиваются рациональным выбором химического состава, улучшением металлургического качества, соответствующей термической обработкой и поверхностным упрочнением.

    Конструкционные стали и сплавы классифицируются по назначению на строительные (арматурные) и машиностроительные, которые, в свою очередь, подразделяются на группы общего и специального назначения.

    Конструкционные строительные стали  и сплавы

    Свойства  конструкционных строительных сталей и сплавов определяются в основном механическими и технологическими характеристиками. К механическим характеристикам относятся предел прочности, относительное удлинение, твердость, ударная вязкость; к технологическим - жидкотекучесть, свариваемость, ковкость и др.

    Для конструкционных строительных сталей и сплавов используются углеродистые (0,10...0,20% С) и низколегированные (Si, Mn, Сг и др.) стали (ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-72). Эти стали, как правило, обыкновенного качества и поставляются по механическим свойствам.

    Целью легирования этих сталей является повышение  закаливаемости и вследствие этого обеспечение более высоких механических свойств (главным образом, предела текучести) в процессе охлаждения при прокатке. Применение низколегированных сталей взамен углеродистых позволяет сэкономить 15...30% металла. Для того, чтобы упрочнение не сопровождалось излишним снижением вязкости, пластичности и свариваемости, содержание углерода и легирующих элементов в строительных сталях ограничивается. Достоинством низколегированных малоуглеродистых сталей является также их хорошая свариваемость.

    Конструкционные строительные стали в виде листов, сортового фасонного проката применяют в строительстве и машиностроении для сварных конструкций, в основном, без дополнительной термической обработки. Так стали 14Г2, 18Г2, 16ГС, 10Г2С1, 14ХГС и 15ХСНД используются для изготовления металлических конструкций, а стали 18Г2С, 25Г2С и 35ГС - для армирования железобетонных конструкций. Конструкционные строительные стали поставляют в виде прутков, профилей, листов и широких полос. Кроме того, применяют следующие изделия из этой стали: заклепки, болты, гайки, шайбы, винты, гвозди, поковки, а также стальные канаты.

    Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения

    Основным  потребительским требованием к  конструкционным машиностроительным сталям и сплавам общего назначения является наличие определенного комплекса механических свойств при их заданном распределении по сечению изделия. Комплекс механических свойств, если не предъявляются какие-либо специальные требования, включает характеристики прочности, пластичности, удельной работы деформации разрушения (ударной вязкости).

    По  химическому составу эти стали (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71):

    мало- и среднеуглеродистые - 0,05...0,65% С;

    низко- и среднелегированные - Mn, Si, Cr, Ni и др.

    Большинство конструкционных легированных сталей относится к перлитному классу, а в равновесном состоянии - к группе доэвтектоидных. Легирующие элементы определяют преимущественно закаливаемость и прокаливаемость, и, в меньшей степени, механические свойства (кроме никеля и молибдена, улучшающих вязкость). Наиболее широко применяют марки ЗОХГСН2А, ЗОХГСН2МА, 25Х2ГНТРА, ЗОХ2ГСН2ВМ и 40ХН2СМА.

    Конструкционные машиностроительные стали и сплавы общего назначения классифицируются по способу упрочнения: без термической обработки, упрочняемые в поверхностном слое и упрочняемые по всему объему.

    Рекомендуемыми  режимами термической обработки  углеродистых качественных конструкционных  сталей в зависимости от условий  эксплуатации изделий являются нормализация, закалка с отпуском, поверхностная  закалка с отпуском или без него.

    Стали (08кп, Юкп, 15кп, 08, СтЗ), используемые без  термической обработки, поставляют, главным образом, в листах. Они должны иметь пониженное содержание углерода и кремния, что обеспечивает их хорошую деформируемость (штампуемость, вытяжку, выдавливание и др.) в холодном состоянии. Штампуемость листовой стали ухудшается при наличие в ней крупного и неоднородного по размерам зерна, третичного цементита и др. структурных неодноррдностей. Для холодной штамповки из листовой стали в автомобилестроении используются стали 09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 12ХМ и др.

