О сталях и сплавах.
Технически чистые металлы характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому в машиностроении применяют главным образом их сплавы.
Сплавы:
- на основе железа в зависимости от содержания в них углерода (до 2% С)
называют сталями или чугунами; - на основе алюминия, магния, титана и бериллия, имеющих малую плотность, –легкими цветными сплавами;
- на основе цинка, кадмия, олова, свинца, висмута и др. металлов – легкоплавкими цветными сплавами;
- на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и др. – тугоплавкими цветными сплавами.
Свойства металлов и сплавов.
Свойства подразделяются на механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные.
К основным механическим относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и изностойкость.
К физическим относятся температура плавления, плотность, температурные коэффициенты литейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводимость.
К химическим свойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионность.
К технологическим свойствам относятся литейные свойства, деформируемость и обрабатываемость режущим инструментом.
К эксплуатационным свойствам относятся износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и пр.
Термическая обработка сталей.
Термическая обработка заключается в нагреве сплавов до определенных температур, выдержке их при этих температурах и последующем охлаждении с различной скоростью. При этом изменяются структура сплава и его свойства.
Основные виды термической обработки – отжиг, нормализация, закалка и отпуск.
Отжиг – нагрев до высокой температуры с последующим охлаждением вместе с печью –снимает внутренне напряжение, снижает твердость и повышает пластичность, устраняет химическую неоднородность.
Нормализация – нагрев до высокой температуры и охлаждение на воздухе – приводит к измельчению зерна и повышению прочности.
Закалка – нагрев до высокой температуры и быстрое охлаждение в воде или в масле –повышает твердость и прочность, снижает пластичность.
Отпуск – нагрев до небольшой температуры и медленное охлаждение; его применяют как сопутствующую операцию после закалки для получения более устойчивых структур. Высокий отпуск (темп.=700ОС) применяют для повышения пластичности и обрабатываемости при небольшом снижении прочности закаленной стали; низкий отпуск (темп. до 250ОС) применяют для повышения вязкости.
Влияние примесей на свойства железоуглеродистых сплавов.
В сплавах углерод находится главным образом в связанном состоянии в виде цементита. В свободном состоянии в виде графита он содержится в чугунах. С увеличением содержания углерода возрастают твердость, прочность и уменьшается пластичность.
Сера является вредной примесью, при кристаллизации сплава увеличение содержания серы (более 0,06%) приводит к образованию трещин и надрывов. Это явление носит названиекрасноломкость.
Фосфор ухудшает пластические свойства сплава, вызывая явление хладноломкости. В сталях допускается содержание фосфора не более 0,08%. В чугуне – до 0,3%Р.
Азот, кислород и водород присутствуют в сплавах в составе оксидов, нитридов или в свободном состоянии, которые служат концентраторами напряжений и могут снижать механические свойства (прочность, пластичность).
Водород растворяется в стали при расплавлении, при охлаждении сплава концентрация водорода может уменьшается и он накапливается в микропорах, что может служить причиной образования внутренних надрывов в металле и трещин.
Кремний повышает предел текучести и уменьшает склонность к хладноломкости.
Марганец немного повышает твердость и прочность феррита (Fe – железа).
В сталях содержание кремния не более 0,4% и марганца – 0,8%.
Характеристики сталей и сплавов и методы их определения.
Материал по каждой марке стали и сплава включает следующие данные: заменитель марки стали и сплава, вид поставки, назначение, содержание химических элементов в процентах по массовой доле, температуру критические точек, механические свойства, жаростойкость, коррозионную стойкость, технологические свойства, свариваемость, литейные свойства, температурный интервал ковки и условия охлаждения после ковки, обрабатываемость резанием, прокаливаемость, флокеночувствительность, склонность к отпускной хрупкости.
Химический состав стали или сплава собственного производства определяется по плавочной (ковшевой) пробе отбираемой при разливке стали в соответствии с ГОСТ 7565-81, а химический состав и марка стали проката – по сертификату металлургического завода. Химический анализ выполняют в соответствии с ГОСТ 12344-78 — ГОСТ 12365-84.
Стандартные справочные данные по механическим свойствам при 20оС проката, поковок и отливок, приведенные в справочнике, являются минимальными и должны гарантироваться при выполнении установленной технологии. За сечение поковки или отливки принимают ее расчетную толщину (диаметр) под термообработку.
Приведенные характеристики механических свойств поковок при отсутствии соответствующих указаний получены при испытании продольных образцов. При испытании тангенциальных, поперечных и радиальных образцов допускается снижение норм механических свойств в соответствии с ГОСТ 8479-70.
Уровень механических свойств поковок из конструкционных марок сталей (приложение № 1 ГОСТ 8479-70) приведен в соответствии c требованиями ГОСТ 8479-70 для соответствующей категории прочности. Механические свойства поковок из марок сталей, не вошедших и приложение № 1 ГОСТ 8479-70, даны на основании обобщения опыта заводов в соответствии с отраслевыми техническими условиями.
Объем, нормы и порядок контроля механических свойств и приемки поковок устанавливают в соответствии с ГОСТ 8479-70.
Показатели механических свойств отливок относятся к образцам, вырезанным из отдельно отливаемых пробных брусков или приливных проб после их соответствующей термообработки, и характеризуют свойства термообработанных по тому же режиму отливок со стенками толщиной до 100мм. Нормы механических свойств отливки со стенками толщиной более 100 мм в необходимых случаях должны соответствовать техническим условиям; объем, нормы и порядок контроля и приемки отливок устанавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 977-88.
Приведенные в марочнике режимы термической обработки, ковки и других технологических процессов являются рекомендуемыми и могут корректироваться заводскими технологами в зависимости от химического состава плавки, требований, предъявляемых к обрабатываемым поковкам или отливкам, производственного оборудования и др.
Испытания на растяжение проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84, на ударный изгиб — по ГОСТ 9454-78, усталостные испытания – по ГОСТ 25502-82. Значения пределов выносливости даны с указанием базы испытания (числа циклов), а также в зависимости от предела текучести, временного сопротивления разрыву и твердости.
Механические свойства в зависимости от температуры испытания приведены по результатам испытаний на ударный изгиб при отрицательных температурах (ГОСТ 9454-78) и на растяжение при повышенных температурах (ГОСТ 9651-84).
Результаты испытаний на длительную прочность и ползучесть указаны по ГОСТ 3248-81 и ГОСТ 10145-81.
Жаростойкость по ГОСТ 6130-71 определяется глубиной проникновения коррозии, выраженной в миллиметрах в год, при соответствующих условиях (среды, температуры и длительности испытания).
Все данные по коррозионной стойкости указаны в соответствии с ГОСТ 9908-85 по глубине проникновения коррозии на допустимую (заданную) глубину с учетом влияния среды, температуры, длительности испытания. Коррозионная стойкость металла оценивается по скорости проникновения коррозии металла, т.е. уменьшению толщины металла вследствие коррозии, выраженному в линейных единицах, к единице времени (мм/год).
При подборе конструкционных материалов следует учитывать, что скорость точечной коррозии на сталях, которые подвержены этому виду разрушения, как правило, в несколько раз превышает скорость общей коррозии.
Свариваемость стали и сплавов является комплексной характеристикой стали, определяющейся технологическими трудностями, возникающими при сварке, и эксплуатационной надежностью сварных соединений. В справочнике даны характеристики так называемой технологической свариваемости.
В зависимости от сложности технологических приемов, устраняющих возможность образования трещин при сварке и обеспечивающих получение сварного соединения требуемого качества, стали условно разделяют на четыре группы по свариваемости:
1) стали, свариваемые без ограничения (сварка производится без подогрева и без последующей термообработки);
2) ограниченно свариваемые стали (сварка возможна при подогреве до 100–120ОС и последующей термообработке);
3) трудносвариваемые стали (для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200–300ОС при сварке, термообработка после сварки — отжиг);
4) стали, не применяемые для сварных конструкций.
