Высокопрочные мартенсито-стареющие стали имеют высокое значение прочности (в = 2000 МПа) в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью количество углерода не превышает 0,03%. В качестве легирующих элементов используют Ni (основной), Ti, Аl, Mo, Nb Со. Наиболее широкое распространение получила сталь 03Н18К9М5Т. Стали применяют в самолетостроении, ракетостроении.
ПНП-стали - стали аустенитного класса. Марки закрыты: углерода 0,3; кроме углерода Cr, Ni, Mo, Mn, Si. Прочность достигает 8-10. 8-10, 4, 1-1,25, 2 (соответственно) до 1800 МПа и выше.
6. Рессорно-пружинные стали. Требования, предъявляемые к рессорно-пружинным сталям: а) высокий предел упругости; б) высокий предел выносливости; в) сохранение упругих свойств в течение длительного времени.
Пластические деформации в упругих элементах не допускаются.
Высокие упругие свойства обеспечиваются рядом факторов: 1) содержание углерода 0,5-0,7%; 2) троститная структура, которую обеспечивает закалка и средний отпуск; 3) часто легирование кремнием и марганцев, реже другими элементами.
Свойства этих сталей: углеродистых - в = 1000-1200 МПа, = 5-8%; легированных - в = 1300-18-МПа; = 5-8%.
Примеры рессорно-пружинных сталей - 65; 65Г; 60СГ.
7. Подшипниковые стали. Подшипники работают в условиях высоких удельных знакопеременных нагрузок. Отсюда требования к подшипниковым сталям: 1) высокий предел контактной усталости; 2) износостойкость; 3) высокая твердость; 4) минимальное содержание дефектов в сплаве.
Стали маркируют буквой Ш - подшипниковая, Х - хромистая, и цифрой, указывающей содержание хрома в десятых долях процента углерода - около 1%. Примеры сталей: ШХ4, ШХ15СГ (т.е. иногда легируют и другими элементами). Термообрабатываются: закалка в масле и последующий низкий отпукск, твердость при этом НRС62. (Коротко о космосе, полых шарах, газах и упругости).
8. Износостойкая аустенитная высокомарганцовистая сталь. К этим сталям относятся сталь 110Г13П или сталь Готфильда. Изготавливаются детали (литьем), работающие в условиях износа и ударных нагрузок - траки гусеничных машин, зубья ковшей экскаваторов. Хорошо наклепывается НRС до 50-55. (Тюремные решетки). Состав - 0,9-1,4 С; 11,5-15 Mn; 0,5-1,0 Si.
2.4 КОНСТРУКЦИОНЫЕ ЧУГУНЫ
Сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода, называют чугунами. Наличие эвтектики в структуре чугуна обуславливает его использование в качестве литейного сплава. В результате различных условий кристаллизации в структуре чугунов углерод может находиться как в связанном, так и в свободном состоянии (в виде графита). Наличие углерода в связанном или свободном состоянии определяет название чугунов (излом чугунов, где углерод связан - носит белый, блестящий вид; излом чугунов, где углерод находится в несвязанном состоянии - серый): белый, половинчатый, серый. Чугуны, так же как и стали, подвергают легированию. Легирование осуществляется следующими металлами: хромом, кремнием, алюминием, марганцем и никелем.
2.4.1 СЕРЫЕ ЧУГУНЫ
Серые чугуны представляют собой группу чугунов, отличающихся друг от друга формой графитовых включений и свойствами. Различают три группы чугунов:
1 серый чугун - пластинчатый графит;
2 ковкий чугун - хлопьевидный графит;
3 высокопрочный чугун - шаровидный графит.
2.4.2 СЕРЫЙ ЧУГУН
Эти чугуны имеют достаточно сложный химический состав и по сути представляют сплав Fe-C-Si при наличии постоянных примесей: Mn, P, S. Содержание этих элементов находится в следующих пределах: 2,23,7 % С; 13 % Si; 0,21,1 % Mn; 0,020,3 % Р и 0,020,15 % S. В небольших количествах также могут содержаться Cr, Ni и Cu. Эти элементы влияют на:
1) условия графитизации;
2) количество и дисперсность графитовых включений;
3) структуру металлической основы, что во многом определяет свойства чугунов.
Углерод - оказывает определяющее влияние на качество чугуна. Увеличение концентрации углерода приводит к увеличению графитовых включений и снижению механических свойств, однако, литейные свойства улучшаются.
Кремний - способствует графитизации (выделению графита в процессе остывания отливки).
Марганец - затрудняет графитизацию и улучшает свойства чугунов.
Фосфор - увеличение концентрации приводит к улучшению литейных свойств, но значительно возрастает твердость и хрупкость.
Сера - ухудшает литейные и механические свойства чугунов.
Хром - затрудняет графитизацию и повышает склонность к отбелу.
Медь и никель - способствуют графитизации.
Наряду с химическим составом, большое влияние на свойства и структуру чугуна оказывает технологический фактор - скорость охлаждения. Уменьшение скорости охлаждения приводит к увеличению количества графита и уменьшению химически связанного углерода.
В микроструктуре серого чугуна (а также ковкого и высокопрочного) следует различать металлическую основу и включения графита (т.е. микроанализ таких чугунов должен проводиться двояким путем - по графиту и по металлической матрице).
По структуре чугуны делятся на: ферритный, структура - феррит + графит (рисунок 58. а); ферритно-перлитный, структура - перлит + феррит + графит (рисунок 58. б); перлитный, структура - перлит + графит.
Механические свойства серых чугунов зависят от структуры металлической матрицы и характера графитных включений (формы, размеров и количества). Причем решающее значение в данном случае имеют графитовые включения. С увеличением в структуре количества перлита возрастают значения твердости, прочности и износостойкости.
Графитовые включения действуют в чугуне как надрезы или трещины, пронизывающие металлическую матрицу и ослабляющие ее (графит обладает весьма низкими механическими свойствами). Чем крупнее графитовые полости и менее равномерно распределены по объему, тем меньше прочность чугуна. При растяжении по концам графитовых включений формируются очаги разрушений. Поэтому серый чугун с пластинчатым графитом плохо сопротивляется растяжению. Гораздо меньшее влияние графита на механические характеристики проявляется при изгибе и сжатии. Например, прочность чугуна при сжатии в 4 раза выше, чем при растяжении.
Наличие графита обеспечивает чугуну и ряд ценных свойств. Он измельчает стружку при резании, повышает износостойкость, придает демпфирующую способность и в большей степени снижает чувствительность к дефектам поверхности (надрезам).
Этот вид чугунов имеет очень широкий диапазон применения от малонагруженных деталей типа фланцев, крышек до деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках - блоки цилиндров, станины станков.
Для улучшения свойств серых чугунов их подвергают модифицированию (введение в жидкий чугун специальных добавок). В качестве модификаторов используют ферросилиций и силикокальций. Наиболее сильным модификатором является магний. Модифицированные чугуны применяют для деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и тяжелых условиях износа: гильзы цилиндров, шестерни, коленчатые валы.
Маркируются серые чугуны буквами СЧ (серый чугун) и цифрами, показывающими уменьшенный в 10 раз значение предела прочности на растяжение в МПа. Пример: СЧ 20 - серый чугун с пределом прочности 200 МПа.
2.4.3 КОВКИЙ ЧУГУН
Ковкий чугун - чугун, в котором графит имеет хлопьевидную форму. Хлопьевидный графит располагается более компактно и в меньшей мере, по сравнению с пластинчатым графитом, выполняет роль надрезов, поэтому графитовые полости в меньшей мере ослабляют металлическую матрицу. Ковкий чугун имеет более высокие показатели механических свойств по сравнению с серым чугуном.
По структуре металлической основы ковкие чугуны бывают ферритные и перлитные (Микроанализ в ряде случаев проводится по графиту, так же как и у серых чугунов).
Получают ковкий чугун методом отжига из белого доэвтектического чугуна. При этом толщина стенок отливки не должна превышать 50 мм. Отжиг для получения ферритного чугуна проводится в несколько стадий (рисунок 60).
Двустадийный отжиг (режим 1) позволяет произвести полный распад цементита и получить структуру феррит+графит отжиг. Отжиг для получения перлитного ковкого чугуна проводят по режиму 2 причем охлаждение проводится после первой стадии на воздухе. При этом не происходит распада цементита (эвтектоидного) и структура чугуна состоит из перлита и графита отжига.
Существуют методы ускоренного отжига белого чугуна на ковкий. Отжиг проводят после предварительной закалки, используют легирование алюминием и бором, применяют нейтральную или защитную среду. В этом случае продолжительность отжига сокращается до 2460 часов.
Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ (ковкий чугун) и цифрами, обозначающими уменьшенное в 10 раз минимальное значение предела прочности при растяжении, МПа и относительного удлинения, %. Пример: КЧ 37-12 - ковкий чугун с пределом прочности 370 МПа и относительным удлинением не менее 12%.
Ковкие чугуны обладают хорошим сочетанием прочности и пластичности. Применяют их для изготовления деталей, работающих в условиях износа при воздействии ударных и знакопеременных нагрузок, также для деталей, требующих высокой прочности.
2.4.4 ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН
Высокопрочными называют чугуны, имеющие графит в шаровидной форме. Их получают путем модифицирования магнием (0,030,07 %) или введением магниевых лигатур (во избежание пироэффекта).
Чугун после модифицирования имеет следующий химический состав: 3,03,6 % С; 1,12,9 % Si; 0,30,7 % Mn; до 0,2 % S и до 0,1 % Р.
По структуре металлической основы высокопрочный чугун может быть ферритным или перлитным.
Ферритный чугун в основном состоит из феррита и шаровидного графита. В нем допускается до 20 % перлита.
Структура перлитного чугуна: сорбитообразный или пластинчатый перлит и шаровидный графит.
Шаровидный графит менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый и потому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидным графитом обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью.
Марка высокопрочных чугунов состоит из букв ВЧ и числа, обозначающего уменьшенное в 10 раз значение временного сопротивления, например ВЧ 35 - В = 350 МПа; ВЧ 80 - В = 800 МПа.
Из высокопрочных чугунов изготавливают оборудование прокатных станов; кузнечно-прессовое оборудование; в турбостроении - корпус паровой турбины; в дизеле-, тракторо- и автомобилестронии - коленчатые валы, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания.
В некоторых случаях для улучшения механических свойств применяют термическую обработку отливок, для повышения прочности - закалку и отпуск при 500600 С, для увеличения пластичности - отжиг, способствующий сфероидизации перлита.
ЛЕКЦИЯ 3
Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов.
Термическая обработка стали. Превращение в стали при равновесном нагреве и охлаждении. Диаграмма изотермических превращений аустенита. Основные превращения, происходящие в стали при закалке и отпуске. Виды термической обработки стали. Химико-термическая обработка.
3.1 термическая обработка углеродистых сталей
Термической обработкой (ТО) называют совокупность операций теплового воздействия на материалы с целью изменения их структуры и свойств в нужном направлении. Заключается в нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.
Термическая обработка - один из распространенных и эффективных способов изменения структуры и свойств сталей, обусловленных протеканием различных фазовых превращений в неравновесном состоянии без изменения химического состава.
Данный вид обработки может быть как промежуточной операцией, предназначенной для улучшения технологических свойств, так и окончательной - для обеспечения в материале или изделии требуемого комплекса механических свойств.
Этому технологическому воздействию подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.
Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск. (Тепловое воздействие может сочетаться с деформационным: термомеханическая обработка и химическим: химико-термическая обработка воздействиями. К разновидностями термической обработки также относят: старение, патентирование, обработку холодом, электротермическую и термомагнитную обработки.)
На практике различают предварительную термическую обработку углеродистой стали (отжиг, нормализация) целью которой является подготовка структуры к последующим технологическим воздействиям и конечную, сообщающую материалу нужную структуру и заданные свойства (закалка в сочетании с отпуском). В настоящей лабораторной работе рассматриваются: отжиг, нормализация и закалка.
Принадлежность к тому или иному виду термической обработки определяются типом структурных изменений, происходящих при этом в материале (металле или сплаве).