Учебные пособия 1 страница

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАРКИРОВКА И ПРИМЕНЕНИЕ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ

 

В технике и быту применяется очень много разнообразных по составу, происхождению, свойствам и назначению материалов. И самой первой и самой простой классификацией всех материалов на группы является деление их на металлы и неметаллы. Поскольку круг рассматриваемых материалов в данной разработке ограничен металлами и их сплавами, приведем отличительные признаки металлов и неметаллов.

Отличительной особенностью металлов является их кристаллическое упорядоченное строение и способность деформироваться ковкой, что было отмечено еще М.В. Ломоносовым. Однако, более типичными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло - и электропроводность, увеличивающиеся с понижением температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического критерия металлического состояния температурный ход электросопротивления r(Т): у металлов при Т®о, r®0, а у неметаллов r®¥. В ассортимент неметаллов включаются пластмассы, волокна, пленки, резины, клеи, древесина, стекло, керамика, лакокрасочные покрытия и т.д.

Из известных к настоящему времени 111 химических элементов 83 относят к металлам, хотя некоторые с оговоркой (Вi, Sb,Si), поскольку имеют свойства металлов и неметаллов. Заметное производство и применение нашли около 30 металлов, при этом на долю железа приходится более 90%, а на долю всех остальных менее 10%. Кроме того, следует иметь в виду, что в чистом виде металлы применяются редко. Чаще всего используются сплавы на их основе, так как сплавы имеют более высокие механические свойства и обладают комплексом специальных свойств: жаропрочностью, кислотостойкостью, магнитными свойствами и т.д. На основе железа производят сталь и чугун. Объем производства стали является важнейшим показателям технической и экономической мощи страны.

Число металлических сплавов, применяемых в технике, очень велико, при этом оно постоянно возрастает в связи с растущими требованиями многих отраслей промышленности. Классифицировать эти сплавы по одному признаку не удается, так как их состав, свойства, назначение и способы производства слишком многообразны. Поэтому существуют несколько признаков, по которым классифицируют сплавы: по химическому составу, по назначению, по свойствам, по способу выплавки, по степени раскисления, по структуре, качеству и т.д.

По химическому составу классификация основана на указании главного или основного компонента сплава, на основе которого сплав составлен: железо, медь, алюминий и т.д. Такая классификация позволяет распределить сплавы на небольшое число основных классов: а) сплавы на основе железа (стали, чугуны), б) медные сплавы (бронзы и латуни), в) алюминиевые сплавы (авиали, дюрали, силумины), г) магниевые сплавы, д) титановые сплавы, е) оловянистые и свинцовистые сплавы для подшипников (баббиты) и т.д. А самая большая группа сплавов - стали, в свою очередь, делится по химическому составу на 2 группы: углеродистые (нелегированные) стали и легированные.

По назначению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и стали специального назначения. Конструкционные стали должны обладать высокими прочностью, пластичностью и вязкостью в сочетании с хорошими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, резанием, хорошо свариваться и т.д. Стали конструкционные используются для изготовления деталей машин, механизмов в машиностроении и металлоконструкций в строительстве. Инструментальные стали должны обладать повышенной или высокой твердостью и износостойкостью, которые должны сохраняться при нагреве. Инструментальные стали применяются для изготовления инструмента для обработки металлов резанием, давлением, для изготовления мерительного инструмента. Специальные стали должны обладать какими-либо особыми свойствами: кислотостойкостью, жаропрочностью, магнитными или,наоборот, немагнитными свойствами и т.д. Основными потребителями сталей с особыми свойствами являются приборостроение, химические производства, ракетостроение, авиастроение, военная спецтехника и т.д.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные и высококачественные. Основными признаком качества является содержание вредных примесей в сталях: серы и фосфора. Предельно допустимое содержание примесей в сталях разных категорий качества следующее:

 

	Р	S
сталь обыкновенного качества	0,040%	0,050%
Качественная сталь	0,035%	0,035%
Высококачественная сталь	0,025%	0,025%
Особовысокачественная сталь	0,025%	0,015%

 

Категория обыкновенного качества относится только к сталям простым углеродистым (нелегированным), а две остальные категории относятся и к углеродистым, и к легированным сталям.

По степени раскисления (удаление кислорода из металла) стали могут быть спокойные (сп), полуспокойные (пс), и кипящие (кп), что указывается в марке. При одинаковом содержании углерода, спокойные, полуспокойные и кипящие стали имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие в пластичности, что отражается на штампуемости в холодном состоянии. Это обусловлено содержанием остаточного кремния в стали:

Кипящая < 0,05%;

Полуспокойная сталь 0,05-0,15%;

Спокойная сталь 0,15 - 0,35%.

Чем больше кремния в стали, тем хуже штампуемость. Легированные стали выплавляются только спокойными в мартеновских или электрических печах. В качестве раскислителей металлурги используют марганец, кремний, алюминий.

По способу производства различают стали конверторные, мартеновские, электросталь и стали особых методов выплавки: электрошлаковый переплав (ЭШП), вакуумно-индукционная плавка (ВИП), вакуумно-диффузионная плавка (ВДП), электронно-лучевой переплав (ЭЛП), плазменно-дуговая плавка (ПДП). Применение особых методов выплавки позволяет получить более чистый качественный материал.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к различным сталям, существуют более частные классификации отдельных групп сталей, которые требуют специальных знаний в области материаловедения и будут рассмотрены в соответствующих разделах этой дисциплины, например, классификация сталей по микроструктуре.

 

1.2.СПОСОБЫ МАРКИРОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

Обозначение марок сталей и других сплавов в нашей стране производят по буквенно-цифровой системе. Но для различных металлов и сплавов способы маркировки различаются информацией, заложенной в марке. Известны 3 принципиально различных способа маркировки.

Самым распространенным способ является "марка-состав", когда в марке заложена информация о составе по основным компонентам, входящим в сплав. Так обозначаются качественные углеродистые и легированные стали, медные сплавы, твердые сплавы, часть алюминиевых сплавов.

Более узкое применение имеет способ "марка-свойство". Таким способом обозначаются графитосодержащие чугуны. В марке заложена информация о прочности и пластических свойствах чугунов.

Следует отметить, что это два наиболее простых и одновременно информативных способа. Специалисту для начала уже достаточно этой информации, чтобы получить представление о возможностях данного сплава. К тому же по сравнению с принципами обозначения сплавов в других странах наша система считается наиболее наглядной и простой, чего нельзя сказать о третьем способе маркировки "марка-каталог". Согласно этому способу сплавам присваиваются номера, перед которыми для углеродистых сталей общего назначения стоят буквы "Ст" (сталь), для высоколегированных сталей сложного состава - индексы "ИЭ" или "ЭП" (марки исследовательские или пробные). В этом случае для расшифровки состава или свойств нужны соответствующие ГОСТы, технические условия или каталоги марок.

 

1.3.УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

 

Основный продукцией черной металлургии является сталь-сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали колеблется в широких пределах от 0,1 до 2%. Сталь промышленного производства является сплавом сложным по химическому составу. Кроме основы-железа в ней содержится много элементов, наличие которых обусловлено различными причинами:

а) невозможностью их полного удаления: S,Р, О₂, N_2, Н₂;

б) технологическими особенностями производства: марганец и кремний, например, вводятся как раскислители;

в) случайные примеси из руды или шихты: Сr, Мn, Ni, Сu, Аs и др.

Содержание всех этих примесей будет зависеть от состава шихты и способа выплавки стали: конверторный, мартеновский, электроплавка, специальные способы выплавки.

Один элемент - углерод вводится в простую сталь намеренно, умышленно. Объясняется это тем, что углерод очень сильно влияет на свойства сталей даже при незначительном изменении его содержания. Поэтому углерод и является основным элементом, изменяющим свойства сталей. С увеличением содержания углерода растут твердость - НВ, прочность - s_в, уменьшается пластичность d и вязкость (рис.1.1.)

 

Количество постоянных примесей в углеродистой стали ограничивается следующими пределами:

Мn ≤ 0,7%

Si ≤ 0,5%

Р ≤0,05%

S 0, ≤05%

При большем содержании этих элементов сталь следует отнести к сорту легированных сталей, где эти элементы специально вводятся с целью изменения свойств стали.

 

 

Рис.1.1. Влияние углерода на механические свойства сталей.

 

Марганец и кремний в углеродистой стали являются технологическими добавками, без них невозможно выплавить сталь. Их вводят при выплавке как раскислители, элементы, удаляющие кислород из стали. Марганец к тому же устраняет вредное действие серы, называемое красноломкостью, переводя серу в тугоплавкое соединение МnS.

Сера и фосфор являются вредными примесями железа и попадают в сталь из руды. Сера придает стали красноломкость, образуя соединение, плавящееся в районе температур горячей обработки давлением. Фосфор сообщает стали хладноломкость, что делает его опасным для изделий, работающих в районах с холодным климатом.

Вредными примесями в стали являются газы, особенно такие как кислород и водород. Кислород образует окислы, снижающие усталостную прочность сталей, а водород может образовать трещинки-надрывы, называемые флокенами.

Углеродистые стали по назначению могут быть конструкционными и инструментальными. По качеству конструкционные стали делятся на стали обыкновенного качества и качественные, а инструментальные на качественные и высококачественные.

 

1.3.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ.

 

К этой группе относят стали, содержащие до 0,5% углерода, при производстве которых не предъявляют высоких требований. Эти стали поставляются по ГОСТ380-94. Стали маркируются порядковым номером от 0 до 6 после букв "Ст", обозначающих слово "сталь". Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют индексы: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.

Стали согласно этому ГОСТу поставляются по химическому составу, который должен соответствовать нормам, указанным в таблице 5.1. Гарантируются: содержание углерода, которое растет с увеличением номера стали от 0,06 до 0,49%, содержание марганца колеблется от 0,25% до 0,8%. Имеются 3 марки с повышенным содержанием марганца (0,8 - 1,2%), в маркировку этих сталей входит буква Г, обозначающая повышенное его содержание: Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст5Гпс. Содержание кремния колеблется в зависимости от степени раскисления: для кипящих сталей не более 0,05%, для полуспокойных 0,05% - 0,15%, для спокойных сталей 0,15-0,30%. Ограничивается содержание вредных примесей серы и фосфора, а также случайных примесей, вносимых в сталь из шихты, - хрома, никеля, меди, мышьяка.

 

СОТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА, % (ГОСТ 380-94)

Таблица 1.1

Марка стали	Углерод	Марганец	Кремний	Сера	Фосфор
Ст0	Не более 0,23	-	-	Не более 0,06	Не более 0,07
Ст1кп	0,06-0,12	0,25-0,50	Не более 0,05	Не более 0,05	Не более 0,04
Ст1пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст1сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст2кп	0,09-0,15	"	Не более 0,05	"	"
Ст2пс	"	"	0,05 - 0,15	"	"
Ст2сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3кп	0,14-0,22	0,30-0,60	Не более 0,05	"	"
Ст3пс	"	0,40-0,65	0,05-0,15	"	"
Ст3сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст3Гпс	"	0,80-1,10	Не более 0,15	"	"
Ст3Гсп	0,14-0,20	"	0,15-0,30	"	"
Ст4кп	0,18-0,27	0,40-0,70	Не более 0,05	"	"
Ст4пс	"	"	0,05-0,15	"	"
Ст4сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5пс	0,28 - 0,37	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст5сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Ст5Гпс	0,22-0,30	0,80-1,20	Не более 0,15	"	"
Ст6пс	0,38-0,49	0,50-0,80	0,05-0,15	"	"
Ст6сп	"	"	0,15-0,30	"	"
Массовая доля хрома, никеля, меди должна быть не более 0,30%, а мышьяка не более 0,08%.

 

Конструкционные стали обыкновенного качества выплавляются в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах. Эти стали дешевые и используются для металлоемких строительных конструкций в виде горячекатанного сортового фасонного и листового проката: балок, прутков, швеллеров, уголков, листов, труб и т.д., а также для малоответственных деталей машин: осей, валов, шестерен, втулок, болтов, гаек и т.д.

 

1.3.2.КАЧЕСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Качественные конструкционные углеродистые стали поставляются по химическому составу и механическим свойствам в соответствии ГОСТ 1050-88. К этим сталям по сравнению со сталями обыкновенного качества предъявляют более жесткие требования по содержанию вредных примесей (серы не более 0,04%, фосфора не более 0,035%).

Качественные углеродистые стали маркируют двузначными цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента: 08, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60. При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления: кп, пс или сп. В случае спокойной стали степень раскисления не указывается.

 

СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ, % (ГОСТ 1050-88)

Таблица 1.2

Марка стали	Массовая доля элементов, %
	Углерода	Кремния	Марганца	Хрома, не более
05кп	Не более 0,06	Не более 0,03	Не более 0,40	0,10
08кп	0,05-0,12	Не более 0,03	0,25-0,50	"
08пс	0,05-0,11	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	0,05-0,12	0,17-0,37	"	"
10кп	0,07-0,14	Не более 0,07	0,25-0,50	0,15
10пс	"	0,05-0,17	0,35- 0,65	"
	0,07-0,14	0,17-0,37	"	"
11кп	0,05-0,12	Не более 0,06	0,30-0,50	"
15кп	0,12-0,19	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
15пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	"	0,17-0,37	"	"
18кп	0,12-0,20	Не более 0,06	0,30-0,50	0,15
20кп	0,17-0,24	Не более 0,07	0,25-0,50	0,25
20пс	"	0,05-0,17	0,35-0,65	"
	"	0,17-0,37	"	"
	0,22-0,30	"	0,50-0,80	"
	0,27-0,35	"	"	"
	0,32-0,40	"	"	"
	0,37-0,45	"	"	"
	0,42-0,50	"	"	"
	0,47-0,55	"	"	"
	0,52-0,60	"	"	"
58(55пп)*	0,55-0,63	0,10-0,30	Не более 0,20	0,15
	0,57-0,65	0,17-0,37	0,50-0,80	0,25

 

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ КАЧЕСТВЕННЫХ СТАЛЕЙ

Таблица 1.3

Марка стали	Механические свойства, не мене
	Предел текучести sт, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление разрыву sв, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение, d5, %	Относительное сужение Y,%
			%
	196 (20)	320 (333)
	205 (21)	330(34)
	225(23)	370(38)
	245(25)	410(42)
	275(28)	450(46)
	295(30)	490(50)
	315(32)	530(54)
	335(34)	570(58)
	355(36)	600 (61)
	375(38)	630(64)
	380(39)	650(66)
58(55пп)	315(32)	600(61)
	400(41)	680(69)

 

Низкоуглеродистые стали марок 05кп, 08, 08кп, 10, 10кп обладают высокой пластичностью и невысокой прочностью. Эти стали без термообработки применяются для малонагруженных деталей (прокладки, шайбы, змеевики, штампованные детали, капоты тракторов, кузова автомобилей, элементы сварных конструкций и т.д.). Низкоуглеродистые стали с повышенным количеством углерода (15, 20, 20кп, 25) применяются после цементации и закалки с отпуском для деталей, работающих на износ: оси, втулки, шестерни, шпиндели, вилки и т.д.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60 применяются в основном после закалки и высокого отпуска для изготовления, валов, осей, зубчатых колес, шестерен, штоков, бандажей и т.д.

Высокоуглеродистые стали, содержащие углерода более 0,6% поставляются по ГОСТ 14959-79 "Сталь конструкционные рессорно-пружинная". Эти стали марок 65, 70, 75, 80, 85 используются для изготовления пружин, рессор, амортизаторов, прокатных валков, бандажей вагонов и т.д.

 

СОСТАВ И СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ РЕССОРНО-ПРУЖИННЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ 14959-79)

Таблица 1.4

Марка стали	Состав сталей, %	Механические свойства, не менее
	С	Мn	Si	Cr	s0,2, МПа	sв, Мпа	d, %	Y, %
	0,62-0,70	0,50-0,80	0,17-0,37	не более 0,25
	0,67-0,75	"	"	"				"
	0,72-0,80	"	"	"				"
	0,77-0,85	"	"	"				"
	0,82-0,90	"	"	"				"

 

Механические свойства сталей 75, 80 и 85 весьма высоки, так как определяются после закалки и среднего отпуска.

 

1.3.3. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

 

Инструментальные стали - это большая группа сталей, которые в результате термической обработки получают высокую твердость и износостойкость, необходимые при обработке материалов резанием или давлением. Углеродистые инструментальные стали содержат углерода от 0,65 до 1,35%. Эти стали подразделяются на качественные и высококачественные. Высококачественные стали отличаются от качественных меньшим содержанием вредных примесей серы (на 0,01%) и фосфора (на 0,005%). Меньшее количество серы требует уменьшения количества марганца. Кроме того, более жестко регламентируется содержание никеля и меди.

Маркируются эти стали следующим образом: впереди ставится буква "У", что значит углеродистая; за ней стоит цифра, обозначающая среднее содержание углерода в десятых долях процента. Если сталь высококачественная, то после цифры стоит буква "А"

 

СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ (ГОСТ 1435-90)

Таблица 1.5

Марка стали	С	Мn	Не более
			Ni	S	Р
У7   У7А	0,65-0,74	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У8   У8А	0,75-0,84	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У9   У9А	0,85-0,94	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У10   У10А	0,95-1,04	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У11   У11А	1,05-1,14	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У12   У12А	1,15-1,24	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
У13   У13А	1,25-1,35	0,17-0,33   0,17-0,28	0,25   0,20	0,028   0,018	0,030   0,025
Для всех марок содержание кремния 0,17-0,33%, хрома - не более 0,20%

 

С увеличением количества углерода растет износостойкость стали при незначительном увеличении твердости и падает вязкость стали.

Назначение инструментальной углеродистой стали различных марок следующее: У7-У7А применяется для инструментов и изделий, подвергающихся толчкам и ударам и требующих высокой вязкости при умеренной твердости (зубила, молотки слесарные и кузнечные, штампы, клейма, масштабные линейки, инструмент по дереву, центра токарных станков и т.д.); У8-У8 - для инструментов и изделий, требующих повышенной твердости и достаточной вязкости (пробойники, зубила, кернеры, пуансоны, ножи и ножницы по металлу, отвертки, столярный инструмент); У9-У9А – для инструментов, требующих высокой твердости при некоторой вязкости (штемпеля, кернеры, зубила, столярный инструмент); У10-У10А - для инструментов, не подвергающихся сильным толчкам и ударам и требующих высокой твердости при незначительной вязкости (строгальные резцы, фрезы, метчики, развертки, плашки, буры по твердым породам, ножовочные полотна, фасонные штампы, зубила для насечки напильников, волочильные кольца, калибры, напильники); У11-У11А, У12-У12А - для инструментов, требующих высокой твердости (напильники, шаберы, фрезы, сверла, бритвы, плашки, часовой инструмент, пилы по металлу); У13-У13А - для инструментов, которые должны иметь исключительно высокую твердость (бритвы, шаберы, волочильный инструмент, сверла, зубила для насечки напильников, косы и др.).

 

1.4. МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 

Легированной называют сталь, в которой наряду с обычными примесями и технологическими добавками содержатся специально вводимые легирующие элементы: марганец (более 0,8%), кремний (более 0,5%), хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Часто легирующие элементы определяют название легированной стали: хромистая, никелевая, хромоникелевая, кремнистая и т.д. Легирующие элементы значительно повышают механические свойства (прочность, вязкость, износостойкость), технологические (прокаливаемость),физические (энергосопротивление, магнитные) и специальные эксплуатационные характеристики: коррозионную стойкость, красностойкость, жаростойкость, жаропрочность и т.д. По назначению легированные стали делятся на три группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.

В основу обозначения марок легированных сталей положена буквенно-цифровая система. Буквенное обозначение легирующих элементов не совпадает с химическими символами.

 

ОБОЗНАЧЕНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СТАЛЯХ

Таблица 1.6.

Название	Химический символ	Маркировочное обозначение	Название	Химический символ	Маркировочное обозначение
Марганец	Мn	Г	Кобальт	Со	К
Кремний	Si	С	Алюминий	АI	Ю
Хром	Сr	Х	Медь	Сu	Д
Никель	Ni	Н	Бор	В	Р
Вольфрам	W	В	Ниобий	Nb	Б
Ванадий	V	Ф	Цирконий	Zr	Ц
Титан	Тi	Т	Фосфор	Р	П
Церий	Cе	Ч	Азот	N	А (внутри марки)
Молибден	Мо	М