Классификация конструкционных материалов

Классификация конструкционных материалов

Конструкционные стали

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей,механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесейфосфора (P) и серы (S). Фосфор — придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали:

Обыкновенного качества — P и S — до 0.05 % (маркировка Ст).

Качественная — P и S — до 0.035 % (маркировка Сталь).

Высококачественная — P и S — до 0.025 % (маркировка А в конце марки).

Особовысококачественная — Р и S — до 0.015 % (маркировка Ш в конце марки).

По степени раскисления

Степень раскисления определяется содержанием кремния (Si) в этой стали. По степени раскисления углеродистые стали обыкновенного качества делятся на:

спокойные (СП) — не менее 0,12% (Si)

полуспокойные (ПС) — 0.07-0.12 % (Si)

кипящие (КП) — не более 0.07 % (Si)

Маркировка

Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества:

Ст1кп2; БСт2пс; ВСт3Гпс; Ст4-2; … ВСт6сп3.

Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А — буквой не обозначается.

Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества.

Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6).

Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn)-(служит для повышения прокаливаемости стали).

сп; пс; кп — степень раскисления стали (Для стали группы А отсутствие обозначения подразумевает "сп").

Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается.

Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.

Применение

Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки.

Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат.

Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси.

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…250oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита.

После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большуюпластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные. При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.

Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа,относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.

Износостойкие стали

характеризуются высокой устойчивостью против истирания. В эту группу входят шарикоподшипниковые, высокомарганцовые и другие стали.

Износостойкие стали способны сопротивляться процессу изнашивания.

Износостойкие стали могут быть весьма различными по своим механическим свойствам и строению. Различают износ контактный и абразивный. Контактный износ имеет место при трении одной поверхности о другую, сопровождаемом давлением или ударами. Абразивным износом называют истирание металлической поверхности в результате трения о нее твердых частиц, движущихся в струе жидкости или газа вдоль этой поверхности. [3]

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. Наиболее распространенной маркой стали является высокомарганцевая сталь Г13 содержащая 1 0 - 1 3 % углерода, 12 - 14 % марганца и другие элементы. Эта износостойкая и одновременно высокопластичная сталь применяется для изготовления звеньев гусениц ( траки), козырьков ковшей экскаваторов и землечерпалок, стрелок и крестовин рельсов, а также других деталей, работающих на удар и подверженных интенсивному износу. [4]

Износостойкие стали обладают большим сопротивлением износу. Износостойкость сталь приобретает в результате легирования ее марганцем. [5]

Большинство износостойких сталей имеет мартенситную основу с равномерно распределенными включениями карбидов. Для сталей, работающих в условиях высоких циклических контактных нагрузок ( шарикоподшипниковая сталь), особую роль играет при этом тонкость строения мартенсита, дисперсность и равномерность распределения карбидной фазы. [6]

Коррозионноустойчивые стали

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома,алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную оксидную пленку и повышают электродный потенциал, т. е. увеличивают электроположительность стали. Алюминий и кремний повышают хрупкость стали и применяются реже хрома. При содержании хрома более 12 % сталь резко изменяет электродный потенциал с электроотрицательного (–0,6 В) на электроположительный (+0,2 В). На поверхности образуется плотная защитная пленка оксида Сr2О3.

Сталь, содержащая 12 – 14 % Сr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозионностойких сталей вводят также другие элементы – чаще никель. С ростом содержания хрома коррозионная стойкость стали растет.

Коррозионностойкие стали (corrosion-resistant steel) обычно делят на хромистые ферритные, содержащие 12 – 25 % Сr и 0,07 – 0,2 % С и хромистые мартенситные, содержащие 12 – 18 % Сr и 0,15 – 1,2 % С, а также аустенитные стали, содержащие 12 – 18 % Сr, 8 – 30 % Ni и 0,02 – 0,25 % С.

Хромистые стали коррозионностойки при температуре до 300°С в водопроводной воде, влажной атмосфере, растворах азотной кислоты и многих органических кислотах. В морской воде хромистые стали подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением.