Оценка характеристик литейных свойств принята в виде относительных величин коэффициентов, равных отношению показателей для исследуемого и эталонного сплавов, определенных по единым методикам. В качестве эталонной принята сталь марки 30Л.
Технологичность оценена следующими показателями:
- жидкотекучести Кж.т (отношение значений жидкотекучести данной стали и эталонной);
- трещиноустойчивости Кт.у (отношение значений трещиноустойчивости данной стали и эталонной);
- склонности стали к образованию усадочных раковин Ку.р (отношение объема усадочной раковины в отливках из данной стали и эталонной);
- склонности стали к образованию усадочной пористости Ку.п (отношение пористой зоны в отливках из данной стали и эталонной).
Жидкотекучесть определена по спиралевидной пробе по ГОСТ 16438-70. Длина залитой спирали в сантиметрах выражает жидкотекучесть сплава.
Склонность стали к образованию усадочных раковин и пор определена на цилиндрическом образце, переходящем в верхней части в усеченный конус; усадочная пористость – по ширине пористой зоны; трещиноустойчивость на приборе конструкции ЦНИИТмаша. Прибор показывает стойкость стали против образования горячих трещин, которые образуются вследствие заторможенной усадки образцов. Литейные свойства определены при температуре начала затвердевания слитка 50–70ОС.
Механические свойства отливок, поставляемых по ГОСТ 977-88, приведены для отливок II и III групп.
Ковочные свойства в справочнике оцениваются механическими свойствами в зависимости от температуры испытания в интервале ковочных температур, температурными параметрами ковки и условиями охлаждения преимущественно крупных поковок, получаемых из слитков или заготовок.
Приведенные температурные интервалы ковки являются наиболее широкими, а режимы охлаждения – ускоренными, которые достигнуты на отдельных заводах. Использование на других заводах рекомендуемых нами параметров, а также назначение рациональной температуры нагрева металла и условий охлаждения поковок возможны только после предварительного опробования и соответствующей корректировки с учетом местных условий, металлургической технологии, объема ковочных работ, размера поковок, величины садки, состояния печного оборудования и др. Рекомендуемые условия охлаждения металла после ковки в ряде случаев не заменяют режимов предварительной термообработки поковок.
Указанные рекомендации составлены на основании действующих заводских технологических инструкций и нормалей, а механические свойства при ковочных температурах – по данным литературных источников и результатов исследований, проведенных у ЦНИИТмаше, УЗТМ, УГТУ-УПИ и других организациях.
Обрабатываемость стали и сплавов резанием определена для условий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей и сплавов на нежелезной основе), и резцами из быстрорежущей стали Р18, Р12 (для углеродистых и легированных сталей) при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи 0,2 мм/об и главного угла в плане резцов y = 60°.
Обрабатываемость стали и сплавов резанием оценена по скорости резания, соответствующей 60-мин стойкости резцов V60, и выражена коэффициентами Kvтв.спл и Kvб.ст по отношению к эталонной стали. В качестве эталонной стали принята углеродистая сталь 45 (бв= 637 МПа, НВ = 179), скорость резания V60 которой взята за единицу. Коэффициенты обрабатываемости данной стали для условий точения твердосплавными резцами Kvтв.спл = V60/145, где V60 – скорость резания, соответствующая 60-мин стойкости резцов, при точении данной стали, м/мин; 145 – значения скорости резания при 60-мин стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной стали 45.
Коэффициенты обрабатываемости стали Kv для условий точения резцами из быстрорежущей стали Kvб.ст = V60/70, где 70 – значение скорости резания при 60-мин стойкости быстрорежущих резцов при точении эталонной стали 45.
Для принятых условий резания абсолютное значение скорости резания V60 данной стали определяется умножением ее коэффициента Kvтв.спл или Kvб.ст на соответствующие значения эталонной стали 45.
Прокаливаемость по ГОСТ 5657-69 приведена в виде таблиц и полос прокаливаемости (минимальное и максимальное значения твердости в зависимости от расстоянии от охлаждаемого участка). Кроме того, приведены критические диаметры при закалке в масле и в воде при определенном количестве мартенсита в структуре.
По склонности к образованию флокенов (флокеночувствительность) деформируемые стали условно разбиты на четыре группы: нефлокеночувствительные, малофлокеночувствительные, флокеночувствительные и повышенной флокеночувствительности.
Склонность к отпускной хрупкости стали проявляется в снижении ударной вязкости при медленном охлаждении после высокого отпуска или при длительных выдержках в интервале температур 450–600 °С. Стали условно разбиты на три группы: не склонные к отпускной хрупкости, мало склонные и склонные.
Для сталей и сплавов с особыми физическими свойствами, кроме перечисленных характеристик, приведен ряд физических свойств. Для электротехнических сталей приведены: магнитная индукция — магнитная индукция, Тл, на основной коммутационной кривой намагничивания при напряженности магнитного поля, А/м, указанной в таблицах; удельные потери Р1,0/50(400), Р1,5/50(400) , Р1,7/50 – полные удельные магнитные потери, Вт/кг, стали при перемагничивании ее с частотой 50 (400) Гц и максимальных значениях индукции, соответственно 1,0; 1,5 и 1,7 Тл в условиях синусоидального ее изменения. Для сплавов прецизионных магнитно-мягких: начальная магнитная проницаемость, максимальная магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, А/м, индукция технического насыщения, Тл, магнитострикция насыщения лs, магнитная проницаемость мH в заданном поле H. Для магнитно-твердых сплавов: коэрцитивная сила по индукции HcB, кА/м; остаточная индукция Br, Тл, магнитная энергия Br, HcB, Тл * кА/м; напряженность поля при максимальной проницаемости Hмmax, кА/м; индукция намагничивания в поле максимальной проницаемости Вмmax, Тл; коэрцитивная сила при намагничивании в поле максимальной проницаемости Hcмmax, кА/м; остаточная индукция при намагничивании в поле максимальной проницаемости Brмmax, Тл; удельные потери на гистерезис при намагничивании в поле максимальной проницаемости Phмmax, кДж/м3; коэффициент прямоугольности (B1/B) мmax. Для сплавов прецизионных сверхпроводящих указывается температура перехода в сверхпроводящее состояние. Для сплавов прецизионных с высоким электрическим сопротивлением дополнительно приводятся следующие характеристики: колебание электрического сопротивления по длине (Rmax — Rmin)/ Rcp, %, где Rmax, Rmin и Rcp – соответственно максимальное, минимальное и среднее сопротивление 1 м продукции в пределах мотка, рулона, катушки, и живучесть (ГОСТ 2419-78), ч, испытание заключается в циклическом нагреве электрическим током (нагрев 2 мин, охлаждение 2 мин) проволочных образцов диаметром 0,8 мм до заданной температуры. Для термобиметаллов, представляющих собой материал, состоящий из двух и более слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), сваренных между собой по всей поверхности соприкосновения, основным свойством является термочувствительность, т.е. способность изгибаться при изменении температуры.
Термочувствительность термобиметаллов пропорциональна разности ТКЛР составляющих и характеризуется величиной удельного изгиба – изменением кривизны термобиметаллической пластинки единичной толщины при изменении температуры на 1 К. Для ленты толщиной 0,3 мм и менее приводится другая характеристика термочувствительности – коэффициент чувствительности, определяемый как угол раскручивания свернутой в спираль биметаллической ленты единичной длины и толщины при нагреве ее на 1 К.