Стали и сплавы с особыми свойствами. к выполнению лабораторных работ по разделам

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по разделам

«Материаловедение» и «Технология конструкционных

материалов»

 

 

Для студентов 1, 2 и 3 курсов факультетов МСХ, СХМ и ТС в АПК

 

 

Челябинск 2004

 

 

Составители:

СОЛОВЬЕВ Н.М. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАУ)

СУХАРЕВ В.А. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАУ)

 

 

Рецензент:

ЗВОНАРЕВА Л.М. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАУ)

 

Ответственный за выпуск

СОЛОВЬЁВ Н.М. – зав. кафедрой технологии металлов ЧГАУ

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета ЧГАУ.

 

 

ãЧелябинский государственный агроинженерный

университет, 2004

 

 

Лабораторная работа № 1

 

ИЗУЧЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ КЛАССИФИКАЦИИ И МАРКИРОВКИ СТАЛЕЙ

 

Цель работы: ознакомиться с классификацией, маркировкой, свойствами, применением углеродистых и легированных сталей в технике; научиться расшифровывать марки сталей.

Оснащение рабочего места

1. ГОСТы на наиболее широко применяемые группы сталей.

2. Плакаты по данной теме.

Основные положения

Углеродистая сталь - это многокомпонентный сплав железа с углеродом, содержащий 0,02...2,14% углерода и некоторое количество постоянных и случайных примесей.

Углеродистые стали широко применяются в технике, составляют около 75% от общего объема выпускаемой стали. Они дешевле легированных, сталей выплавляются обычными способами (мартеновский, конверторный) и сравнительно легко обрабатываются резанием.

Основное влияние на структуру и свойства углеродистой стали оказывает углерод (рис. 1). С увеличением содержания углерода в стали повышаются ее твердость, прочность, но уменьшаются пластичность и вязкость, соответственно снижается способность стали деформироваться в холодном и горячем состоянии, затрудняется свариваемость.

Сталь помимо основы - железа и углерода содержит примеси, наличие которых обусловлено технологическими особенностями производства. Примеси подразделяются на полезные (марганец, кремний и др.) и вредные (сера, фосфор, кислород, водород, азот).

 

Рисунок 1 - Влияние содержания углерода на механические

свойства стали

Марганец (в углеродистой стали его содержится до 0,8%) раскисляет сталь, повышает прокаливаемость и прочность, устраняет вредное влияние серы.

Кремний (в углеродистой стали его содержится до 0,5%) раскисляет сталь, повышает ее твердость и прочность.

Сера ухудшает механические свойства, так как образует с железом сульфид железа FeS, располагающийся по границам зерен.

При нагреве стали для обработки ее давлением (прокатка, ковка) FeS расплавляется (t_пл = 988°С), вытягивается по границам зерен в виде строчек и металл в этом месте расслаивается, сталь становится ломкой. Это явление называется красноломкостью (так как нагретый металл имеет красный цвет). Марганец практически устраняет красноломкость, так как образует включения MnS, которые к тому же значительно улучшают обрабатываемость резанием. Поэтому в составе сталей повышенной обрабатываемости резанием серы содержится до 0,3%, и для этой группы сталей сера - полезная примесь.

Фосфор вызывает в сталях хладноломкость - повышенную хрупкость при низких температурах, обычно его содержание в сталях допускается не более 0,05%. Но так как фосфор тоже улучшает обрабатываемость резанием, то в сталях повышенной обрабатываемости его содержится до 0,1%.

Газовые примеси - кислород, водород, азот - частично растворены в железе, частично находятся в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов: FeO, MnO, SiО₂; TiN; AlN и др.) или расположены в свободном виде в порах металла.

Оксиды, фосфиды, сульфиды и нитриды хрупкие, являются концентраторами напряжений, снижают пластичность, вязкость и предел выносливости стали. Очень вреден растворенный в стали водород, так как он не только охрупчивает сталь, но и образует опасные дефекты - флокены (очень мелкие чечевицеобразные поры), которые часто выявляются уже в процессе эксплуатации. Для удаления газовых примесей из сталей применяют вакуумирование.

