Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Стали с различным уровнем прочности

15.11.2018

Для машиностроительных деталей, работающих в условиях, когда требуется обеспечить определенный уровень прочности (слабо- или средненагруженные детали) или прочности в сочетании с сопротивлением динамическим и циклическим нагрузкам (ответственные детали), применяют стали с различным уровнем статической прочности (табл. 14.3).

Управляющими факторами для создания необходимого уровня прочности являются:

• содержание вредных примесей;

• содержание углерода;

• природа и количество легирующих элементов;

• термическая обработка.

Технологическим свойством, определяющим применение сталей для производства деталей того или иного размера, является прокаливаемость, которая увеличивается при повышении содержания углерода и легирующих элементов.

В сталях систем Fe — C и Fe — С — Меi (где Mei — любой легирующий элемент) повышение прочности возможно при уменьшении вредных примесей, повышении содержания углерода и легирующих элементов, применении упрочняющей термической обработки (закалки с отпуском). В безуглеродистых сталях систем Fe — Ni — Mei и Fe — Cr — Ni — Меi высокого уровня прочности в сочетании с характеристиками надежности достигают при упрочняющей термообработке (закалка + старение).

Стали пониженной прочности (ов < 650 МПа) используют для производства слабонагруженных (неответственных) деталей массового назначения. К ним относятся болты, гайки, муфты, пальцы, рычаги, серьги, стержни, цапфы, фланцы, шайбы, штуцера и другие детали, а также арматура, несущие элементы конструкций.

Указанный выше уровень прочности характерен для доэвтектоидных низко- и среднеуглеродистых сталей (0,09...0,35 % С) как обыкновенного качества, так и качественных. Стали обыкновенного качества маркируют буквами Ст (от слова сталь) и цифрами от 0 до 6 (условный номер марки стали в зависимости от содержания углерода): СтО, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Согласно технологии выплавки стали обыкновенного качества подразделяют на кипящие (кп), полуспокойные (пс) и спокойные (сп).

Стали качественные маркируют словом сталь и цифрами, означающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: сталь 08, сталь 10, сталь 15, сталь 20, сталь 25, сталь 30, сталь 35, сталь 40, сталь 45. С увеличением содержания углерода в сталях повышается прочность и снижается пластичность (отожженное состояние) (рис. 14.2).

Низкоуглеродистые стали обыкновенного качества обладают хорошей деформируемостью при холодной обработке давлением и свариваемостью. Они имеют две области применения:

1) марки СтО, Ст1, Ст2 — для строительных конструкций (рамы, фермы);

2) марки Ст2кп, Ст2пс, Ст2 — для деталей, изготовляемых холодной штамповкой (шайб, прокладок, проушин).

Среднеуглеродистые более прочные стали марок Ст3, Ст4 широко используют в сельскохозяйственном машиностроении для осей, рычагов, валиков и т. п.

Качественные низкоуглеродистые стали 08, 10, 15, 20 имеют, как и стали обыкновенного качества, две области применения:

1) для изготовления деталей методом холодной штамповки — шайб, прокладок, проушин;

2) для цементуемых деталей, работающих в условиях трения.

Стали нормальной прочности (ов = 650...900 МПа) используют для изготовления средненагруженных деталей, которые работают при невысоких нагрузках (болты, гайки, втулки, пальцы, рычаги и т.п.), а также более ответственных изделий машиностроения: валов-шестерней, распределительных валов; коленчатых и карданных валов; зубчатых колес, шестерней; червяков, кулачков и др.

Для этих деталей применяют как качественные низко- и среднеуглеродистые, так и низко- и среднелегированные стали в термически упрочненном состоянии — после закалки и отпуска. Необходимого уровня прочности достигают за счет изменения химического состава и режима термообработки (температуры отпуска) (табл. 14.4).

Все легированные стали можно отнести к категории экономнолегированных, так как в них присутствует только один легирующий элемент.

В среднеуглеродистых сталях, как углеродистых, так и легированных, необходимого уровня прочности достигают при высоком отпуске, благодаря которому удается улучшить все характеристики надежности: пластичность, ударную вязкость и критическую температуру хрупкости. Поскольку в этих сталях присутствуют легирующие элементы при 0,35...0,40 % С, они отличаются также и повышенной прокаливаемостью: например, до 35 мм — у стали 35Х и до 60 мм — у стали 40Г2.

Стали повышенной прочности (улучшаемые) (ав = 900...1200 МПа) применяют для изготовления ответственных деталей машин, работающих в условиях:

• повышенных статических нагрузок;

• циклических и ударных нагрузок;

• повышенных температур;

• пониженных климатических температур.

