Графики термической обработки: простой и сложной

Основными видами термической обработки являются: Отжиг Нормализация Отпуск Старение Закалка

Отжиг заключается в нагреве сталей до температур выше фазового превращения с последующей выдержкой и медленным охлаждением сплава вместе с печью. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость.

Отжигу подвергают отливки, поковки, прокат, заготовки из углеродистой и легированной стали.

Различают следующие виды отжига: неполный, полный, низкотемпературный, диффузионный и рекристализационный.

Если после нагрева охлаждение происходит не вместе с печью, а на воздухе, то такую операцию называют нормализацией. Получаемая структура после нормализации – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Для низкоуглеродистых сталей структура и свойства после отжига и нормализации ничем не отличаются. При этом операция нормализации дешевле отжига.  По этой причине для низкоуглеродистых сталей рациональней проводит нормализацию. Отличия в структуре появляются с повышением содержания углерода. Также существенно может отличаться структура после отжига и нормализации у легированных сталей.

Закалка – нагрев стали до температур выше фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической. Цель закалки – придать стали большую твердость. После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и повышенной хрупкостью. Закалка не является окончательным видом термической обработки.

Для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением.

В результате отпуска структура стали переходит к более равновесному состоянию, твердость снижается, а пластичность повышается.

В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на:  низкий (150–250 ^оС),  средний (300-450 ^оС),  высокий (500-700 ^оС).

С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Самопроизвольный отпуск закаленных сталей при незначительном нагреве или без него, наблюдающийся с течением времени называют старением.

Улучшение. Закалку в сочетании с высоким отпуском называют улучшением. Его назначение – измельчение структуры, повышение механических свойств и повышение обрабатываемости стали резанием.

20 Технологические процессы при отжиге нормализации, закалки и отпуске сталей Отжиг - процесс термообработки металла, при котором производится нагревание, затем медленное охлаждение металла. Переход структуры из неравновесного состояния до более равновесного. Отжиг первого рода, его виды: возврат (он же отдых металла), рекристаллизационный отжиг (он же называется рекристаллизация), отжиг для снятия внутренних напряжений, диффузионный отжиг (еще называется гомогенизация). Отжиг второго рода – изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критических точек с целью получения равновесных структур. Отжиг второго рода, его виды:полный, неполный, изотермический отжиги.

Нормализация – разновидность отжига.

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 ^oС выше А₃ или А_ст с последующим охлаждением на воздухе.

Т_н = А_с3 + (30..50)^о С

или

Т_н = А_ст + (30..50)^о С

Диаграмма железо-углерод. Диаграмма состояния железо-углерод. Диаграмма железо-цементит. Диаграмма состояния железо-цементит.

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.

Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.з акалкой  называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A_C3  для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А_С1

 для заэвтектоидной стали и выдержки при данной температуре с последующим быстрым охлаждением (в воде, масле, водных раство­рах солей и пр.).

В результате закалки сталь получает структуру мартенсита и благодаря этому становится твердой.

Закалка повышает прочность конструкционных сталей, придает твердость и износостойкость инструментальным сталям.

Режимы закалки определяются скоростью и температурой на­грева, длительностью выдержки при этой температуре и особенно скоростью охлаждения. отпуск является окончательной термической обработкой. Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей (см. Закалка стали). С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Термическая обработка металла. Термическая обработка металлов и сплавов. Виды термической обработки металлов. Виды термообработки.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Т_н = 150…300^oС.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска. Проводят для инструментальных сталей после закалки токами высокой частоты или после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Т_н = 300…450^oС.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью. Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Т_н = 450…650^oС..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска. Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки. Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением

 

21 Превращения в сталях при проведении ТО. Виды закалочных структур Термической (или тепловой) обработкой называется совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твёрдых металлических сплавов с целью получения заданных свойств за счёт изменения внутреннего строения и структуры. Тепловая обработка используется либо в качестве промежуточной операции для улучшения обрабатываемости давлением, резанием, либо как окончательная операция технологического процесса, обеспечивающая заданный уровень свойств изделия.