Сталь, содержащая помимо железа и углерода, специально введенные элементы, которые заметно влияют на свойства стали, называется легированной, а эти элементы – легирующими. Они указываются в марке стали. К легирующим элементам относятся: хром, марганец, никель, титан, кремний, вольфрам и др. Они влияют на механические свойства стали (прочность, пластичность, вязкость и др.), на физические (электропроводность, радиационная стойкость и др.) и химические (коррозионная стойкость в различных средах и при разных температурах). Использование легированных сталей в технике удорожает стоимость изделий, но повышает их надежность и долговечность, снижает их массу на 30...40%.

Буквенные обозначения легирующих элементов в марках сталей:

А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д – медь (Cu), Е – селен (Se), К – кобальт (Co), Н – никель (Ni), М – молибден (Mo), П – фосфор (Р), Р – бор (В), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Ф – ванадий (V), Х – хром (Cr), Ц – цирконий (Zr), Ч – редкоземельные элементы (РЗЭ), Ю – алюминий (Al).

Буква "Л" в конце марки означает, что сталь литейная.

При выборе марки стали для конкретных деталей учитывают эксплуатационные, технологические и экономические требования. Правильный и обоснованный выбор стали позволяет получить высококачественные изделия с минимальными затратами.

Классификация сталей

Стали классифицируют по ряду признаков:

по назначению:

- конструкционные (строительные и машиностроительные, т.е. для деталей машин, конструкций и сооружений, содержат 0,02...0,85% углерода);

- инструментальные (для изготовления режущего, ударного и мерительного инструмента, содержат 0,65...1,4% углерода);

- с особыми свойствами (например, работают при низких или высоких температурах, в агрессивных средах и др., содержат более 10% легирующих элементов);

по химическому составу:

углеродистые - низкоуглеродистые (содержание углерода менее 0,25%);

- среднеуглеродистые (0,25% < С < 0,65%);

- высокоуглеродистые (С > 0,7%);

легированные

- низколегированные (содержание легирующих элементов менее 2,5%);

- среднелегированные (содержание легирующих элементов от 2,5 до 10%);

- высоколегированные (содержание легирующих элементов более 10%);

по качеству:

основным показателем качества стали является содержание в ней серы и фосфора. По их содержанию стали делят на следующие группы:

- стали обыкновенного качества (S < 0,060%, Р < 0,050%), например, Ст0, Ст1, Ст2…Ст6;

- качественные (S < 0,035%, Р< 0,035%), например, сталь 08, сталь 40, сталь 18ХГТ, сталь 20ХР;

- высококачественные (S < 0,025 %, Р < 0,035 %); например, сталь У8А, сталь 30ХГСА - буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная;

- особовысококачественные (S < 0,015%, Р < 0,015%), например, сталь 45ХНМФА-Ш; буква в конце марки (в данном случае Ш) через тире показывает, что сталь особовысококачественная.

Качество стали заметно влияет на ее конструктивную прочность. Более чистая сталь при одних и тех же значениях прочностных свойств имеет повышенные характеристики надежности (например, более низкий порог хладноломкости);

по способу раскисления:

в процессе получения стали происходит окисление железа и образуются оксиды FеО, которые хорошо растворяются в жидкой стали и вносят в нее кислород - вредную примесь. Для удаления из стали кислорода (раскисления) в нее вводят раскислители (марганец, кремний, алюминий и др.). В зависимости от степени раскисления получают спокойные, полуспокойные и кипящие стали.

1. Спокойная сталь (сп) полностью раскислена марганцем, кремнием, алюминием, например, Ст5сп, Ст3Гсп (буквы «сп» в марке могут отсутствовать).
2. Кипящая сталь (кп) раскислена только марганцем, например, сталь 08кп, 05кп и др.
3. Полуспокойная сталь (пс) раскислена марганцем и алюминием и занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей, например, Ст6пс, сталь 08пс и т. д.

Маркировка стали в основном показывает ее химический состав.

Общие принципы маркировки легированных сталей:

- если перед маркой стали нет цифр - сталь инструментальная, содержит около 1% углерода (например, ХВГ, Х);

- если перед маркой стали одна цифра - сталь инструментальная, цифра показывает содержание углерода в десятых долях (например, 6ХС - сталь инструментальная, содержит 0,6% углерода);

- если перед маркой стали две цифры - сталь конструкционная, цифры показывают сотые доли процента углерода (например, 18ХГТ - сталь конструкционная, содержит 0,18% углерода);

- если в марке стали после буквы нет цифр - это значит, что содержание данного элемента в стали около 1% (например, 30ХН - сталь конструкционная, содержит 0,3% углерода, около 1% хрома и около 1% никеля);

- число, стоящее после буквы в марке, означает содержание данного элемента в процентах (например, 60С2Н2 - конструкционная сталь, содержит 0,6% углерода, 2% кремния, 2% никеля).

Исключение составляют титан, ванадий, молибден, ниобий, вольфрам. Их содержание во всех конструкционных сталях предельно минимально, т.к. это очень дорогие, дефицитные элементы: Мо - 0,15...0,45%, Ti - 0,06...0,12%, W - 0,5...1,2%, V - 0,02...0,3%, Nb - 0,02...0,3%. Присутствуя в стали даже в минимальных количествах, эти элементы оказывают существенное влияние на ее свойства. Содержание азота и бора в любой стали ограничено: бор - 0,002...0,005%, азот 0,015...0,025%. Более высокое содержание этих элементов отрицательно сказывается на механических свойствах стали.

Буква А в марке стали:

- если буква А стоит вначале марки стали, значит сталь автоматная, т.е. сталь повышенной обрабатываемости резанием. Такую сталь обрабатывают в основном на станках-автоматах при высоких скоростях резания. Это достигается за счет повышенного по сравнению с другими сталями содержания серы (до 0,3%), фосфора (до 0,06%) и микролегирования свинцом (до 0,3%), кальцием, селеном и теллуром. Например, АС 14 - сталь автоматная, содержит свинец, содержание углерода 0,14%;

- буква А внутри марки стали означает, что сталь содержит азот. Например, 16Г2АФ - сталь конструкционная, содержит 0,16% углерода, 2% марганца, азот, малые добавки ванадия;

- буква А в конце марки означает сталь высококачественную. Например, 30ХГСА - сталь конструкционная, содержит 0,3% углерода, примерно по одному проценту хрома, марганца, кремния, сталь высококачественная.

Сталь углеродистая обыкновенного качества, ГОСТ 380-94

Стали этой группы самые дешевые. Из них изготавливают горячекатаный прокат (прутки, швеллеры, уголки, трубы и т.д.), холоднокатаный тонколистовой прокат, поковки, строительные конструкции, арматуру, проволоку, метизы и малоответственные детали машин. Марки стали обозначают буквами Ст и цифрой от 0 до 6, например: Ст0, Ст1, Ст3. Буквы Ст обозначают - сталь, цифра - условный номер марки по ГОСТ 380-94 в зависимости от их химического состава и механических свойств. Чем выше порядковый номер стали, тем выше содержание углерода в ней (от 0,06 до 0,49%), выше ее прочность, но ниже пластичность.

Сталь углеродистая качественная конструкционная, ГОСТ 1050-88

Стали этой группы маркируют двумя цифрами, показывающими содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 15кп - сталь конструкционная, углеродистая, содержит 0,15% углерода, качественная, кипящая; сталь 40 - сталь конструкционная, спокойная, содержит 0,4% углерода, качественная. К сталям этой группы предъявляются более жесткие требования по содержанию примесей и неметаллических включений, к их макро- и микроструктуре.

Применение: автотракторное и общее машиностроение (крепежные изделия, коленчатые и распределительные валы, зубчатые колеса, шпиндели и т.д.).

Сталь инструментальная углеродистая ГОСТ 1435-90

Маркировка сталей: на первом месте стоит буква У, а затем цифра, указывающая среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, У7 (содержит 0,7% углерода), У12А (содержит 1,2% углерода, высококачественная) и т.д.

Область применения: несложный по форме и небольшого сечения слесарный, кузнечный, режущий инструмент (зубила, сверла, отвертки, напильники, рашпили, крейцмейсели, керны, чертилки и т.д.)

Достоинством этих сталей являются относительно невысокая стоимость, хорошая обрабатываемость резанием и давлением в отожженном состоянии. Недостатки: невысокие скорости резания, ограниченные размеры инструмента из-за низкой прокаливаемости, низкая теплостойкость инструмента.

Сталь низколегированная конструкционная качественная, ГОСТ 19282-73

Эти стали содержат мало углерода (0,1...0,25%), поэтому хорошо свариваются и легко поддаются обработке давлением. Применяются для строительных конструкций, армирования железобетона, магистральных нефте- и газопроводов. Например, стали 09Г2С, 10Г2Б, 16Г2АФ и др.

Сталь конструкционная легированная (качественная и высококачественная), ГОСТ 4543-71

Стали данной группы в зависимости от химического состава и метода упрочнения обладают достаточной прочностью, пластичностью и вязкостью, выносливостью при знакопеременных нагрузках, твердостью и износостойкостью, поэтому широко применяются для изготовления сложно- и тяжелонагруженных деталей любой конфигурации и размеров (валов, осей, зубчатых колес и т. д.).

Примеры марок: 18ХГТ, 12ХН3А, 20ХГНР, 38ХСА, 18Х2Н4ВА-ВД.

Сталь рессорно-пружинная, ГОСТ 14959-79

Основные требования, предъявляемые к этим сталям: высокий предел упругости и выносливости, повышенная релаксационная стойкость с сохранением упругих свойств в течение длительного времени, не допускается пластическая деформация. Выполнение этих требований обеспечивается при содержании углерода 0,5...0,76%, введением в сталь кремния, марганца, хрома, ванадия, никеля и определенной термообработкой. Примеры марок: 60С2, 50ХГФА, 70C3A и др. Малонагруженные пружины и рессоры, работающие до 100°С, могут изготавливаться из сталей 65, 70, 75, 60Г, 65Г.

Шарикоподшипниковые стали, ГОСТ 801-78

Это особая группа конструкционных сталей, применяется для изготовления тел качения, подшипниковых колец. Подшипники качения в значительной мере определяют точность и производительность металлорежущих станков, обеспечивают надежность и долговечность работы машин. По условиям эксплуатации к шарикоподшипниковым сталям предъявляются такие требования, как, высокая статическая грузоподъемность, высокое сопротивление контактной усталости, высокая твердость и износостойкость, высокое сопротивление малым пластическим деформациям, размерная стабильность. Примеры марок: ШХ9 - Ш расшифровывается как шарикоподшипниковая сталь, Х - хром, 9 - содержание хрома 0,9% (а не 9%, как это написано в п.5); ШХ15СГ - ВД - шарикоподшипниковая сталь, содержание углерода около 1%, хрома 1,5%, кремния и марганца около 1%, особовысококачественная.

Сталь инструментальная легированная, ГОСТ 5950-73

Эти стали получают на базе углеродистых инструментальных сталей путем легирования хромом (до 5%), ванадием (до 1%), кремнием (до 1,5%), вольфрамом (до 5%), марганцем (до 2%).

Применяют для инструмента более сложной формы, больших размеров, работающего при более высоких температурах, чем инструменты из углеродистых инструментальных сталей (протяжки, плашки, развертки, пилы, ножи, фрезы, штампы и т. д.). Все стали этой группы высококачественные (но буквы «А» в конце марки нет). Примеры марок: ХВСГ, 9Х5ВФ, 5ХНМ, 7Х3 и т.д.

Сталь инструментальная быстрорежущая, ГОСТ 19265–73

К этой группе относятся высоколегированные, высоко- и особовысококачественные стали, предназначенные для изготовления инструментов высокой производительности в тяжелых условиях. В результате комплексного легирования инструменты из быстрорежущей стали позволяют повысить скорость резания в 2...4 раза, стойкость инструмента в 10...30 раз по сравнению с другими инструментальными сталями, а высокая твердость инструмента сохраняется до 640ºС.

Маркировка: на первом месте буква Р (от английского слова rapid - быстрый), цифры, следующие за буквой Р показывают содержание вольфрама в процентах, далее другие легирующие элементы. Примеры марок: Р9 - быстрорежущая инструментальная сталь, содержит примерно 1% углерода, 9% вольфрама; Р10К5Ф5 - содержит 1% углерода, 10% вольфрама, 5% кобальта, 5% ванадия.

Стали и сплавы с особыми свойствами

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали, ГОСТ 5632-72

обладают высокой стойкостью против коррозии в агрессивных средах (влажная атмосфера, кислоты, морская вода и т.п.), обязательно содержат хром (12...27%), иногда никель (2,8...11%), марганец (до 14%). Примеры марок сталей для изготовления оборудования пищевой и мясомолочной промышленности: 08X17T, 08Х18Т1, 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 12Х18Н10Т и др.

Жаростойкие стали и сплавы

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность стали сопротивляться окислению при высокой температуре придают хром, никель, кремний, алюминий. Эти стали применяют для электронагревательных печей, муфелей, подовых плит, рольгангов и т.д. Примеры марок: Х6СМ, 40Х10С2М. Х13Ю4, 20Х25Н20С2 и т.д.

Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочность - способность материалов противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах в течение определенного времени. Используются такие стали для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин и т.д. Примеры марок: 18Х12ВБФР, 10Х11Н23Т3МР, 12Х18Н10Т и т.д.

 

Задание студенту: ознакомиться с основными положениями методических указаний данной работы, ГОСТами на стали, записать их в виде письменного отчета.

Содержание письменного отчета:

- письменный отчет должен включать определение «что такое сталь?»; указать влияние углерода, вредных примесей, легирующих элементов на свойства стали;

- записать по каким признакам классифицируются стали;

- выписать общие принципы маркировки сталей;

- указать конструкционные и инструментальные углеродистые и легированные стали, а также стали и сплавы с особыми свойствами.

При защите лабораторной работы необходимо ответить на следующие вопросы.

1. Как влияет углерод на механические и технологические свойства стали?
2. Назовите полезные примеси в стали.
3. Почему сера, фосфор, кислород и водород относятся к вредным примесям? В чем проявляется влияние каждого из этих элементов на свойства стали?
4. Укажите пути улучшения обрабатываемости стали резанием.
5. Как классифицируются стали по назначению, химическому составу, качеству и степени раскисления?
6. Что показывает маркировка стали?
7. Назначение легирующих элементов в стали.
8. Как изменяются свойства стали в зависимости от степени раскисления?
9. В каких случаях вредная примесь может оказать положительное влияние на свойства стали? Приведите примеры.

10.Oт каких факторов зависит выбор марки стали для конкретной детали?

Литература

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение.: Машиностроение, 1990, с.131–143; с. 252-312; с. 349-376.
2. Е.Т. Кондратьев. Технология конструкционных материалов и материаловедение. М.: Колос, 1992, с. 63-65: с.78-96; с. 136-141.
3. Металловедение и технология металлов / Под ред. Ю.П. Солнцева. М.: Металлургия, 1988. с. 126-131; с. 184-219.

 

Лабораторная работа № 2