Характеристики стали

Детали машин

Морозова И.Г. Детали машин и основы конструирования. Стали и чугуны для деталей силовых редукторов и мультипликаторов. Учебное пособие для выполнения домашних заданий и курсового проектирования.

Материалы

В учебном пособии представлены материалы, посвященные сталям и чугунам, применяемым в общем машиностроении при производстве таких достаточно сложных конструкций, как редукторы и мультипликаторы. Подбор информации осуществлен на основе учебных программ. Пособие предназначено для студентов обучающихся по направлению 150100 «Металлургия».

Снижение материалоемкости конструкции

- важный источник повышения эффективности общественного производства.

Пути экономии материалов:

Выбор оптимальной схемы машины и узла;

Уточнение расчетов и снижение коэффициентов безопасности ;

Выбор оптимальных типов и конструктивных исполнений деталей;

Выбор оптимальных материалов и их термической обработки;

Применение прогрессивных технологий и приближение форм деталей к формам наиболее простых и дешевых заготовок

Понятия

Определения и понятия.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств. Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и др. Перечисленные элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi могут быть также применены в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов. Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn?0,8%, Si?0,4%, Cr?0,3%, Ni?0,3%, Cu?0,3%, Mo?0,10%, W?0,2%, P?0,025-0,040%, S?0,015-0,050%. Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли в стали. Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

Классификация сталей

Существуют несколько признаков классификации машиностроительных сталей: по составу: углеродистые, легированные; по обработке: улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситно-стареющие и т.д.; по назначению: пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.п. Нет единой классификации сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Конструкционные стали

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяют на: строительные; машиностроительные; стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Требования

Основные требования к конструкционным машиностроительным сталям.

Высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным сочетанием прочности, вязкости и пластичности; необходимые технологические свойства – хорошая обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость, малая склонность к образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке; специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, определенные физические свойства и т.Д.

Классификация сталей по качеству

По качеству стали подразделяют на: стали обыкновенного качества; качественные стали; высококачественные стали; особовысококачественные стали. Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы.

Содержание серы

и фосфора в сталях разного уровня качества.

Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях разной категории качества:

Категория обыкновенного качества может относится только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относится к любым по степени легирования сталям.

Р

S

Обыкновенного качества……

0,040

0,050

Качественная………………….

0,035

0,035

Высококачественная…………

0,025

0,025

Особовысококачественная…..

0,025

0,015

Маркировка сталей

В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов. Углеродистые конструкционные к качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25 ... 80; 85). Для сталей, полностью не расчисленных (при С < 0,20%), в обозначение добавляются индексы: КП - кипящая сталь, ПС - полуспокойная сталь (например, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; УI0; У11; У12; У13).

Цифры

Маркировка сталей.

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента. Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42 – 0,50 % С; 0,5 – 0,8 % Mn; 0,8 – 1,0 % Cr; 1,3 – 1,8 % Ni; 0,2 – 0,3 % Mo и 0,10 – 0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ.

Сталь

Маркировка сталей.

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки, то сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2). Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (30ХГС-Ш или 30ХГСА-Ш). Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относятся к категории качественных (30ХГС).

Трансляция российских марок

сталей.

Принятая в России система маркировки наглядна и проста. В других странах применяют другие принципы обозначения сталей.

Россия

Германия

Франция

Сша

Япония

10

С10

XC10

1010

S9CK

50хф

50CrV4

50CV4

6150

SUP5

У8

C80W1

XC80

W1-0,8C

SK5

Р18

X72WCrV1865

Z80W18

T1

SKH2

12х13

X10Cr13

Z12C13

410

SECI

12х18н9

X12CrNi18-8

Z12CN18-8

302

SEC7

Углеродистые стали

обыкновенного качества.

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяются на три группы: А, Б, В. Стали группы А поставляют с регламентируемыми механическими свойствами. Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке.

Стали группы Б

Углеродистые стали обыкновенного качества.

Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные механические свойства определяются самой обработкой. Стали группы В поставляют с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы В дороже, чем стали группы А и Б, их применяют для ответственных изделий.

Стали обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества.

Углеродистые стали обыкновенного качества бывают спокойными (сп), полуспокойными (пс), и кипящими (кп). В их составе разное содержание кремния, %: спокойные 0,12 – 0,30; полуспокойные 0,05 – 0,17; кипящие ? 0,07. Каждая марка стали может иметь различную категорию в зависимости от количества нормируемых показателей химического состава и механических свойств.

Обозначаются углеродистые стали обыкновенного качества буквами «Ст», за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера от Ст 1 до Ст 6 содержание углерода в стали увеличивается. Группы Б и В указывают впереди марки. Группа А в обозначении марки не указывается. Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют один из индексов сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойные стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2 %). В этом случае после номера стали ставится буква «Г».

Химический состав

Углеродистые стали обыкновенного качества.

ВСт3сп5 означает, что сталь Ст3 спокойная, группы В, категории 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивлении е при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии, ударная вязкость при -20°С и после механического деформационного старения). Ст2кп означает что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение). БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержание C, Mn, Si, P, S, As, N, Cr, Ni, Cu).