Общая длительность нагрева металла при тепловой обработке складывается из времени собственно нагрева до заданной температуры и времени выдержки при этой температуре. Время нагрева зависит от типа печи, размеров изделий, их укладки в печи; время выдержки зависит от скорости протекания фазовых превращений.

Нагрев может сопровождаться взаимодействием поверхности металла с газовой средой и приводить к обезуглероживанию поверхностного слоя и образованию окалины. Обезуглероживание приводит к тому, что поверхность изделий становится менее прочной и теряет твёрдость.

При нагреве и охлаждении стали происходят фазовые превращения, которые характеризуются температурными критическими точками. Принято обозначать критические точки стали буквой А. Критические точки А1 лежат на линии PSK (727 °С) диаграммы железо-углерод и соответствуют превращению перлита в аустенит. Критические точки А2 находятся на линии МО (768 °С), характеризующей магнитное превращение феррита. A3 соответствует линиям GS и SE, на которых соответственно завершается превращение феррита и цементита в аустенит при нагреве.

Для обозначения критических точек при нагреве и охлаждении вводят дополнительные индексы: букву «с» в случае нагрева и «r» в случае охлаждения, например Ас1,  Ac3, Ar1, Ar3.

В зависимости от скорости охлаждения сталь после закалки может иметь структуру мартенсита, сорбита и троостита, существенно влияющую на свойства стали. При резком, сильном охлаждении диффузионный распад аустенита становится невозможным. В процессе охлаждения атомы железа из решетки Fe? перестраиваются в решетку Fe?. Как известно, (раздел 5), аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в Fe?. В зависимости от марки стали, аустенит может растворять до 2% углерода. Максимальная растворимость углерода в Fe? при нормальных условиях не превышает 0,002%. При резком охлаждении нагретой стали углерод не успевает выделится из кристаллической решетки железа и образовать частички цементита. В результате образуется пересыщенный твердый раствор углерода в Fe?, называемый мартенситом.

Температура нагрева под закалку заэвтектоидных сталей на 30…50?С выше линии PSK (рис.26). Нагрев этих сталей выше линии SE приводит к укрупнению зерен аустенита и росту закалочных напряжений, что отрицательно сказывается на свойствах закаленных сталей (увеличивается хрупкость).

Скорость охлаждения, которая обеспечивает при закалке получение мартенситной структуры, называется критической скоростью закалки. Охлаждение со скоростью меньше критической приводит к образованию сорбитной, трооститной и перлитной структуры. Для образования мартенсита скорость охлаждения должна превышать критическую, т.е. примерно свыше 1500С/с, что не позволяет углероду выделиться из решетки аустенита.

Структура перлита, получаемая при медленном охлаждении стали, является равновесной. Структуры сорбита, троостита и мартенсита являются неравновесными. Причем из-за значительного количества углерода кристаллическая решетка в мартенсите искажается и становится тетрагональной (вместо гранецентрированной кубической у аустенита).

Мартенсит имеет характерное игольчатое строение, что хорошо видно под микроскопом (рис.27). Он отличается высокой твердостью, прочностью и хрупкостью. Поэтому чем больше аустенита превращается в мартенсит, тем сталь после закалки будет более твердой. В связи с этим температура нагрева стали под закалку должна быть такой, чтобы сталь полностью перешла в аустенитное состояние

22. Поверхностная закалка стали Поверхностная закалка может быть достигнута за счет кратковременного нагрева поверхностного слоя металла до температуры закалки и последующего быстрого охлаждения. При этом скорость нагрева должна быть такой, чтобы тепло не успело распространиться в глубь детали, в противном случае произошла бы объемная закалка изделия.

Наибольшее распространение в технологии машиностроения получила индукционная закалка токами высокой частоты (ТВЧ). Сущность индукционного нагрева заключается в том, что при помещении детали в переменное магнитные поле высокой частоты (200…500 тыс. Гц) в поверхностном слое металла генерируются индукционные вихревые токи (токи Фуко), разогревающие поверхность со скоростью до 1000С/с. Толщина слоя, в котором генерируются токи и выделяется тепло, зависит от частоты тока и с ее увеличением уменьшается. Поэтому чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой. Однако вследствие теплопроводности глубина закаленного слоя несколько превышает глубину проникновения тока и составляет обычно 1…2 мм.

Режим высокочастотной закалки приводит к образованию в поверхностном закаленном слое мелкоигольчатого мартенсита с высокой твердостью и прочностью, что вызывает в поверхностном слое высокие остаточные напряжения. Поэтому после закалки ТВЧ все детали подвергаются обязательному низкотемпературному отпуску.

23 Старение обработка холодом

Как отпуск, так и старение — это разновидности термической обработки, в результате которой происходит изменение свойств закаленных сплавов. В отличие от отпуска, после старения увеличиваются прочность, твердость, уменьшается пластичность.

Главным процессом при старении является распад пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки. Таким образом, старение сплавов связано с переменной растворимостью избыточной фазы, а упрочнение при старении происходит в результате дисперсных выделений при распаде пересыщенного твердого раствора и возникающих при этом внутренних напряжений.В стареющих сплавах выделения из пересыщенных твердых растворов встречаются в следующих основных формах: тонкопластинчатой (дискообразной), равноосной (обычно сферической или кубической) и игольчатой. Энергия упругих искажений минимальна для выделений в форме тонких пластин — линз.

Основное назначение старения — повышение прочности и стабилизация свойств.

Различают старение естественное, искусственное и после пластической деформации. Естественным старением называют самопроизвольное повышение прочности (и уменьшение пластичности) закаленного сплав а, про и сходящее в процессе его выдержки при нормальной температуре.

Обработка холодом состоит в погружении на некоторое время закаленных деталей в среду, имеющую температуру ниже нуля. После этого детали вынимают на воздух.

Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всей детали и выравнивания температур по сечению.

Охлаждение изделия до отрицательных температур производят в смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, дающей охлаждение до —78,5° либо в жидком азоте (—196°).

Кроме этого, применяют холодильные установки, позволяющие изменять температуру рабочей камеры в больших пределах.

Обработка холодом применяется для сталей, в которых после закалки сохранился остаточный аустенит (углеродистая сталь с содержанием больше 0,6% С, легированная инструментальная сталь).