    При требовании высокой прочности поверхностного слоя используют нитроцементуемые, цементуемые, азотируемые, а также закаливаемые и с пониженной прокаливаемостью (упрочняемые в поверхностном слое) стали. Так в качестве цементуемой углеродистой стали используются качественные и высококачественные стали марок 15, 20. После цементации, закалки в воде и низкого отпуска поверхность стали и-меет высокую твердость (HRC 58...62), обеспечиваемую мартенситной структурой, а сердцевина не упрочняется, так как в ней сохраняется ферритно-перлитная микроструктура.

    Легированные  цементуемые стали (15Х, 15ХА, 15ХФ, 12ХНЗА, 12Х2Н4А, 20ХГНР, 18ХГТ и др.) применяют  для деталей, более сильно напряженных, а также более крупных размеров и сложной формы - валы, оси, шестерни и др. Легирование в этом случае обеспечивает лучшую прокаливаемость при более прочной сердцевине. В сердцевине образуются структуры бейнита или низкоуглеродистого мартенсита (HRC 30...45).

    Для получения высоких прочностных свойств по всему объему изделия применяют улучшение, то есть закалку в масле и высокий (550...650°С) отпуск. При такой обработке улучшаемая сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание прочности и вязкости. К улучшаемым сталям относятся стали, содержащие s 0,35% С (углеродистые и малолегированные) и 0,2...0,3% С (средне- и высоколегированные).

    Способность упрочняться на ту или иную глубину  при одинаковом содержании углерода определяется влиянием легирующих элементов, но при небольших сечениях изделий это влияние менее заметно, а в деталях крупного размера у углеродистых и менее легированных сталей механические свойства значительно ниже. Поэтому выбор марки стали зависит как от уровня требуемых свойств, так и от толщины изделия, например, диаметр до 12...15 мм - стали 35, 40, 45, 50; диаметр до 50...75 мм - 40ХН, 25ХГСА, ЗОХГС; диаметр 75...120 мм - ЗОХНЗА, 40ХН2МА. Из сталей, упрочняемых по всему сечению, изготавливают оси, валы, шестерни, кривошипы, шпильки ответственного назначения, тонкостенные трубы и др. 

    Конструкционные машиностроительные стали и сплавы специального назначения

    Специальное назначение конструкционных сталей и сплавов определяется требованием  к конкретному комплексу механических, физических, физико-химических и технологических свойств, необходимому для эксплуатации изделий в строго определенных условиях, например, при очень высоких напряжениях, низких или повышенных температурах, динамических или гидроабразивных нагрузках, для специального назначения в приборах и аппаратах электро- и радиотехнической промышленности.

    В зависимости от химического состава  сплавы этой группы подразделяют на классы по основному составляющему элементу: 
 
 
 
 
 
 

    сплавы  на железоникелевой основе;

    сплавы на никелевой основе.

    Классификация машиностроительных сталей и сплавов  по основному потребительскому свойству имеет следующие группы; особо высокой прочности и вязкости, коррозионностойкие (в том числе, собственно коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные), износостойкие, пружинные, автоматные, шарикоподшипниковые и литейные.

    Стали особо высокой прочности и вязкости (мартенситно-стареюгцие) по химическому составу являются безуглеродистыми (менее 0,03% С) и высоколегированными (Ni, Co, Мо, Cr, Ti, Be и др.). Эти стали характеризуются следующими потребительскими свойствами:

    s_в= 1800...3000 МПа;

    d> 10%,y>40%;

    КСU=0,3...2,5кДж/м²

    Технологические свойства мартенситно-стареющих сталей - повышенные: хорошие свариваемость, обрабатываемость резанием и пластичность в закаленном состоянии; незначительная деформация деталей при отпуске, выполняемом после резания и создающем необходимые высокие механические свойства. Мартенситно-стареющим сталям можно придать стойкость против коррозии и теплостойкость. Так при дополнительном легировании хромом (% 12%) эти стали становятся стойкими против коррозии даже в сильно агрессивных средах (морской воде, кислотах и др).

    Мартенситно-стареющие  стали - особо высококачественные и  из-за высокой стоимости применяются  для деталей наиболее ответственного назначения: Н18К9М5 - шестерни, валы, корпуса ракет;

    Н10Х12Д2Т - детали химической аппаратуры, пружины; Н4Х12К15М4Т - штампы горячего деформирования, детали теплоэнергетических установок  и др.

    Коррозионностойкие  стали и ставы (ГОСТ 5632-72), в том числе высоколегированные, обладают достаточной стойкостью против коррозии только в ограниченном числе сред. Они обязательно имеют в своем составе более 12,5%Сг, роль которого состоит в образовании на поверхности изделия защитной (пассивной) оксидной пленки, прерывающей контакт с агрессивной средой. При этом лучшей стойкостью против коррозии обладают те стали и сплавы, в которых все содержание хрома приходится на долю твердого раствора. Содержание углерода должно быть низким, чтобы уменьшить переход хрома в карбиды, так как это может уменьшить концентрацию хрома в защитной пленке. Для предотвращения выделений карбидов хрома используют также быстрое охлаждение из области g-твердого раствора или легирование титаном, ванадием, ниобием или цирконием для связывания углерода в более устойчивые карбиды.

    Физико-химические свойства коррозионностойких сталей меняются в довольно широком диапазоне  в зависимости от структуры. Структура  для наиболее характерных сплавов  этого назначения может быть: ферритно-карбидной и мартенситной (12Х13, 20Х13, 20Х17Н2, 30Х13, 40Х13, 95Х18 - для слабых агрессивных сред (воздух, вода, пар); ферритной (15Х28) - для растворов азотной и фосфорной кислот; аустенитной (12Х18Н10Т) - в морской воде, органических и азотной кислотах, слабых щелочах; мартенситно-стареющей (10Х17Н13МЗТ, 09Х15Н8Ю) - в фосфорной, уксусной и молочных кислотах. Сплав 06ХН28МТ может эксплуатироваться в условиях горячих (до 60°С) фосфорной и серной (концентрации до 20%) кислот.

    Коррозионная  стойкость сталей может быть повышена термической обработкой (закалкой и высоким отпуском) и созданием шлифованной поверхности.

    Коррозионностойкие  стали и сплавы классифицируют в  зависимости от агрессивности среды, в которой они используются, и  по их основному потребительскому свойству на собственно коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и криогенные.

    Изделия из собственно коррозионностойких сталей (лопатки турбин, клапаны гидравлических прессов, пружины, карбюраторные иглы, диски, валы, трубы и др.) работают при температуре эксплуатации до 550°С.

    Для жаростойких и жаропрочных машиностроительных сталей используются малоуглеродистые (0,1 ...0,45% С) и высоколегированные (Si, Cr, Ni, Co и др.).

    Жаростойкие (окалиностойкие) стали и сплавы получают на базе системы Fe + Cr * Ni с небольшим количеством кремния. Основным потребительским свойством этих сталей является температура эксплуатации, которая должна быть более 550°С. Жаростойкие стали устойчивы против газовой коррозии до 900...1200°С в воздухе, печных газах, в том числе, серосодержащих (15Х5, 15Х6СМ, 40Х9С2, ЗОХ13Н7С2, 12Х17, 15Х28), окислительных и науглероживающих (20Х20Н14С2) средах, но могут проявлять ползучесть при приложении больших нагрузок.

    Жаростойкие стали характеризуют по температуре  начала интенсивного окисления. Величина этой температуры определяется содержанием  хрома в сплаве. Так при 15% Cr температура  эксплуатации изделий составляет 950°С, а при 25% Cr - 1300°С. Жаростойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры, поэтому жаростойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова. 
 
 
 
 

    Жаростойкие стали и сплавы используются для  производства труб, листов, деталей высокотемпературных установок, газовых турбин и поршневых двигателей, печных конвейеров, ящиков для цементации и др.