К таким деталям относят коленчатые валы, шатуны, ответственные детали турбин, валы, штоки, шатуны и другие детали с концентраторами напряжений.

Для указанных деталей машин и условий работы применяют так называемые улучшаемые (или термически улучшаемые) стали. Улучшение предполагает термическую обработку, включающую закалку и высокий отпуск.

Улучшаемыми являются среднеуглеродистые среднелегированные стали. Температура высокого отпуска составляет 550...650 °С.

Содержание легирующих элементов, %, в сталях находится в диапазоне значений:

Легирующие элементы повышают устойчивость аустенита при охлаждении, поэтому наибольшим критическим диаметром обладают комплексно-легированные стали. При усложнении легирования увеличиваются временное сопротивление при растяжении и критический диаметр, а также понижается критическая температура хрупкости (табл. 14.5).

Легирующие элементы улучшаемых сталей влияют и на другие свойства, такие как:

• склонность к росту зерна при нагреве под закалку — карбидообразующие элементы, например ванадий, препятствуют росту зерна;

• теплостойкость — тугоплавкие элементы, легируя твердый раствор (феррит в сорбитной структуре), замедляют диффузионные процессы;

• склонность к отпускной хрупкости — молибден и вольфрам устраняют эту склонность.

В зависимости от требований к прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств используют соответствующие марки сталей, химический состав которых определяется ГОСТ 4543-71. Марки некоторых сталей и их свойства приведены в табл. 14.5.

Высокопрочные стали (ов > 1600 МПа) применяют в авиастроении для изготовления деталей шасси самолетов, тросов вертолетов, баллонов с горючим, крепежа; в ракетостроении — для корпусов ракет, в конструкциях пусковых установок; в судостроении для оболочек подводных аппаратов; в нефтегазовой промышленности — для буровых штанг, удерживающих инструмент при бурении глубоких скважин.

Основные требования к высокопрочным сталям состоят в обеспечении, наряду с необходимым уровнем прочности, достаточной пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости. Таким комплексом свойств обладают стали, приведенные в табл. 14.6.

Среднеуглеродистые низколегированные низкоотпущенные стали, например 30ХГСН2А, 40ХГСНЗВА, 35ХГСА, 35Х2ФА, применяют в авиастроении для производства деталей шасси, болтов, баллонов; в ракетостроении — для корпусов двигателей.

Среднеуглеродистые низколегированные стали, упрочняемые термомеханической обработкой, используют для изготовления деталей простой формы, от которых требуется высокая прочность: буровые штанги в нефтяной и добывающей промышленности, рессоры мощных машин в общем машиностроении.

Мартенситно-стареющие (MC) стали, упрочняемые при старении безуглеродистого мартенсита, — особый класс высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологическим свойствам другие высокопрочные стали. МС-стали имеют специальное применение в авиационной, ракетной технике, в судостроении: из них изготовляют крупные детали несущих конструкций ракет, шасси и гидрокрылья самолетов, корпуса подводных лодок и батискафов.

Основной группой МС-сталей являются сплавы системы Fe — Ni (15...19 % Ni), легированные кобальтом (4...17 %), молибденом (3,3...5,5 %), титаном (0,5...1,9 %), а также алюминием (0,15...0,30 %).

МС-стали сочетают высокую прочность с высоким уровнем характеристик надежности — критическим коэффициентом интенсивности напряжений (К1с) и критической температурой хрупкости t50 (на 70...80 °C ниже, чем у среднеуглеродистых высокопрочных сталей). Механические свойства МС-сталей системы Fe — Ni — Co — Mo — Ti приведены ниже:

По сравнению с высокопрочными среднеуглеродистыми сталями МС-стали обладают рядом преимуществ:

• низкая критическая скорость закалки и возможность получения мартенсита при охлаждении на воздухе; отсутствие коробления и трещин при закалке;

• очень высокая прокаливаемость;

• высокая технологическая пластичность при холодной деформации;

• стабильность размеров при окончательной термообработке;

• хорошая свариваемость и возможность получения равнопрочных (с основным металлом) сварных швов.

Главный недостаток МС-сталей заключается в том, что они являются некоррозионно-стойкими.

К этой группе относят стали марок: Н18К9М5Т (ЭП637), Н18К12М5Т2 (ЭП809), Н16К4М5Т2Ю (ЭИ89) и др. Химические составы сталей регламентируются соответствующими техническими условиями. В скобках указывают номера сталей, которые присваивает завод-изготовитель.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: