Конструкционные материалы: Классификация углеродистых сталей

Лекция 3. конструкционные материалы. Классификация углеродистых сталей

Требования к материалам конструкционного машиностроения различаются. Конструкционные материалы по конструктивным свойствам можно разделить на: - материалы, обеспечивающие упругость, эластичность и циклическую прочность стали:

- материалы с особыми технологическими свойствами;

- износостойкие материалы;

- высокие свойства упругости материалов;

- материалы низкой плотности;

- материалы с высокой относительной прочностью;

- материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды;

- материалы с особыми физическими свойствами (магнитные мягкие, магнитные твердые, ферромагнетики);

- материалы с особыми тепловыми свойствами;

- материалы с особыми электрическими свойствами.

Стали можно разделить по различным свойствам: по химическому составу, качеству, степени окисления, назначению, структуре.

По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные.

По качеству: сталь отличного качества, отличного качества, отличного качества, отличного качества. Качество стали зависит от металлургического процесса и определяется содержанием в ней кислорода, азота, водорода и вредных примесей – серы и фосфора. При обычном качестве стали должны содержать вредные примеси не более 0,06% S и 0,07% Р, при качестве – 0,035 S и 0,035 Р; при высоком качестве – не более 0,025% S и Р; при высоком качестве – не более 0,015% S и 0,025% Р.

По способам производства различают мартеновские, конверторные (бессемерные) и электротехнические стали. По степени окисления:

- тихий, хорошо окисленный марганцем, кремнием и алюминием, на верхней поверхности отливки образуется осадок, выход полезного продукта 85-90 %;

- кипящий, окисленный только марганцем; в процессе твердения Нцэ в результате взаимодействия с углеродом в стали выделяется газ СО. Пузырьки газа всплывают на поверхность, и в стали наблюдается такое явление, как если бы она кипела; осадка не происходит, выход полезного продукта составляет 95 -100 %, кипящие стали дешевле, чем тихие стали, но, поскольку они насыщены газом в больших количествах, они имеют низкое качество;

- полуспокойные, окисленные марганцем и алюминием и занимающие место между тихими и кипящими сталями, выход полезного продукта стали составляет 90 – 95%.

Стали по назначению:

- конструкционные, для изготовления деталей машин, строительных конструкций;

- инструментальный-применяется для изготовления различных инструментов: режущих, измерительных, для обработки металлов давлением, для плавления и кристаллизации сплавов;

- стали с особыми свойствами-стали, обладающие специальными физико – химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, жаропрочные, магнитные и др.). Общие требования к конструкционные материалы.

Машины, приборы, инженерные конструкции, подвергающиеся механическим нагрузкам, называются конструкционными – материалами для изготовления деталей. Детали, размеры, условия эксплуатации машин и приборов отличаются разнообразием. Они работают в статических, циркуляционных, ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, контактно с различными средами. Таким образом, определяются требования к конструкционным материалам, важнейшими из которых являются эксплуатационные, технологические и экономические требования.

Требование использования имеет важное значение. Для обеспечения работоспособности конкретных машин и приборов конструкционный материал должен обладать конструктивной прочностью. Совокупность механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную эксплуатацию материала в условиях эксплуатации, называется конструкционной прочностью.

Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение низкой трудоемкости при изготовлении деталей и конструкций. Технологические требования к материалу – характеризуют возможные способы его обработки. Он оценивается резанием, обработкой под давлением, сваркой, разливочной способностью и теплоемкостью, склонностью к деформации и искривлению при тепловой обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от этого зависит производительность и качество изготовления деталей.

Низкая цена на Материал будет зависеть от экономических требований. Стали и сплавы должны по возможности состоять из минимального количества легирующих элементов. Применение материалов, состоящих из легированных элементов, должно быть доказано повышением эксплуатационных свойств деталей механизма. А такие факторы, как прогнозирование правильных технологических методов, имеют огромное производственное значение экономических требований.

Конструктивная прочность-комплексная характеристика, заключающаяся в сочетании критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерий прочности материала выбирают в зависимости от условий его эксплуатации. Критерием прочности при статических нагрузках является временное сопротивление ѕв или предел текучести s0,2 (ѕт), характеризующее сопротивление материала деформации прокатки. Поскольку в условиях функционирования многих деталей ограничена деформация прокатки, то их грузоподъемность определяется, как правило, порогом дестабилизации. Для приблизительной оценки статической прочности используют твердость НВ (для стали экспериментальное соотношение ѕв =НВ/3 верно).

Надежность-свойство материала противостоять хрупкости. В эксплуатационных условиях хрупкое разрушение приводит к внезапному выходу из строя деталей работающего механизма и остановке машины. Поскольку разрушение происходит с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, вероятность последствий аварии также считается наиболее опасной. Конструкционные материалы должны быть достаточно прокатными (d, y) и с ударной вязкостью (КСU) для предотвращения разрушения Морта. Но эти параметры надежности, выявленные в небольших лабораторных образцах без учета условий эксплуатации конкретного детали, достаточны только для мягких малонадежных материалов. А стремление к уменьшению металлоемкости конструкций приводит к широкому использованию высокопрочных, как правило, малопрокат ных материалов с тенденцией к хрупкому разрушению.

Для оценки надежности материала также используются следующие параметры:

1) ударная вязкость КСВ и КСТ;

2) температурное начало холодной ломки t50.

Но эти параметры не подходят для расчета прочности, так как с ними дается только качественная оценка.

Параметром КСВ оценивается пригодность конструкционных материалов сосудов высокого давления, систем трубопроводов и т.д., требующих высокой надежности.

На подошве разреза хорошо заметен параметр КСТ, определяемый в образцах света, образующихся от истирания. Он описывает работу по развитию света при ударе и оценивает свойства материала, сдерживающего начавшийся износ. Если КСТ материала = 0, то это означает, что процесс его изнашивания происходит без потерь работы. Такой материал хрупкий, непригодный для использования. Напротив, чем выше параметр КСТ, определенный при рабочей температуре, тем выше надежность материала в условиях эксплуатации.

Под длительной устойчивостью понимается свойство материала сопротивляться постепенному разрушению (постепенная остановка), обеспечивающее работоспособность деталей механизма в течение заданного времени (запаса).

Разрушительные свойства работоспособности (постепенной остановки) различны: развитие утомительных процессов, износ, непрерывная деформация растяжения, коррозия, отечность от облучения (радиации) и т.д. Эти процессы постепенно приводят к отсутствию и выходу из строя необратимых повреждений материала. Для обеспечения долговечности материала необходимо снизить скорость его разрушения до необходимых значений. Для большинства деталей механизмов машин (более 80%) определяется стойкость применяемого материала к истиранию (длительная стабильность вращения) или стойкость к истиранию (износостойкость). Поэтому необходимо детально рассмотреть причины снижения работоспособности материала детали.

Длительная стабильность вращения-характеризует способность материала работать в условиях многократного повторения циркуляционных напряжений. Оборот напряжений-в течение периода Т, ѕе двух его предельных значений.у и ѕе.совокупность изменений между К.

Долговечность и прочность на сжатие зависят от многих причин, среди которых решающее значение имеет структура и напряженное состояние поверхности, качество поверхности и поведение коррозионной среды. Наличие остаточных напряжений сжатия на поверхности затрудняет образование усталостного света, в результате чего допускают увеличение предела выносливости. Напряжения на растяжение и напряжения на растяжение сразу оказывают отрицательное влияние, они:

изменение типа конструктивно-рычажного сечения: валентности, отверстия, канавки, влагалища и др.;

технологическая-небольшие неровности поверхности, царапины и другие следы механической обработки;

металлургические-внутренние дефекты в виде отверстий, полостей, неметаллических придатков (окислов, сульфидов, силикатов и др.).

Износостойкость-свойство материала проявлять устойчивость к износу при известных условиях трения. Изнашивание-процесс постепенного осыпания его поверхностных слоев путем расщепления частиц материала под действием сил трения. Результатом износа называется износ. Его определяют по изменению размеров (линейный износ), уменьшению объема или массы (объемный или массовый износ).

Износостойкость материала оценивается обратной величиной Јк скорости изнашивания или Іһ нарастающей интенсивности. Скорость и интенсивность износа являются отношением износа к соответствующему времени или пути трения.

Методы повышения конструктивной прочности. Высокая прочность и долговечность конструкций с минимальной массой и максимальной надежностью достигается технологическими, металлургическими и конструкторскими методами.

Наиболее высокой эффективностью обладают технологические и металлургические методы, целью которых является повышение механических свойств и качества материала.

Технологические факторы, повышающие конструктивную прочность: легирование, растягивающая деформация, термическая.

Технологические факторы, повышающие конструктивную прочность: за счет легирования, растягивающей деформации, термической, Термико – механической и химико – термической обработки:

- увеличение плотности дислокации;

- создание дислокационных помех в виде зерен, мелких зерен, границ рассеянных частиц вторичных фаз.

- формирование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку.

Металлургические факторы повышают конструктивную прочность:

- повышение чистоты, металлургических свойств металлов и сплавов;

- очистка от вредных примесей (сера, фосфор, газообразные элементы-водород, кислород, азот )

- очистка от неметаллических примесей-оксидов, сульфидов и др.

Сплав углеродистых сталей. Углеродистые стали с обычным качеством. Он дешевле, чем другие стали, и производится в больших количествах.

Классификация углеродистых сталей. Углеродистые стали с обычным качеством. Эти стали являются дешевыми сталями, которые производятся в больших количествах.

При обычном качестве стали соединяют буквой Ст и условным числом от 0 до 6. Если сталь представляет собой сталь группы А, то в ней не указываются группы: Ст0, Ст1, Ст2 ... Ст6. Если сталь-сталь группы Б, то в начале листа ставится буква «Б": БСт0, БСт1, БСт2 ... БСт6. Если сталь-сталь группы В, то в начале Буквы «В» ставится буква: ВСт1, ВСт2 ... ВСт5.

Вся группа сталей с числами 1-4 производится кипящим, полуспокоенным и тихим путем, а стали с числами 5 и 6-полуспокоенным и тихим путем. Ст0 не разделяет сталь по степени окисления. В конце стопки кипящих сталей проставляются индексы» кп«, полулежащих» пс «и спокойных» сп".

Стали группы А применяются в горячекатаном виде для конструкций и деталей. Их обогащение не должно иметь отношения к горячей деформации и термической обработке.

Стали группы Б поставляются по гарантированному химическому составу. Их механические қасиеттрі не гарантируется. Поскольку известен химический состав сталей группы Б, их можно обрабатывать горячим давлением, а изделия, из которых они изготовлены, подвергать термической обработке. Для выбора режимов горячей деформации и термической обработки необходимы данные о химическом составе стали.

Поставляет стали группы В с гарантированным химическим составом и механическими свойствами. При этом механические свойства сталей группы В соответствуют механическим свойствам, назначенным для сталей соответствующей группы А, а по химическим свойствам-для сталей этой группы Б. Например, механические свойства стали ВСт2кп такие же, как у Стали Ст2кп, а химический состав такой же, как у Стали Бст2кп. Стали этой группы ВСт1 ... ВСт5 выпускаются как стационарные.

При обычном качестве все три группы углеродистых сталей широко используются в сварных, заклепочных, металлических конструкциях и конструкциях, соединенных болтами, а также при изготовлении деталей малонагруженных машин.

Стали 15, 20, 25, образующие вторую группу низкоуглеродистых, хорошо свариваются и обрабатываются резанием.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50 хорошо обрабатываются термическим путем и хорошо обрабатываются на металлорежущих инструментах в загущенном состоянии. Используется при изготовлении ответственных деталей машин.

Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 можно проводить различные виды термообработки, которые после обработки приобретают высокую прочность, износостойкость и эластичность. Из них изготавливают рессоры, пружины, прокатные валы и др.

Углеродистые качественные инструментальные стали обозначают буквой У, а число после буквы указывает на среднюю десятичную долю углерода (У7 ... У13). Если в конце листа имеется буква А, то это указывает на высокое качество стали (У12А).

Ответить на контрольные вопросы:

1. Как изготавливаются углеродистые стали по качеству?

2. Как классифицируются стали по степени окисления?

3. какие примеси в составе Стали являются вредными?

4. Как изготавливают углеродистые инструментальные стали?

5. Какие стали относятся к углеродистым сталям?