Содержание углерода в коррозионностойких аустенитных сталях ограничено, и желательно, чтобы оно было ниже предела растворимости углерода в легированном никелем аустените при 20°С, составляющего 0,04 %. Присутствие в стали более высоких концентраций углерода может приводить к образованию карбидов хрома типа Сr23С6, вследствие чего твердый раствор обедняется хромом и создается двухфазная структура. При этом снижается коррозионная стойкость стали. Для предотвращения образования карбидов хрома, особенно при технологических нагревах, связанных с проведением операций сварки или пайки и опасностью возникновения межкристаллитной коррозии, в сталь вводят дополнительно титан, ниобий или тантал. Эти элементы связывают углерод в карбиды типа TiC, NbC, TaC, оставляя хром в твердом растворе. Необходимое количество титана для введения в сталь определяют по формуле

Ti = (С – 0,02)*5 - (6.9)

где С – содержание углерода в стали.

Стали, не склонные к межкристаллитной коррозии, называют стабилизированными. Эффект стабилизации может быть достигнут, помимо введения сильных карбидообразующих элементов, снижением содержания углерода ниже 0,04 %.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали содержат дефицитный и дорогостоящийникель и поэтому имеют высокую стоимость. В ряде случаев применяют более дешевые стали, в которых весь никель или часть его заменены марганцем. Например, до температур –196°С и в слабоагрессивных средах вместо стали 12Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.

Азот повышает стабильность аустенита, поэтому для повышения коррозионной стойкости можно использовать более высокие концентрации хрома и молибдена, не увеличивая склонность стали к выделению интерметаллидных фаз. Примером может служить сталь 03Х20Н16АГ6, используемая в криогенной технике.

 Жаропрочные стали

Жаропро́чная сталь — это вид стали, который используется в условиях высоких температур (от 0,3 части от температуры плавления) в течение определённого времени, а также в условиях слабонапряжённого состояния.

Главной характеристикой, определяющей работоспособность стали, является жаропрочность.

Жаропрочность — это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур без заметной остаточной деформации и разрушения. Основными характеристиками жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность. Сопротивление стали разрушению при длительном воздействии температуры характеризуется длительной прочностью.

Длительная прочность — это условное напряжение, под действием которого сталь при данной температуре разрушается через заданный промежуток времени

Жаропрочные свойства в первую очередь определяются температурой плавления основного компонента сплава, затем его легированием и режимами предшествующей термообработки, определяющими структурное состояние сплава. Основой жаропрочных сталей являются твёрдые растворы или пересыщенныё раствор, способные к дополнительному упрочнению вследствие дисперсионного твердения.

Для кратковременной службы применяются сплавы с высокодисперсным распределением второй фазы, а для длительной службы — структурно-стабильные сплавы. Для длительной службы выбирается сплав несклонный к дисперсионному твердению.

Самым распространённым легирующим элементом в жаропрочных сталях является хром (Cr), который благоприятно влияет на жаростойкостьи жаропрочность.

Высоколегированные жаропрочные стали из-за различных систем легирования относятся к различным классам:

ферритные (08Х17Т, 1Х13Ю4, 05Х27Ю5),

мартенситные (20Х13, 30Х13),

мартенситно-ферритные (15Х12ВН14Ф),

аустенитные (37Х12Н8Г8МФБ).

Внутри каждого класса различаются стали с различным типом упрочнения:

карбидным,

интерметаллидным,

смешанным (карбидно-интерметаллидным).

Для котельных установок, работающих длительное время (10 000—100 000 часов) при температурах 500—580 °C, рекомендуются сталиперлитного класса, введение молибдена в которые повышает температуру рекристаллизации феррита и тем самым повышает его жаропрочность.

Однако бо́льшую часть жаропрочных сталей, работающих при повышенных температурах, составляют аустенитные стали на хромоникелевой и хромомарганцевой основах с различным дополнительным легированием. Эти стали подразделены на три группы:

гомогенные (однофазные) аустенитные стали, жаропрочность которых обеспечивается в основном легированностью твёрдого раствора;

стали с карбидным упрочнением;

стали с интерметаллидным упрочнением.

Медь и ее сплавы

Медь отличается высокими теплопроводностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью, низкой температурой плавления, хорошо обрабатывается давлением, удовлетворительно резанием. Широко применятся в электротехнике, машино- и приборостроении. Медь по ГОСТ 859-78 выпускается в виде катодов, слитков, полос, лент, труб, проволоки, поковок, листов.

Латуни – двойные многокомпонентные медные сплавы с основным легирующим элементом – цинком. По сравнению с медью обладает более высокой прочностью и коррозионной стойкостью. Простые латуни обозначают буквой Л и цифрой, показывающей содержание меди в процентах. В специальных латунях после буквы Л пишут заглавную букву дополнительных легирующих элементов (А - алюминий, Б - бериллий, Ж - железо, К - кремний, Мц - марганец, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ц - цинк, Ф. – фосфор) и через тире после содержания меди указывают содержание легирующих элементов в процентах. Латуни разделяют на литейные и деформируемые. Латуни, за исключением свинцовосодержащих, легко поддаются обработке давлением в холодном и горячем состоянии. Все латуни хорошо паяются твердыми и мягкими припоями.

Бронзами называют медные сплавы, в которых основными легирующими элементами являются различные металлы, кроме цинка. Маркируют бронзы буквами Бр, за которыми следуют заглавные буквы легирующих элементов, а через тире цифры, показывающие их процентное содержание.

По сравнению с латунью бронзы обладают более высокой прочностью, коррозионной стойкостью и антифракционными свойствами. Они весьма стойки на воздухе, в морской воде, растворах большинства органических кислот, углекислых растворах.

Большинство бронз (за исключением алюминиевых) хорошо поддаются сварке и пайке твердыми и мягкими припоями.

Отжиг сталей

О́тжиг — вид термической обработки металлов, сплавов, заключающийся в нагреве до определённой температуры, выдержке в течение определенного времени при этой температуре и последующем, обычно медленном, охлаждении до комнатной температуры. При отжиге осуществляются процессы возврата (отдыха металлов), рекристаллизации и гомогенизации. Цели отжига — снижение твёрдости для облегчения механической обработки, улучшение микроструктуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений[1].

По классификации А. А. Бочвара различают 2 вида отжига:

Отжиг 1-го рода — без фазовой перекристаллизации — применяется для приведения металла в более равновесное структурное состояние: снимается наклёп, понижается твёрдость, возрастают пластичность и ударная вязкость, снимаются внутренние напряжения (в связи с процессами отдыха и рекристаллизации).

Отжиг 2-го рода осуществляется с фазовой перекристаллизацией: металл нагревается до температуры выше критических точек, затем следует выдержка различной продолжительности и последующее сравнительно медленное охлаждение.

Полный и неполный отжиг

Полный отжиг заключается в нагреве стали на 30—50 °C выше верхней критической точки для полного превращения структуры стали ваустенит и последующем медленном охлаждении до 500—600 °C для образования феррита и перлита. Скорость охлаждения для углеродистых сталей около 50—100 °C/час. Если охлаждение ведётся на воздухе, происходит нормализация.

Неполный отжиг заключается в нагреве до температуры между нижней и верхней критическими точками и последующем медленном охлаждении.

Изотермический отжиг

Для легированных сталей применяют изотермический отжиг, состоящий в нагреве выше верхней критической точки А3 область избыточного аустенита, выдержке, охлаждении до температуры ниже нижней критической точки А1, выдержке, достаточной для полного превращения аустенита в перлит, и охлаждении до комнатной температуры.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг

Диффузионный отжиг состоит в нагреве до температур, значительно превосходящих критические точки, и продолжительной выдержке; используется для литого материала, обеспечивает получение равновесной структуры. Диффузионный отжиг приводит к достижению более однородных свойств по объёму изделия и особенно улучшению механических свойств в поперечном (по отношению к прокатке) направлении. В необходимых случаях для предотвращения обезуглероживания стали производят отжиг в защитных атмосферах.