24.Деффекты термической обработки стали

Дефекты при отжиге и нормализации. В процессе отжига и нормализации могут возникнуть следующие дефекты: окисление, обезуглероживание, перегрев и пережог металла. При нагреве в пламенных печах поверхность стальных деталей взаимодействует с печными газами. В результате металл окисляется и на деталях образуется окалина – химическое соединение металла с кислородом. С повышением температуры и увеличением времени выдержки окисление резко возрастает. Образование окалины не только вызывает угар (потерю) металла на окалину, но и повреждает поверхность деталей. Поверхность стали под окалиной получается разъеденной и неровной, что затрудняет обработку металла режущим инструментом. Окалину с поверхности деталей удаляют травлением в растворе серной кислоты в воде, очисткой в дробеструйных установках или галтовкой в барабанах. Обезуглероживание, т. е. выгорание углерода с поверхности деталей, происходит при окислении стали. Обезуглероживание резко снижает прочностные свойства конструкционной стали. Кроме того, обезуглероживание поверхности может вызвать образование закалочных трещин и коробление (поводку детали). Для предохранения деталей от окисления, а следовательно, и от обезуглероживания при отжиге, нормализации и закалке применяют безокислительные (защитные) газы, которые вводят в рабочее пространство печи. При нагреве стали выше определенных температур и длительных выдержках в ней происходит быстрый рост зерен, ведущий к возникновению крупнокристаллической структуры. Это явление называют перегревом. Перегрев ведет к понижению пластических свойств стали. В перегретой стали при закалке образуются трещины. Перегрев металла может быть исправлен последующей термической обработкой – отжигом или нормализацией. Пережог получается в результате длительного пребывания металла в печи при высокой температуре, близкой к температуре плавления. Физическая сущность пережога состоит в том, что кислород из окружающей атмосферы при высокой температуре проникает в глубь нагреваемого металла и окисляет границы зерен. В результате окисления границ зерен механическая связь между зернами ослабевает, металл теряет пластичность и становится хрупким. Пережог является неисправимым браком. Дефекты при закалке. В процессе нагрева под закалку и при закалке могут появляться следующие дефекты: трещины, деформация и коробление, обезуглероживание, мягкие пятна и низкая твердость. Закалочные трещины - это неисправимый брак, образующийся в процессе термической обработки. Они являются следствием возникновения больших внутренних напряжений. В штампах крупных размеров закалочные трещины могут появляться даже при закалке в масле. Поэтому штампы целесообразно охлаждать до 150-200ºС с быстрым последующим отпуском. Трещины возникают при неправильном нагреве (перегреве) и большой скорости охлаждения в деталях, конструкция которых имеет резкие переходы поверхностей, грубые риски, оставшиеся после механической обработки, острые углы, тонкие стенки и т д. Закалочные трещины, обычно расположенные в углах деталей или инструмента, имеют дугообразный или извилистый вид. Деформация и коробление деталей происходят в результате неравномерных структурных и связанных с ними объемных превращений, обусловливающих возникновение внутренних напряжений в металле при нагреве и охлаждении. При закалке стали коробление деталей может происходить и без значительных объемных изменений в результате неравномерного нагрева и охлаждения. Если, например, деталь небольшого сечения и большой длины нагревать только с одной стороны, то она изгибается. При этом нагреваемая сторона детали удлиняется и становится выпуклой, а ее противоположная сторона - вогнутой. Нагревать и охлаждать детали при закалке следует равномерно. При погружении деталей и инструмента в закалочную среду надо учитывать их форму и размеры. Детали, имеющие толстые и тонкие части, погружают в закалочную среду сначала толстой частью, длинные детали (штоки, протяжки, сверла, метчики и т. д.) опускают в строго вертикальном положении, а тонкие плоские (диски, отрезные фрезы, пластинки и др.) - ребром. Окисление и обезуглероживание происходит в основном при нагреве под закалку от взаимодействия печных газов или расплавленных солей с поверхностными слоями детали. Этот дефект особенно опасен на режущем инструменте, так как он в несколько раз снижает его стойкость. Окисление и обезуглероживание поверхности изделия предупреждается строгим соблюдением установленного режима термической обработки, а также нагревом в среде нейтральных газов (азоте, аргоне). Мягкие пятна - это участки на поверхности детали или инструмента с пониженной твердостью. Такие дефекты образуются при закалке в процессе охлаждения в закалочной среде, когда на поверхности детали имелась окалина, следы загрязнений и участки с обезуглероженной поверхностью, а также в случае недостаточно быстрого движения детали в закалочной среде и образования на поверхности детали паровой рубашки. Низкая твердость чаще всего наблюдается при закалке инструмента. Причинами низкой твердости являются недостаточно быстрое охлаждение в закалочной среде, низкая температура закалки, а также недостаточная выдержка при нагреве под закалку. Для исправления этого дефекта деталь следует подвергнуть высокому отпуску и снова закалить. Перегрев деталей под закалку увеличивает зернистость металла и, следовательно, ухудшает его механические свойства. Металл приобретает повышенную хрупкость. Для повторной закалки деталей их следует подвергнуть отжигу для измельчения зерна. Недогрев получается в том случае, если температура закалки была ниже критической точки Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) и Ас₁ (заэвтектоидных сталей). Недогрев исправляют отжигом, после которого деталь снова закаливают. 25 Общая характеристика процессов при химико термической обработке. Цементация и азотирование деталей Диссоциация - разложение химического соединения для получения неметаллов в более активном, атомарном состоянии. Абсорбция – поглощение поверхностью детали атомов указанных неметаллов. Диффузия - перемещение абсорбированного элемента в глубь изделия. Скорости всех трех процессов обязательно должны согласовываться друг с другом. Для абсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом с образованием либо твердого раствора, либо химического соединения, так как при отсутствии этого химико-термическая обработка невозможна.

ХТО это стержневой способ поверхностного упрочнения деталей. Основными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, нитроцементация, цианирование и диффузионная металлизация. Скорость диффузии атомов в решетку железа неодинакова и зависит от состава и строения образующих фаз. При насыщении углеродом или азотом, составляющими с железом твердые растворы внедрения, диффузия протекает быстрее, чем в аналогичном процессе металлами, образующими твердые растворы замещения. Поэтому в данном случае используют более высокие температуры и длительное время обработки, несмотря на это, получают меньшую толщину слоя, чем при азотировании и особенно науглероживании.

Насыщение неметаллами позволяет получать наибольшую толщину диффузионного слоя х, рост которой в зависимости от продолжительности процессапри данной температуре обычно выражается параболой (рис. 1.56).

. Химико-термическая обработка осуществляется в результате диффузионного насыщения металла или сплава неметаллами (С, N, В и др.) или металлами (Al, Сг, Znи др.) при определенной температуре в активной насыщающей среде.

Для повышения долговечности наиболее ответственных деталей машин широко используются процессы цементации (науглероживания), нитроцементации и азотирования. Несколько в меньшей степени применяется поверхностное насыщение бором, кремнием и металлами. Примером могут служить детали автомобилей, тракторов, станков, сельскохозяйственных, текстильных и других машин, подвергаемых цементации, нитроцементации и азотированию. 

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

– цементация  (насыщение поверхностного слоя углеродом);

– азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

26.Цианирование, нитроцементация Цианирование в сталелитейном производстве — процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при температурах 820-950° C в расплаве цианида натрия или других солей с тем же анионом. Процесс проводят для получения слоя небольшой толщины 0,15-0,35 мм при температуре 820—860° C в ваннах. Продолжительность процесса составляет 30-90 минут в зависимости от толщины слоя.

Нитроцементаця процесс насыщения поверхности стали одновременно углеродом и азотом при 700—950 °C в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака. Наиболее часто нитроцементация проводится при 850—870 °С. После нитроцементации следует закалка в масло с повторного нагрева или непосредственно из нитроцементационной печи с температурой насыщения или небольшого подстуживания. Для уменьшения деформации рекомендуется применять ступенчатую закалку с выдержкой в горячем масле 180—200 °С.

получил широкое распространение в машиностроении для деталей, по условиям работы которых достаточна толщина упрочненного слоя

27 диффузиционная металлизация, борирование Диффузионная металлизация — процесс диффузионного насыщения поверхностных слоев стали различными металлами. При насыщении хромом этот процесс называется хромированием, алюминием — алитированием, кремнием — силицирова-нием и т. д. Комбинированные процессы, заключающиеся в одновременном насыщении хромом и алюминием, или хромом и вольфрамом, называют хромоалитированием, хромовольфрами-рованием и т. д. Диффузионная металлизация осуществляется путем нагрева и выдержки стальных деталей в контакте с твердой или газовой средой, содержащей элемент, которым осуществляется насыщение. Диффузионная металлизация создает поверхностную окалиностой-кость, коррозионную стойкость, а также износостойкость и твердость. Диффузионная металлизация не получила еще достаточного практического применения из-за необходимости высокой температуры и длительности процесса. Пока можно считать внедренным в производство только процесс насыщения алюминием — алити-рование, тогда как остальные процессы — хромирование, сили-цирование и т%. д. — только начинают применяться Борирование — процесс химико-термической обработки, диффузионного насыщения поверхности металлов и сплавов бором при нагреве и выдержке в химически активной среде. Борирование приводит к упрочнению поверхности.

Борирование проводят преимущественно с целью повышения износостойкости (в условиях сухого трения, скольжения со смазкой и без смазки, абразивного изнашивания, фреттинг-коррозии и т.п.). Борирование повышает также коррозийную стойкость железо-углеродистых сплавов во многих агрессивных средах и жаростойкость при температурах ниже 850 °C и жаростойка до 800 °С.

28 Термомеханическая обработка

Термомеханическая обработка (ТМО) – новый метод упрочнения стали при сохранении достаточной пластичности, совмещающий пластическую деформацию и упрочняющую термическую обработку (закалку и отпуск). При ТМО деформации подвергают сталь в аустенитном состоянии, а при последующем быстром охлаждении формирование структуры закаленной стали (мартенсита) происходит в условиях наклепа аустенита, в связи с чем и повышаются механические свойства стали. Пластическое деформирование при ТМО возможно прокаткой, ковкой, штамповкой и другими способами обработки металлов давлением. Различают два способа термомеханической обработки – высокотемпературную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) (рис: 44).

Рис. 44. Схема термомеханической обработки стали: а – высокотемпературная, б – низкотемпературная

При ВТМО сталь нагревают выше точки Ас₃, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 20-30%) и закаливают. При НТМО сталь нагревают выше точки Ас₃, охлаждают до температуры относительной устойчивости аустенита, но ниже температуры рекристаллизации, пластически деформируют при этой температуре (степень деформации 75-95%) и закаливают. В обоих случаях после закалки следует низкий отпуск. ВТМО можно подвергать любые стали, а НТМО - только стали с повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита (легированные стали). По сравнению с обычной закалкой после ТМО механические свойства получаются более высокими. Наибольшее упрочнение достигается после НТМО (σ_в=2800-3300 МПа, δ=6%), после обычной закалки и низкого отпуска предел прочности σ_в не превышает 2000-2200 МПа и δ=З-4%. При термомеханической обработке стали повышение прочности объясняется тем, что в результате деформации аустенита происходит дробление его зерен. При последующей закалке из такого аустенита образуются более мелкие пластинки мартенсита, что положительно сказывается на пластических свойствах и вязкости стали.

29 Классификация сталей,углеродистые, конструкционные стали обыкновенного качества и качественные Классификация сталей и сплавов производится по химическому составу, по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей), по степени раскисления и характеру затвердевания .металла в изложнице, а также по назначению.

По химическому составу углеродистые стали различают в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;

• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;

• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

• низколегированные - менее 2,5%;

• среднелегированные - 2,5... 10%;

• высоколегированные - более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледвбуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;

в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный. К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы:

 

	сера,%	фосфор,%
• обыкновенного качества (рядовые)	менее 0,06	менее 0,07;
• качественные	менее 0,04	менее 0,035;
• высококачественные	менее 0,025	менее 0,025;
• особо высококачественные	менее 0,015	менее 0,025.

 

Стали обыкновенного качества по химическому составу - углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах.

Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов, так как отличаются повышенными ликвацией (химической и структурной неоднородностью) и количеством неметаллических включений.

Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.

Стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов.

Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств.

По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами

Классификация сталей и сплавов производится по химическому составу, по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей), по степени раскисления и характеру затвердевания .металла в изложнице, а также по назначению.

По химическому составу углеродистые стали различают в зависимости от содержания углерода на следующие группы:

• малоуглеродистые - менее 0,3% С;

• среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С;

• высокоуглеродистые - более 0,7 %С.

В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:

• низколегированные - менее 2,5%;

• среднелегированные - 2,5... 10%;

• высоколегированные - более 10%.

Легированные стали и сплавы делятся также на классы по структурному составу:

в отожженном состоянии - доэвтектоидный, заэвтектоидный, ледвбуритный (карбидный), ферритный, аустенитный;

в нормализованном состоянии - перлитный, мартенситный и аустенитный. К перлитному классу относят углеродистые и легированные стали с низким содержанием легирующих элементов, к мартенситному - с более высоким и к аустенитному - с высоким содержанием легирующих элементов.

По качеству, то есть по условиям производства (способу производства и содержанию вредных примесей), стали и сплавы делятся на следующие группы:

Конструкцио́нная сталь — сталь, которая применяется для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладает определёнными механическими, физическими и химическими свойствами. Конструкционные стали подразделяются на несколько подгрупп.

Углеродистые стали обыкновенного качества

Это наиболее дешевые стали. В них допускается повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как они выплавляются по нормам массовой технологии.

Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката (балки, прутки, листы, уголки, трубы, швеллеры и т. п.), а также поковок.

В зависимости от гарантируемых свойств их поставляют трех групп: А, Б, В. Стали маркируют сочетанием букв Ст и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки стали не указывается.

Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях — сп, полуспокойных — пс, кипящих — кп, например Ст.Зсп, БСт.пс, ВСт.Зкп.

Спокойными и полуспокойными производят стали Ст.1 — Ст.6, кипящими Ст.1 — Ст.4 всех трех групп. Сталь Ст.0 по степени раскисления не разделяется.

Сталь группы А поставляют с гарантированными механическими свойствами, химический состав не указывается.

Сталь группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, механические свойства не гарантируются.

Сталь группы В поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом с нормами для аналогичных сталей групп А и Б.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям, обладающим хорошими технологическими свойствами, отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность конструкций определяется жесткостью, а прочность их благодаря значительным геометрическим размерам заведомо обеспечивается.

Углеродистые качественные стали

Характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Они поставляются в виде проката, поковок и других полуфабрикатов с гарантированными химическим составом и механическими свойствами. Маркируются двухзначными числами 05, 08, 10, 15, 20.....85, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С; Сталь 45 — 0,45 % С и т. п.

Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие — с индексами соответственно пс и кп.

В соответствии с ГОСТ 1050 — 74 качественные стали производят и поставляют без термической обработки (горячекатаными, коваными), термически обработанными и нагартованными.

Механические свойства гарантируются после нормализации, а также по требованию потребителя после закалки и отпуска, нагартовки или термической обработки, устраняющей нагартовку — отжига или высокого отпуска.

Качественные стали находят многостороннее применение в технике, так как в зависимости от содержания углерода и термической обработки обладают разнообразными механическими и технологическими свойствами

30 Легированные конструкционные качественные , высококачественные и особовысококачественные стали

Легированными называют стали, в которые специально вводят те или иные химические элементы (хром, никель, кобальт, молибден, титан, вольфрам и др.). Эти элементы вводят с целью воздействия на структуру и получения требуемых свойств.

По своему воздействию  на структуру стали легирующие элементы делятся на 2 класса: - первые расширяют гамма-область и сужают альфа-область - вторые наоборот – сужают гамма-область и расширяют альфа-область

Легированные стали классифицируют: - по структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе - по типу легирующих элементов и их процентному содержанию - по качеству - по назначению

По структуре в равновесном состоянии разделяют на: - доэвтектоидные - эвтектоидные - заэвтектоидные

После охлаждения на воздухе структура стали может измениться. По структуре в нормализованном состоянии легированные стали подразделяют на: - перлитные - аустенитные - мартенситные

По типу легирующих элементов стали подразделяют на хромовые, никелевые и т.д. Современные легированные стали – сложнолегированные.

По общему процентному содержанию легирующих элементов легированные стали разделяют на: - низколегированные – 5-10% - среднелегированные – 10% - высоколегированные – более 10%

Все легированные стали являются качественными сталями. Но бывают высококачественные и особо высококачественные.

Все легированные стали подвергаются термообработке, которая существенно улучшает структуру и форму. Использование без термообработки нерационально.

