Файл: Теория термообработки.doc

3. Марки для служебного пользования. Эти марки не расшифровывают химический состав, а показывают на завод-изготовитель (Э – электросталь, Д – днепроспецсталь). Вторая буква может быть или не быть: И – исследовательская, П – пробная.
Классификация легированной стали.

Одной общепринятой классификации легированной стали, в настоящий момент, не существует, и поэтому принято разделять легированные стали по нескольким признакам:

1. Классификация по структуре в равновесном состоянии (после медленного охлаждения). Разделяют на 4 группы:

1). Равновесное состояние

Доэвтектоидная

Эвтектоидная

Заэвтектоидная

Ледебуритная (карбидная)

2). По структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).

2. Классификация по качеству (по содержанию вредных примесей)

1. 
   Обыкновенного качества (S – 0,03%, Р – 0,04%)
   
2. 
   Качественная сталь (S – 0,025%)
   
3. 
   Высококачественная сталь (S – 0,015%)
   
4. 
   Особо высококачественная сталь
   

Качество влияет на прочность, стойкость против разрушения.

3. Классификация по содержанию легирующих элементов.

Малолегированная сталь – до 2,5% легирующих элементов.

Среднелегированная сталь – 2,5-10% легирующих элементов.

Высоколегированная сталь – более 10% легирующих элементов.

Если содержание железа не менее 45%, то – это сталь. Если меньше, то –сплав.

4. Классификация по назначению

Конструкционные стали: детали машин, конструкции, узлы, механизмы.

Инструментальные стали

Стали и сплавы со специальными свойствами.
Конструкционные стали.

Понятие о конструкционной прочности

Под конструкционной прочностью понимают способность всей конструкции длительное время надежно работать в различных условиях эксплуатации без катастрофических разрушений. Конструкционная прочность – это интегральная характеристика, объединяющая в себе несколько групп факторов.

1. Металлургические факторы (природа материала). Сюда относят химический состав, микроструктуру, кристаллическую решетку, наличие дефектов, полиморфных превращений и т.д.

2. Конструктивно-силовые факторы. Сюда относят конструкцию, напряженно-силовое состояние, масштабный фактор, фактор формы и т.д.

3. Внешние факторы. Сюда относят наличие агрессивных сред, электромагнитных полей, абразивного износа, температуру.

---

Для того, чтобы успешно противостоять всем разрушающим факторам при выборе материала для той или иной детали, необходимо учитывать целый ряд параметров.
Выбор стали для деталей конструкционного назначения.

1. Прочность.

Первой характеристикой, по которой осуществляют выбор стали для той или иной детали, является прочность. Однако прочность конструкции рассчитывается иногда не из предела прочности σ_В, а исходя из предела текучести σ_0,2, т.к. величина 0,2 – это δ=0,2%, т.е. максимально допустимая деформация. Если деформация будет больше, то искажение формы детали приведет к отказу механизма в результате заклинивания или разрушения. Поэтому при выборе стали под ту или иную деталь прочность оценивается по пределу текучести.

2. Критический диаметр.

Большинство конструкционных деталей при изготовлении подвергается упрочняющей термообработке, при этом свойства стали после термообработки в значительной мере зависят от того, прокалилась ли деталь насквозь или нет. Если деталь массивная и не содержит легирующих элементов, то после закалки сердцевина останется незакаленной. Такие детали будут плохо работать на растяжение, и особенно плохо будут противостоять знакопеременным нагрузкам, т.е. сопротивляться усталости. Поэтому для деталей, работающих на удар или на усталость, всегда ставятся требования сквозной прокаливаемости. Прокаливаемость стали оценивается по критическому диаметру. Критический диаметр – максимальный диаметр, который может закалиться насквозь в заданном охладителе. Таким образом, при выборе марки стали максимальный размер детали в сечении должен быть меньше или равен критическому диаметру.

Для удобства выбора той или иной марки стали для деталей различного размера, применяются специальные таблицы, в которых все стали расставлены исходя из двух параметров – предела текучести после термического улучшения и критического диаметра.

Табл.

3. Хладноломкость.

4. Ударная вязкость. Если детали предназначены для работы при отрицательных температурах, а так же условиях ударного нагружения, т.е. динамических нагрузок, то следующими параметрами, по которым проводится дальнейший выбор стали, являются температура полухрупкости Т₅₀, а так же ударная вязкость аn или вязкость разрушения К_1С. Температура полухрупкости показывает температуру, при которой 50% излома носит вязкий характер, 50% - хрупкий. То есть это границы хладноломкости детали. Зная рабочую температуру, всегда нужно выбирать такую сталь, чтобы граница хладноломкости была на 20-40º С ниже рабочей. Для снижения хладноломкости вводят Ni, Mo. Вязкость стали зависит от размеров зерна: чем мельче зерно, тем выше вязкость. Для повышения вязкости вводят Ni, Mo, Mn, W.

---

5. Дополнительные факторы. Если по условиям работы детали подвергаются дополнительным видам износа (абразивный износ поверхности, окисление поверхности в агрессивных средах, воздействие повышенных температур), то кроме типовых факторов при выборе марки стали учитываются и дополнительные, и подбираются соответствующие меры для противодействия разрушающим факторам (поверхностная закалка, ХТО, поверхностный наклеп, обдувка дробью, песком).
Низкоуглеродистые цементуемые стали.

Эта группа сталей предназначена для изготовления деталей, обладающих повышенной твердостью, прочностью, износостойкостью поверхности и одновременно вязкой сердцевиной. Количество углерода в этих сталях 0,1-0,25%. Введение дополнительных легирующих элементов необходимо, прежде всего, для повышения прочности сердцевины. Слой цементации 0,6-1,2 мм, температура цементации 950-980º С, выдержка, исходя из скорости цементации, 0,1мм/час. При массовом производстве цементацию проводят в газовых печах, при штучном или мелкосерийном производстве – в твердой среде (засыпают углем). Если цементация проводится в газовой печи, то закалка производится непосредственно при выходе из печи, т.е. без дополнительного нагрева. После цементации все детали подвергаются упрочняющей термообработке, для ответственных деталей – двойная закалка (первая закалка – 850-870º С, вторая закалка – 760-780º С) + низкий отпуск (180-200º С), для неответственных деталей – одна закалка с цементационным нагревом (930-950º С) + низкий отпуск (180-200º С). Иногда вместо первой закалки применяют нормализацию (измельчение зерна, устранение цементитной сетки). Цементируемая сталь содержит Cr, W, Ti – карбидообразующие, Ni, Si, Cu – не карбидообразующие. Карбидообразующие элементы повышают твердость поверхности.

1. Стали с не упрочняемой сердцевиной – ст.10, 15, 20 (простые углеродистые).

2. Стали со слабо упрочняемой сердцевиной – ст. 15Х, 15ХР, 15ХГР.

3. Стали с сильно упрочняемой сердцевиной – ст. 12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХНВА, 18ХГТ, 25ХГТ.
Среднеуглеродистые цементуемые стали.

Детали ответственного назначения работают, как правило, в условиях знакопеременных, ударных нагрузок и поэтому требуют применения сталей, сочетающих такие характеристики как высокая прочность, вязкость, а так же сопротивление усталостному разрушению. Такие характеристики можно получить в среднеуглеродистой стали, т.е. содержащей 0,25-0,55% углерода.

---

1. Если к такой стали применить полную закалку и низкий отпуск, то можно получить очень высокий предел прочности, но при этом очень маленький запас вязкости. Поэтому чаще всего после закалки такую сталь подвергают высокому отпуску. При этом предел прочности несколько понижается, но зато удается получить максимально высокую вязкость, т.е. получить максимально высокую конструкционную прочность. Сочетание полная закалка (820-850º С) + высокий отпуск (550-650º С) применяется для улучшаемых сталей. Структура после такой закалки – сорбит. Границ зерен не видно. Максимально высокая усталостная прочность достигается только при условии однородной структуры, поэтому в этом случае детали должны иметь сквозную прокаливаемость. Если после закалки в центре детали структура будет перлитная, то такая деталь будет плохо сопротивляться усталости.

2. Но для обеспечения сквозной прокаливаемости требуется иметь максимально высокий критический диаметр, т.е. максимально возможный диаметр, на который прокаливается деталь в данном охладителе. Критический диаметр, т.е. прокаливаемость, зависит от многих факторов. Но главным из них является наличие легирующих элементов (кроме кобальта, легирующие элементы смещают с-образные кривые вправо, увеличивают устойчивость аустенита, уменьшая тем самым критическую скорость охлаждения).

В результате при закалке скорость охлаждения даже массивных деталей становится выше критической, и деталь закаливается насквозь, т.е. основным механизмом влияния легирующих элементов на данную сталь является увеличение прокаливаемости стали.

3. Многие детали из улучшаемой стали работают в условиях поверхностного износа (в условиях трения). Сопротивление износу обеспечивает высокая твердость, но после высокого отпуска твердость стали составляет 23-25 HRC и ее недостаточно. Поэтому как дополнительный вариант упрочняющей термообработки для таких деталей применяют поверхностную закалку или ХТО (азотирование). Добавки V, Ti образуют очень стойкие карбиды, которые не растворяются при нагреве под закалку, поэтому сдерживают рост аустенита. В результате сталь получается мелкозернистой и имеет высокую вязкость. Mo и W вводят в сталь для уменьшения отпускной хрупкости 2 рода. Буква А в конце означает уменьшенное содержание вредных примесей S и P.

Выбор той или иной марки стали из этой группы проводится, прежде всего, по пределу прочности и по критическому диаметру. Для этого пользуются таблицей

---

, где все стали размещены по категориям прочности и критическому диаметру. По критическому диаметру улучшаемые стали разделяют на 5 групп:

1. Критический диаметр до 20 мм при охлаждении в воде. В эту группу входят все простые углеродистые стали 30, 35, 40, 45, т.е. практически нелегированные (самые дешевые и легкодоступные).

2. Критический диаметр 20-40 мм при охлаждении в масле. В эту группу входят стали 35Х, 40Х, 45Х.

3. Критический диаметр 40-60 мм. В эту группу входят стали 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА, 40Г2, 40ХГР, т.е. стали, содержащие добавки Cr, Mn, Si.

4. Критический диаметр до 100 мм. В эту группу входят стали 30ХН3А, 35ХМ, 40ХН, т.е. стали, содержащие Cr, Ni.

5. Критический диаметр свыше 100 мм (до 1000 мм). В эту группу входят стали 38Х2Н2МА, 35ХН3МА, 40ХНМА.
Высокоуглеродистые пружинные, рессорные стали.

1. Основное требование к пружинно-рессорной стали – это максимальный предел упругости. Величина предела упругости зависит в основном от количества углерода в стали: чем его больше, тем выше предел упругости.

2. Второе требование – высокая релаксационная стойкость (против снижения предела упругости).

3. Стойкость при усталостном нагружении. Требуется высокое качество поверхности, дополнительная обработка наклепом (дробь, песок), чтобы не возникли трещины усталости.

Термообработка пружинных сталей.

При изготовлении пружин пользуются как горячей, так и холодной деформацией. Горячая деформация используется при изготовлении крупногабаритных пружин большого сечения.

После горячей навивки применяют закалку и средний отпуск, структура - троостит. Он представляет собой мелкопластинчатую структуру, которая обладает минимальным запасом вязкости, но, так как пружины должны работать только на упругость, то вязкость не является ограничением.

При изготовлении пружин небольшого поперечного сечения можно использовать патентирование, т.е. изотермический отжиг с последующей холодной деформацией. После изготовления и термообработки пружины подвергают тщательной обработке поверхности (шлифовка, полировка, покраска), чтобы устранить концентраторы напряжений для последующего устранения усталостных трещин. Повысить усталостную стойкость можно также обработкой, создающей поверхностный наклеп.
Стали для холодной штамповки.

К этим сталям относят, прежде всего, малоуглеродистые стали с содержанием С =0,05 – 0,2%. Основные требования:

---