Марка стали

С%.

S?

P?

Ст 0

Ст1

Ст2

Ст3

Ст4

Ст5

Ст6

Ст7

Химический состав углеродистых конструкционных сталей обыкновенного качества

?0,23

0,07

0,055

0,06-0,12

0,045

0,055

0,09-0,15

0,045

0,055

0,14-0,22

0,045

0,055

0,18-0,27

0,045

0,055

0,28-0,37

0,045

0,055

0,38-0,49

0,045

0,055

0,50-0,62

0,045

0,055

Марка стали

Свойства

углеродистых спокойных и полуспокойных углеродистых сталей обыкновенного качества.

Применение конструкционных углеродистых сталей

Ст3.

Ст4

Ст5

Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества

Применение

Ст2

Марка стали

Ст0; Ст1

Ст6,Ст7

Второстепенные элементы конструкций и неответственные детали, :настилы, арматура, шайбы, перила, кожухи и т. д.

Неответственные детали, требующие повышенной пластичности, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие при постоянных нагрузках и положительных температурах.

КП – малонагруженные элементы сварных конструкций, работающие в интервале температур Т°С от -10 до +400°С; СП – фасонный и листовой прокат – несущие элементы сварных конструкций, работающие при переменных нагрузках в интервале температур от -40 до +425°С

ПС – сварные, клепаные, болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового проката, а также для малонагруженных валов, осей, втулок и др.

ПС, СП - детали клепаных конструкций, болты, гайки, втулки, упоры, штыри, пальцы и т.д., работающие в интервале температур от 0 до +425°С.

ПС, СП – детали повышенной прочности – оси, валы, пальцы, поршни, шпонки и т. д.

Качественные стали

Углеродистые качественные стали.

В машиностроении находят применение для изготовления деталей и изделий, чаще всего неответственного назначения, дешевые углеродистые качественные стали. Свойства углеродистых сталей определяются содержанием углерода и применяемой обработкой. Горячекатаные, нормализованные и отожженные стали имеют феррито-перлитную структуру. С увеличение содержания углерода количество перлита возрастает и при ~ 0,8 % С сталь имеет полностью перлитную структуру. В заэвтектоидной стали наряду с перлитом появляется избыточный цементит. Увеличение содержания углерода (перлита) приводит к росту прочности и падению пластичности вязкости феррито-перлитной стали , при этом порог хладноломкости существенно повышается.

Углнеродистые качественные стали

0,27-0,35

0,50-0,80

0,17-0,37

0,035

0,04

0,25

0,25

0,25

0,08

Марки углеродистых качественных сталей: 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60 Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Пример химического состава (содержания углерода и примесей) качественной углеродистой стали.

Марка стали

C

Mn

Si

P ?

S ?

Cr ?

Ni ?

Cu ?

As ?

Сталь 30

Механические характеристики

сталей для деталей механизмов.

Применение

Применение конструкционных углеродистых качественных сталей

Марка стали

Сталь 15

Заменитель: стали 10, 20. Болты, винты, крюки и др. детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности и работающие при температуре от -40 до 450°С. После ХТО – кулачки, гайки и др. детали с высокой поверхностной твердостью.

Сталь 30

Сталь 40

Заменитель: стали 35 и 45. После ТО: коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, оси и др. После ТВЧ: средних размеров валики, зубчатые колеса и др.

Сталь 50

Сталь 60

Заменитель: стали 25 и 35.Рычаги, валы, соединительные муфты и др детали невысокой прочности.

Заменитель: стали 45 и 55. После ТО: зубчатые колеса, прокатные валки, тяжелонагруженные валы и оси, миалонагруженные пружины и рессоры и т.д.

Заменитель: сталь 55. Цельнокатаные колеса вагонов, рабочие валки листовых станов для горячей прокатки, диски сцепления и др, т.е. детали с высокой прочностью и износостойкостью.

Шарикоподшипниковые стали

Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии). Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. итмела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно) хромом. Государственный стандарт предусматривает четыре основные марки шарикоподшипниковой стали.

Марки шарикоподшипниковых сталей

и их применение.

Свойства легированных конструкционных сталей

Шестерни

Валы, шестерни; шпильки; фланцы и др. ответственные детали, работающие при высоких нагрузках и при Т = 450 - 500°С.

Примеры применения конструкционных легированных сталей

Стали

Применение

30х; 35х; 35хра

Оси, рычаги, болты, гайки и др. некрупные изделия.

40х; 45х;38ха; 40хн; 50х

Оси, валы, валы-шестерни, коленчатые и кулачковые валы, зубчатые колеса и др улучшаемые детали повышенной прочности.

30хн2мфа; 30хн2вфа

Шх15; шх9; шх12

70; 65г; 60с2а; 9хс;60с2; 55с2;50хфа

30хм; 30хма; 35хм; 40хн; 30хм; 30хгса

Валы, цельнокованые роторы, детали редукторов, шпильки и др. детали турбин и компрессорных машин, работающие при повышенных температурах.

Пружины, рессоры, фрикционные диски и др. детали, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости и работающие без ударных нагрузок.

Шарики d?150 мм, ролики d?23 мм, кольца подшипников с толщиной стенки до 14 мм, ролики толкателей и др. детали от которых требуется высокая твердость, износостойкость и контактная прочность. В стали ШХ15: С – 1%; Мn – 0,3%; Si – 0,25; Сr – 1,5%.

Чугуны

Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома; структура в не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т.е. весь углерод находится в форме цементита; свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом; марки: ИЧХ3, ИЧХ5, ИЧХ15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…); применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц); не нашел широкого применения в общем машиностроении.

Процесс графитизации

Кроме того, образование графита возможно при нагреве цементита (Ц – неустойчивое соединение) с образованием А + Г или Ф + Г.

Е'С'F‘ (1153°) – линия фазового равновесия L ? А + Г. P'S'K‘ (738°) - линия фазового равновесия А ? Ф + Г

При определенных кинетических условиях и диффузионных процессах при охлаждении вместо цементита образуется графит (Г). Диаграмма Fe – C называется стабильной, а Fe – Ц – метастабильной. Образование графита из жидкости или аустенита происходит в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм то есть в условиях малых переохлаждений и, следовательно при малых скоростях охлаждения

Излом серого чугуна

Чугуны.

Излом серого чугуна имеет матовый серый цвет. Обладает хорошими литейными свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1) ; серый феррито-перлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3).

Графит

Чугуны.

В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита, который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна.

Литые детали машин

Сч12-28 сч18-36.

Вч50-1,5 вч45 -5

Кч35-10 кч45-6

Марки серых чугунов и их применение

Вид чугуна

Примеры маркировки

Свойства

Применение

?в =12 кгс/мм2 =120 МПа ?и = 28 кгс/мм2= 280 МПа ?в = 18 кгс/мм2; ?и = 36кгс/мм2

Высоко- прочный чугун

?в= 50 кгс/мм2 = 500 МПа ?% = 1,5% ?в = 45 кгс/мм2; ?% = 5%

Ковкий чугун

?в- предел прочности при растяжении; ?% - относительное удлинение после разрыва; ?и – предел прочности при изгибе.

Обычный серый

?В = 35 кгс/мм2 = 350 МПа ?% = 10% ?В = 45 кгс/мм2 ; ?% = 6%

Станины; корпуса редукторов;тракторные отливки, поршневые кольца и др.

Коленчатые валы; арматура тоннелей метро; канализационные трубы; и др.

Литые детали машин, не испытывающие значительных растягивающих и ударных нагрузок.

Аспекты выбора материалов

для изготовления деталей машин.

Механические (конструкционные) свойства материалов. Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют процесс получения узлов и деталей макшин с наилучшими служебными свойствами. Методы определения технологических свойств стандартизованы.К числу важнейших относятся: свариваемость, паяемость, упрочняемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства и технологическая деформируемость. Экономические параметры, связанные с затратами на изготовление деталей.

Механические свойства

металлических материалов и методы их определения.

Детали должны выдерживать (передавать) различные нагрузки: статические, динамические, циклические, тепловые и др. Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям, (т.е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость нагружения и т.д.) может иметь различные механические свойства. Количественная оценка механических свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики проведения испытаний стандартизованы.

Испытание на растяжение

Образец для испытаний

Относительное

Удлинение

Сужение

Разрушение образца из пластичного материала

Диаграмма растяжения

с площадкой текучести.

?пц, ?уп и ?т– пределы пропорциональности, упругости и текучести; ?в – временное сопротивление; ?р – напряжение в момент разрыва.

Закон Гука ? = E??

Предел текучести

Диаграмма растяжения без площадки текучести.

?0,2

0,2%

?0,2 – условный предел текучести ?р,ист – истинное напряжение в момент разрыва

Испытание на сжатие

d0

h0

Деформация образца

Образец для испытаний

Из пластичного материала

Из хрупкого материала

Диаграммы растяжения и сжатия

?

?Вс

Диаграммы растяжения и сжатия пластичного (например, стали) и хрупкого (например, чугуна) материалов

F

?Вс > ?вр

?Тс ??тр

Разрушение образца из хрупкого материала

Кривая усталости

?r - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла изменения напряжений, при котором разрушение не происходит после практически неограниченного числа циклов изменения напряжений. Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.

Методы определения твердости

материалов.

Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость – одна из характеристик сопротивления деформации. Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d. Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса ( с различной нагрузкой). Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.

Индентор

Методы HB и HRB применяют для мягких материалов; HRC - для твердых материалов (например, закаленных сталей); методы HV и HRA - для тонких слоев (листов). Между различными методами существует примерная корреляция. По соответствующим таблицам можно перевести значение твердости, полученное одним из методов в значения твердости соответствующие другим методам. Число твердости по Бринеллю приблизительно в три раза больше чем предел прочности: НВ ? ?в / 3. Метод определения микротвердости Н применим для определения твердости отдельных структурных составляющих. Индентор – алмазная пирамида при очень небольшой нагрузке (до 100г). Метод Шора - экспресс-метод определения твердости (HSD) крупных изделий в условиях производства по отскоку стального шарика.

Методы определения твердости материалов.