По назначению стали делят на: - конструкционные - инструментальные - стали специального назначения

Маркировка легированных сталей

Маркировка легированных сталей зависит от их назначения. В основе маркировки легированных сталей лежит буквенно-цифровой метод.  В начале марки конструкционных легированных сталей (гост 4543-71) ставятся цифры, обозначающие содержание углерода в сотых долях процента.                                Далее идут большие буквы, обозначающие тот или иной легирующий элемент:

Х – хром	Б - ниобий
Н – никель	Д – медь
К – кобальт	Г – марганец
М – молибден	Р – бор
Т – титан	Ю – алюминий
В – вольфрам	Ф – ванадий
А – азот	С - кремний

После буквы может стоять цифра, которая обозначает среднее округленное до целого процентное содержание соответствующего легирующего элемента. Если цифры нет, то содержание легирующего элемента около 1% (или менее).

Если буква А стоит в середине марки стали – она означает присутствие в стали азота как легирующего элемента. Если буква А стоит в конце марки – сталь высококачественная. У особо высококачественной стали ставится буква Ш в конце марки.

40ХН3МФА – конструкционная легированная сталь со средним содержанием углерода 0,4%, ~1% хрома, ~3% никеля, ~1% молибдена, ~1% ванадия, высококачественная.

18ХГТ – конструкционная легированная сталь с содержанием углерода 0,18% и по 1% (приблизительно) хрома, марганца и титана.

Маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву "Ш".

Например:

У8А - углеродистая инструментальная высоко качественная сталь, содержащая 0,8% углерода;

30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8 до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.

особо высококачественные стали (по химическому составу эти стали соответствуют высококачественным сталям, но имеют меньший допустимый порог по содержанию серы, фосфора, неметаллических включений, примесей цветных металлов, а также содержания водорода, азота и кислорода). Они, как правило, выплавляются в электродуговых и индукционных печах с последующей рафинирующей и вакуумной обработкой стали в ковше или печах. Для получения таких сталей могут использоваться и специальные методы, например, электрошлаковый или вакуумно–дуговой переплав. Все это повышает механические и эксплуатационные свойства материала (ударную вязкость, пластичность и контактную выносливость) и позволяет применять такие стали при более высоком уровне прочности без опасности хрупкого разрушения

31 Автоматные,рессорно пружинные, износостойкие,коризионностойкие, жаропрочные стали и сплавы Автоматная сталь — разновидность конструкционной стали, разработанная для наиболее эффективного массового производства деталей на станках-автоматах.

Рессорно-пружинная сталь

Сталь, обладающая высоким пределом упругости (текучести). Для получения высоких упругих характеристик рессорно-пружинные стали подвергают закалке с последующим среднетемпературным отпуском для получения в структуре троостита. Для достижения более высоких эксплуатационных характеристик используют стали, легированные кремнием, хромом и ванадием. Характерным признаком рессорно-пружинных сталей является наличие в них углерода в количестве 0,5…0,8 %. По составу эти стали могут быть как углеродистыми, так и легированными. Рессорно-пружинные стали, прежде всего, должны обладать высоким пределом текучести, что обеспечивает высокие упругие свойства. Это достигается закалкой с последующим средним отпуском. Температура отпуска должна выбираться в пределах 350–500 °С (иногда, в зависимости от состава и назначения может доходить и до 600 °С). Кроме того, они должны обладать высоким пределом выносливости и достаточно высоким пределом прочности. А вот пластичность этих сталей должна быть пониженной (5–10 % по относительному удлинению и 20–35 % по относительному сужению). Это связано с тем, что в рессорах и пружинах не допускается пластическая деформация

Износостойкие стали

Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, траки гусеничных машин, щеки дробилок, черпаки землеройных машин, ковши экскаваторов и др.)- Пример износостойкой стали - высокомарганцовистая сталь 110Г13Л.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость. Структура для наиболее характерных сплавов этого назначения может быть: