Материаловедение

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

ТАБЛИЦА 6.1. Зависимость средних скоростей газовой цементации низкоуглеродистых сталей от температуры и толщины слоя
...
При второй закалке деталь нагревают до температуры *3 с превышением на 30-50 °С температуры Ас1
...
Окончательной операцией термической обработки является низкий отпуск при 160-200 °С, уменьшающий остаточные напряжения и не снижающий твердость стали (рис. 6.5).
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
После двойной закалки и низкого отпуска поверхностный слой приобретает структуру отпущенного мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины детали зависит от легированное™ стали. Если для цементации выбрана углеродистая сталь, то из-за малой прокаливаемости в сердцевине получится сорбитная структура; если же цементировалась легированная сталь, то в зависимости от количества легирующих элементов сердцевина может приобрести структуру бей-нита или низкоуглеродистого мартенсита. Во всех случаях из-за низкого содержания углерода будет обеспечена достаточно высокая ударная вязкость.
...
Детали менее ответственного назначения после цементации подвергают более простой термической обработке, состоящей из одной закалки и низкого отпуска
...
Если для цементации выбирают при-родно мелкозернистые стали и содержание углерода на поверхности близко к эвтектоидному, то и при одной закалке получают удовлетворительные свойства, как в сердцевине, так и в цементованном слое. Однократная закалка широко используется на заводах массового производства, где цементацию ведут в газовом карбюризаторе. Выгодно
...
и удобно в этом случае закалку проводить после цементационного нагрева (рис. 6.6). Цементованные детали подвергают шлифованию.
...
Азотирование стали. Азотированием называют процесс диффузионного насыщения азотом поверхностной зоны деталей. Азотирование применяют для повышения износостойкости и предела выносливости деталей машин (коленчатые валы, гильзы цилиндров, червяки, валики и др.).
...
До азотирования детали подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению) и чистовой обработке. После азотирования детали шлифуют или полируют.
...
Обычное азотирование проводят при температуре 500-600 °С в муфелях или контейнерах, через которые пропускается диссоциирующий аммиак.
...
Вероятно, что на стальной поверхности происходит реакция диссоциации аммиака с выделением ионов азота, которые адсорбируются поверхностью детали, а затем диффундируют вглубь.
...
Формирование структуры азотированной зоны в углеродистых сталях происходит примерно так же, как при азотировании железа. Поэтому, пользуясь диаграммой Ре-Ы (рис. 6.7), можно предсказать структуру азотированной зоны низкоуглеродистых сталей. По мере насыщения железа азотом при температуре ниже 590 °С сначала образуется а-твердый раствор внедрения азота в железо, затем слой 7'-фазы с ГЦК решеткой и упорядоченным расположением атомов азота в центрах элементарных ячеек. Обычно процесс азотирования завершается образованием на поверхности слоя е-фазы с ГПУ решеткой и упорядоченным расположением
...
Рис. б.б. Режим термической обработки при однократной закалке после цементации: /-цементация; //— закалка; /77 — отпуск; IV—
...
Химико-термическая обработка металлов и сплавов 115
...
При азотировании структуры диффузионной зоны легированных и углеродистых сталей аналогичны. Однако легирование изменяет состав фаз и температурные границы их образования; при изотермической выдержке в процессе азотирования могут образовываться двухфазные слои в диффузионной зоне. Установлено, что при азотировании упрочнение ос-фазы в легированных сталях происходит по механизму старения пересыщенных твердых растворов. При образовании полностью когерентных зародышей нитридной фазы в ос-фазе легированных сталей наблюдается максимальная твердость.
...
Высокие твердость и износостойкость получаются после азотирования легированной стали 38Х2МЮА, содержащей 0,35-0,42% С; 1,35-1,65% Сг; -0,7-1,10% А1 и 0,15-0,25% Мо. Комплексное легирование хромом, алюминием и молибденом позволяет повысить твердость азотированного слоя до ЯК 12000. Молибден также устраняет отпускную хрупкость, которая может возникнуть при медленном охлаждении от температуры азотирования.
...
Процесс азотирования-весьма длительная операция. Так, при обычном азотировании стали 38Х2МЮА диффузионную зону толщиной около 0,5 мм получают при 500-520 °С за 55 ч выдержки. Такую же толщину зоны можно получить за 40 ч, если применить двухступенчатый режим азотирования: 510°С-15 ч и 550°С-25 ч.
...
По сравнению с цементованными азотированные слои легированных сталей имеют более высокие твердость и износостойкость. Однако азотирование используют реже, чем цементацию, из-за большей длительности процесса и меньшей толщины упрочненного слоя, что ограничивает величину контактных нагрузок на поверхность детали.
...
Ионное азотирование и цементация. Для. активизации процессов в газовой среде и на насыщаемой поверхности применяют ионное азотирование (азоти-
...
При медленном охлаждении после азотирования вследствие переменной растворимости азота в а- и е-фазах (см. рис. 6.7) происходит выделение избыточной ун-фазы, и структура азотированной зоны от поверхности к сердцевине становится следуюшей: (е + уп) — - у' - (а + у„) - а.
...
При азотировании углеродистых сталей с увеличением содержания углерода уменьшается скорость диффузии азота и возможно образование карбони-тридных фаз.
...
Азотированная сталь, имеющая на поверхности слой е-фазы, коррозионно-стойка в воде и в атмосферных условиях. В системе Ге-Ы е- и у'-фазы имеют сравнительно невысокую твердость, соответственно НУ
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
рование в плазме тлеющего разряда). При этом достигается значительное сокращение общего времени процесса (в 2-3 раза) и повышение качества азотированной зоны.
...
Процесс ионного азотирования ведут в стальном контейнере, который является анодом. Катодом служат азотируемые детали. Через контейнер при низком давлении пропускается азотсодержащая газовая среда (аммиак, азот и др.).
...
Вначале азотируемая поверхность очищается катодным распылением в разреженном азотсодержащем газе или водороде. При напряжении около 1000 В и давлении 13,33-26,66 Па (1-2 мм рт. ст.) ионы газа бомбардируют и очищают поверхность катода (деталей). Поверхность при этом нагревается до температуры не более 200 °С. Затем устанавливается рабочий режим в диапазоне основных параметров: напряжение 300-800 В, давление 133,3-1333 Па (1-10 мм рт. ст.), удельная мощность 0,7-1 Вт/см2. Поверхность детали нагревается до требуемой температуры (450-550 °С) в результате бомбардировки положительными ионами газа. Ионы азота поглощаются поверхностью катода (детали), а затем идет диффузия вглубь. Параллельно с этим протекает процесс катодного распыления поверхности, что позволяет проводить азотирование трудноазоти-руемых сплавов, самопроизвольно покрывающихся защитной оксидной пленкой, которая препятствует проникновению азота при обычном азотировании. Ионное азотирование инструментов из быстрорежущей стали повышает стойкость в 2-5 раз в зависимости от условий резания.
...
Наряду с ионным азотированием начинают применять ионную цементацию деталей. В отличие от ионного азотирования при ионной цементации требуется более высокая температура нагрева поверхности (900-1050 °С), что достигается либо увеличением удельной мощности.
...
либо применением дополнительного внешнего нагрева цементуемых деталей. Исходной газовой средой являются углеводороды, которые разбавляются аргоном или азотом для предотвращения выделений сажи на насыщаемой поверхности. Сажа препятствует науглероживанию.
...
При ионной цементации, как и при ионном азотировании, наблюдается ускорение диффузионного насыщения, особенно в начальной стадии, и сокращение общей длительности технологического процесса по сравнению с традиционными способами цементации и азотирования.
...
Одновременное насыщение поверхности стали углеродом и азотом. Исследования показали, что в ряде случаев совместное диффузионное насыщение стали азотом и углеродом позволяет получать определенные преимущества. Например, азот способствует диффузии углерода, поэтому можно понизить температуру диффузионного насыщения до 850 °С и получить примерно такое же науглероживание, как при цементации. В этом случае уменьшится рост зерна аустенита и последующую закалку можно проводить сразу же после некоторого подсту-живания. Такой процесс называют ни-троцементацией, так как исходной средой является смесь цементирующего газа с 3-5% аммиака, а в диффузионной зоне образуются карбонитриды. Нитро-цементованный слой хорошо сопротивляется износу и коррозии.
...
Нитроцементацию широко применяют на автомобильных и тракторных заводах для упрочнения поверхностей нешлифуемых деталей.
...
Одновременное насыщение стали углеродом и азотом можно также проводить при температуре 820—860 °С в расплавленных солях, содержащих цианистый натрий. В ванне, содержащей 20— 25% КАСТЧ, 25-50% №С1 и 25-50% N32003,
...
Химико-термическая обработка металлов и сплавов
...
0,3 мм, который после закалки от 820—860 °С из ванны и отпуска при 180-200 °С приобретает поверхностную твердость ИКС
...
Нейтральные соли №С1 и Ка2С03 добавляют для повышения температуры плавления ванны, что несколько уменьшает испарение дорогих и ядовитых солей при температурах цианирования.
...
Существенный недостаток цианирования-ядовитость цианистых солей, что требует принятия специальных мер по охране труда и окружающей среды.
...
В связи с этим разработаны низкотемпературные процессы насыщения азотом и углеродом из расплавов нетоксичных солей цианатов и карбонатов. Такие процессы известны под названием «Карбонитрация» (СССР), «Тенифер» (ФРГ) и «Мелонайт» (США).
...
Специальными мерами (продувка ванны воздухом, охлаждение деталей в расплаве едкого натра и нитрита натрия) добиваются ликвидации образования ионов [С1Ч~].
...
В зависимости от вида инструмента режим процесса устанавливают в следующих пределах: температура расплава 530-570° С, время выдержки 5-30 мин.
...
Для многих деталей теплоэнергетического машиностроения требуются жаростойкие покрытия. Их поверхность должна хорошо сопротивляться окислительному действию рабочей или окру-жаюшей среды. Традиционными способами получения таких покрытий являются алитирование (алюминирова-ние), хромирование и силицирование из порошковых смесей, содержащих диффундирующий элемент, активизатор (1ЧН4С1, 1ЧН4.Г и др.) и нейтральный порошок (шамот, глинозем и др.) для предотвращения спекания смеси.
...
Насыщаемые детали вместе с порошком упаковывают в металлические контейнеры с плавкими затворами, нагревают в печи до 1000-1200 °С и выдерживают несколько часов для получения диффузионных слоев заданных толщины и структуры.
...
Закономерности формирования структуры материалов
...
акций, которые имеют различное значение для данного диффузионного насыщения. Наряду с основными или ведущими реакциями протекают побочные, иногда нежелательные превращения. Так, во время нагрева в алити-рующей смеси пштекают следующие реакции:
...
Более легкие газы-водород, азот и хлористый водород-частично выходят через отверстия или плавкий затвор контейнера, а более устойчивые и тяжелые пары хлористого алюминия реагируют с алюминием по реакциям диспропорционирования
...
Процесс алитирования различных сплавов происходит либо в результате выделения на насыщаемой поверхности алюминия по реакциям диспропорционирования, либо в результате взаимодействия субхлоридов А1С12 и А1С1 с элементами насыщаемых сплавов по реакциям типа
...
В соответствии с приведенными реакциями в контейнере в ходе диффузионного насыщения алюминием восстанавливается А1С13,
...
На этом принципе основан циркуляционный метод диффузионного насыщения металлов различными элементами. Так, для алитирования в хлоридной среде достаточно в рабочую камеру установки, где находятся обрабатываемые детали и алюминий, ввести пары хлористого алюминия после удаления воздуха. При температуре алитирования в рабочей камере (муфеле) устанавливается термодинамическое равновесие составляющих газовой смеси (рис. 6.8), и процесс алитирования происходит в результате нарушения и восстановле-
...
Химико-термическая обработка металлов и сплавов 119
...
В результате принудительной циркуляции или естественной конвекции в муфеле установки обогащенная дихлори-дом алюминия газовая среда, вступая в контакт с насыщаемой поверхностью, стремится изменить свой состав в сторону уменьшения парциального давления А1С12, т. е. становится возможной реакция диспропорционирования с образованием А1С13 и выделением алюминия на насыщаемой поверхности.
...
Таким же образом изменяется парциальное давление монохлорида алюминия, однако при расчетной температуре 900 °С его давление мало, поэтому А1С1 в этих условиях практически не участвует в переносе алюминия.
...
Диффузионное насыщение циркуляционным методом можно проводить в изотермических убловиях и при заданном температурном перепаде между зонами расположения деталей и диффундирующего элемента.
...
Для получения равномерных покрытий на деталях в муфеле циркуляционной установки поддерживается реверсируемое движение газовой среды.
...
Циркуляционный метод позволяет получать качественные диффузионные многокомпонентные покрытия в химически чистой газовой смеси, без балластных добавок и попутного насыщения другими элементами.
...
Процесс можно вести в безводородной (взрывобезопасной) галогенидной среде без выхода этих газов в окружающую атмосферу. Ведущими обратимыми реакциями таких процессов могут быть, например, следующие:
...
Рис. 6.9. Схема циркуляционной установки для диффузионного насыщения металлов (Э — диффундирующий элемент, Д — насыщаемые детали):
...
120 Закономерности формирования структуры материалов
...
Для поддержания незатухающего циркуляционного процесса диффузионного насыщения необходимо, чтобы рабочая газовая среда не вызывала обменных реакций с насыщаемым сплавом, затрудняющих восстановление газа-переносчика.
...
О возможности предполагаемых обменных реакций можно судить по расчетам свободной энергии Гиббса для температуры диффузионного насыщения. Реакция считается возможной при отрицательной величине свободной энергии Гиббса.
...
Насыщаемые металлы, как правило, должны образовывать менее устойчивые галоге-ниды, чем диффундирующие элементы. В связи с этим на основании предварительных термодинамических расчетов устанавливают ведущие обратимые реакции, варьируя четырьмя галоидами (С1, Вг, Р).
...
Для получения многокомпонентных покрытий в рабочую камеру установки загружают одновременно несколько диффундирующих элементов, проведя предварительно термодинамический расчет состава образующейся газовой смеси.
...
Применяют жидкофазное алитирова-ние в расплавах на основе алюминия. Для предотвращения разъедания поверхности деталей в алюминиевую ванну добавляют основной металл насыщаемой поверхности. Например, при алитировании сталей добавляют 3-4% Ре. Однако жидкофазное алитирование не получило распространения в связи с налипанием алюминия на насыщаемую поверхность и другими недостатками.
...
Наиболее широко используется бори-рование сталей в расплавах буры с добавками восстановителей-карбидов бора и кремния (70% №2В407 + 30% В4С или 70%№2В4О7 + 30%&С). Насыщение бором проводят при температуре 850-1050 °С в течение 2-10 ч. Электролизное борирование в расплавленной буре значительно ускоряет процесс диффузионного насыщения. Катодом являются борируемые детали, анодом— графитовые электроды либо тигель из
...
коррозионно-стойкого сплава. Плотность тока на катоде 0,08-0,25 А/см2. Электролизное борирование проводят при температуре 880-980 °С в течение 2-5 ч.
...
Алитированию, хромированию и си-лицированию подвергают сплавы на железной, никелевой и других основах. Эти диффузионные покрытия способны защищать детали от окисления при высоких температурах, так как на их поверхности в окислительной среде образуются плотные пленки из А12Оэ, Сг2Оэ и 8Ю2, препятствующие диффузии кислорода.
...
Хромирование среднеуглеродистых сталей (0,3 0,4% С) приводит к повышению поверхностной твердости и износостойкости, так как на поверхности образуется тонкий слой (0,025-0,030 мм) карбида (Сг, Ре)7С3 или (Сг, Ре)23С6 с твердостью ЯР 12000-13000. Несмотря на низкую твердость (ЯР 2000-3000), силицированный слой хорошо сопротивляется износу после предварительной пропитки маслом при 170-200°С.
...
Высокой износостойкостью обладают диффузионные боридные покрытия. Износостойкость борированной стали 45 в условиях трения скольжения выше в 4—6
...
Износостойкость двухфазных бо-ридных слоев (РеВ, Ре2В) в 1,5-2 раза выше износостойкости однофазных слоев (Ре2В), а в условиях абразивного изнашивания находится на уровне износостойкости хромированных сталей.
...
Химико-термическая обработка металлов и сплавов 121
...
122 Закономерности формирования структуры материалов
...
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых эксплуатационные, технологические и экономические.
...
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
...
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.
...
Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала, рассмотрены ниже (см. п. 7.2). Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.
...
Среда-жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства,
...
снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчива-ние). Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностойкостью — устойчивостью к химической коррозии), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.
...
Температурный диапазон работы современных материалов очень широк-от 269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500 °С. Для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре-хладостой-кость.
...
В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).
...
Она оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прока-ливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.
...
формация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость НВ (для стали справедливо эмпирическое соотношение ов = НВ/3).
...
Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности-предел выносливости ак
...
По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.
...
Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций
...
Таким образом, в качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.
...
Кроме стандартных механических характеристик ав и о0 2, значения которых определены ГОСТом и оценивают металлургическое и технологическое качество материала, для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.
...
Например, для расчета на прочность вала, работающего во влажной атмосфере при 250 °С, необходимы ав, а0 2, Е для такой температуры, а также а. 1, определенный во влажной среде и при нагреве.
...
Надежность - свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий *.
...
Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (5, \|/) и ударной вязкостью (КС11).
...
вать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. К таким факторам относятся концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).
...
Для того чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость- группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.
...
Количественная оценка трещиностойкости основывается на линейной механике разрушения. В соответствии с ней очагами разрушения высокопрочных материалов служат небольшие трещины эксплуатационного или технологического происхождения (могут возникать при сварке, термической обработке), а также трещиноподобные дефекты (неметаллические включения, скопления дислокаций и т. п.). Трещины являются острыми концентраторами напряжений, местные (локальные) напряжения в вершине которых могут во много раз превышать средние расчетные напряжения (рис. 7.1).
...
126 Материалы, применяемые в машина- и приборостроении
...
Так как высокопрочные материалы обладают определенной пластичностью, то для них реальную опасность представляют трещины не любых размеров, а только критической длины /кр. Подрастание трещины до /кр тормозится в них местной пластической деформацией. Но при определенном сочетании рабочего напряжения и длины дефекта равновесное положение трещины нарушается, и происходит самопроизвольное разрушение.
...
Оценку надежности высокопрочных материалов по размеру допустимого дефекта (меньше критического) проводят по критериям Ж. Ирвина. Им предложено два критерия трещиностойкости, из которых наибольшее применение имеет критерий К. Критерий К называют коэффициентом интенсивности напряжений в вершине трещины. Он определяет растягивающие напряжения ау в любой точке (рис. 7.2) впереди вершины трешины:
...
вания надреза, более показателен. Он характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет КСТ
...
Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре. Сочетание при таких испытаниях ударного нагружения, надреза и низких температур-основных факторов, способствующих охрупчиванию, важно для оценки поведения материала при экстремальных условиях эксплуатации.
...
Рис. 7.4. Зависимость критического напряжения а от размера дефекта / для двух материалов (/ и II)
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 7.5), наблюдаемое в интервале температур (гв — гх) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении ({> гв) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (г С
...
О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и {50. При этом, чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.
...
На рис. 7.6 показан случай, когда ударная вязкость двух сталей при температуре эксплуатации, равной 20 °С, одинакова. Однако переход в хрупкое состояние стали М (мелкозернистая) заканчивается при -40 °С, а стали К
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
2) циклическую долговечность-число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при <ттах < < ст_!) и ограниченной (при атах > 0-1).
...
Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано с значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.
...
Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше <т0,2) и ма~ лой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные по величине циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5 • 104 циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (см. рис. 7.9).
...
циклов1. Это напряжение представляет собой физический предел выносливости стк (К — коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле
...
клонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению ств, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов (*к).
...
Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 7.9) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.
...
1) циклическую прочность-физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;
...
Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, предшествующие разрушению. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис. 7.10). Она содержит дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии.
...
Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области // на рис. 7.10).
...
Живучесть (СРТУ)-критерий надежности материала. С его помощью прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу.
...
Механизм усталостного разрушения связан с развитием и накоплением в поверхностном слое микропластической деформации и основан на движении дислокаций. Возможность их перемещения при напряжениях ниже предела текучести обусловлена анизотропией кристаллов и их случайной ориентацией. В отдельных кристаллах при небольших средних напряжениях могут возникать напряжения, достаточные для перемещения слабозакрепленных дислокаций. Кроме того, для тонких поверхностных слоев (в 1-2 зерна) характерно низкое напряжение работы источников дислокаций Франка-Рида. По этим причинам
...
в мягких (отожженных) металлах уже на ранней стадии нагружения (1-5% от общего числа циклов до разрушения) наблюдаются ранняя микропластическая деформация и повреждение тонких поверхностных слоев. Микропластическая деформация проявляется в образовании на поверхности линий сдвига (скольжения), плотность которых растет с увеличением числа циклов. По мере выхода дислокаций на поверхность усиливается ее повреждение в виде возникающих ступенек. Линии скольжения расширяются в полосы скольжения и постепенно перерождаются в экструзии и интрузии (рис. 7.11). Экструзия — выдавливание, интрузия-углубление полос скольжения. Экструзии и интрузии формируют пикообразный рельеф поверхности, состоящий из выступов и острых впадин (рис. 7.12). Впадины-места концентрации деформации и, как следствие, вакансий, дислокаций. Из-за их высокой плотности здесь возникают микропоры, рыхлоты, которые, сливаясь, образуют субмикротрещины. Развитие и объединение субмикротрещин ведет, в свою очередь, к образованию микротрещин.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
в наружном слое толщиной не более размера зерна, поскольку границы зерен-барьеры для их распространения. При напряжениях выше предела выносливости микротрещины преодолевают границы зерен, сливаются, образуя магистральную трещину усталости. Трещина усталости растет прерывисто-скачками, связанными с местной пластической деформацией (наклепом) металла у ее вершины. Для распространения трещины на некоторую длину необходимо, чтобы у ее вершины была исчерпана пластичность. По этой причине у пластичных металлов сопротивление распространению трещины усталости много выше, чем ее зарождению. Увеличению сопротивления зарождению трещины усталости способствует структурное состояние, препятствующее движению дислокаций и их выходу на поверхность. Такое структурное состояние наиболее эффективно создается поверхностным упрочнением.
...
Циклическая долговечность и прочность зависят от большого числа факторов, из которых решающее значение имеют структура и напряженное состояние поверхностного слоя, качество поверхности и воздействие коррозионной среды. Наличие на поверхности остаточных напряжений сжатия затрудняет образование и развитие трещин усталости и, как следствие, способствует увеличению предела выносливости. Резко отрицательное влияние оказывают напряжения растяжения и многочисленные концентраторы напряжений:
...
металлургические — внутренние дефекты в виде пор, раковин, неметаллических включений (оксидов, сульфидов, силикатов и др.).
...
Предел выносливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной среды, вызывающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений.
...
Долговечность деталей, работающих при высоких температурах (детали энергетических установок, реактивных двигателей), определяется скоростью ползучести-скоростью развития пластической деформации при постоянном (ниже предела текучести) напряжении. Ограничение скорости ползучести достигается применением жаропрочных материалов (см. п. 14.3).
...
Долговечность деталей, работающих в атмосфере нагретых сухих газов или жидких электролитов, зависит соответственно от скорости химической или электрохимической коррозии. Работоспособность в таких средах сохраняют жаростойкие и коррозионно-стойкие материалы (см. пп. 14.2 и 14.1).
...
Таким образом, работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:
...
Наибольшую эффективность имеют технологические и металлургические методы, цель которых-повышение механических свойств и качества материала.
...
Из механических свойств важнейшее-прочность материала, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к повышению ее надежности и долговечности.
...
Прочность-свойство, зависящее от энергии межатомной связи, структуры и химического состава материала. Энергия межатомного взаимодействия непосредственно определяет характеристики упругих свойств (модули нормальной упругости и сдвига), а также так называемую теоретическую прочность.
...
Теоретическая прочность (сопротивление разрыву межатомных связей) в реальных кристаллах из-за наличия структурных дефектов не достигается. Реальная прочность на два-три порядка ниже теоретической и определяется не столько межатомными силами связи, сколько структурой материала.
...
В гл. 4 указывалось, что уровень прочности (сопротивление пластической деформации) зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. Методы упрочнения рассмотрены в предыдущем разделе. Напомним, что к ним относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка. Повышение прочности указанными методами основано на ряде структурных факторов.
...
других близко расположенных дислокаций. В связи с этим чем больше плотность дислокаций, тем выше сопротивление пластическому деформированию.
...
где а0-предел текучести до упрочнения; а-коэффициент, учитывающий вклад других механизмов торможения дислокаций; Ь-вектор Бюргерса; С-модуль сдвига.
...
Целесообразно увеличивать плотность дислокаций до 1012 см-2. При большем значении в силу неравномерного распределения структурных дефектов отдельные объемы материала пересыщаются дислокациями. Это вызывает нарушение сплошности в виде субмикроскопических трещин и снижение прочности.
...
2. Создание дислокационных барьеров в виде границ зерен, субзерен, дисперсных частиц вторичных фаз. Подобные препятствия на пути движения дислокаций требуют дополнительного повышения напряжения для их продвижения и тем самым способствуют упрочнению.
...
Роль эффективного барьера выполняют границы зерен и субзерен (блоков мозаики). Скользящая дислокация вынуждена останавливаться у этих границ, поскольку в соседних зернах (субзернах) плоскость скольжения имеет другую ориентацию. Повышение прочности при измельчении зерна (или субзерна) описывается уравнением Холла —Петча:
...
их границ) сопровождается повышением ударной вязкости. Объясняется это уменьшением размеров зародышевых трещин и затруднением их развития. Трещина вынуждена изменять направление движения при переходе от одного зерна к другому; в результате ее траектория и сопротивление движению увеличиваются.
...
Сильное торможение передвижению дислокаций создают дисперсные частицы вторичной фазы. Такой фактор упрочнения характерен для гетерогенных сплавов, подвергнутых закалке и старению. В этом случае дислокации, перемещаясь в плоскости скольжения, должны либо перерезать частицы, либо их огибать.
...
3. Образование полей упругих напряжений, искажающих кристаллическую решетку. Такие поля образуются вблизи точечных дефектов-вакансий, примесных атомов и, главным образом, атомов легирующих элементов.
...
Упрочнение при легировании растет пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе и относительной разницы атомных радиусов компонентов.
...
Атомы внедрения (С, О, Н, 14) могут вносить большой вклад в упрочнение, если они скапливаются на дислокациях и блокируют их, образуя сегрегации или атмосферы Коттрелла.
...
Комбинацией различных структурных факторов упрочнения можно значительно повысить характеристики прочности (ов, ат, НВ,
...
Проблема повышения конструкционной прочности состоит не столько в повышении прочностных свойств, сколько в том, как при высокой прочности обеспечить высокое сопротивление вязкому разрушению, т. е. надежность материа-
...
ла. В углеродистых сталях закалкой на мартенсит и низким отпуском можно получить при содержании 0,4% С а„«2400 МПа,
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
предусматривает интенсивную пластическую деформацию аустенита с последующей закалкой, при которой наклепанный аустенит превращается в мартенсит, и низкий отпуск. Такая комбинированная обработка формирует структуру с высокой плотностью дислокаций и достаточно равномерным их распределением вследствие сильного дробления кристаллов мартенсита на отдельные субзерна (блоки). В образующейся субструктуре дислокации связаны в стабильные конфигурации, а субграницы выполняют роль полупроницаемых барьеров. В результате ВТМО обеспечивает наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению.
...
Более надежной работе высоконапряженных деталей способствует повышение чистоты металла, его металлургического качества. Повышение чистоты стали связано с удалением вредных примесей (см. п. 8.2)-серы, фосфора, газообразных элементов-кислорода, водорода, азота и зависящих от их содержания неметаллических включений-оксидов, сульфидов и др.
...
Неметаллические включения, серу и газообразные примеси удаляют из металла в процессе переплава. В промышленности применяют несколько способов переплава: вакуумно- дуговой (ВДП), электронно-лучевой (ЭЛП), электрошлаковый (ЭШП), а также вакуумно-индукционную плавку (ВИ), рафинирование синтетическим шлаком. При вакуумной плавке и вакуумных переплавах металл наиболее полно очищается от растворенных газов. Сера практически не удаляется. При рафинировании синтетическим шлаком и ЭШП, наоборот, наиболее полно удаляется сера.
...
При равной прочности более чистый металл обладает более высоким сопротивлением вязкому разрушению и более низким порогом хладноломкости.
...
нить деформацию поверхности деталей. Это достигается технологическими методами поверхностного упрочнения: поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (азотированием, цементацией), поверхностным пластическим деформированием (обдувкой дробью, обкаткой роликами).
...
Конструкторские методы предусматривают обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок, галтелей малого радиуса и других конструктивных надрезов. Если этого избежать нельзя, то для смягчения концентрации напряжений применяют местное упрочнение для формирования остаточных напряжений сжатия.
...
Рассмотренные выше технологические и металлургические методы повышения конструкционной прочности сталей и сплавов включают: 1) методы упрочнения, вызывающие увеличение плотности дислокаций и уменьшение их подвижности; 2) методы обеспечения необходимого запаса пластичности и вязкости, предусматривающие более равномерное распределение дислокаций, а также очистку от охрупчивающих материал примесей. Арсенал структурных факторов, используемых во второй группе методов, определяет следующий допустимый уровень статической прочности в конструкциях разного назначения: для сталей а„ = 1600^-2200 МПа; титановых сплавов а„
...
Принципиально иной способ достижения высокой конструкционной прочности использован в композиционных материалах-новом классе высокопрочных материалов. Такие материалы представляют собой композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон. Волокна армируют матрицу и воспринимают всю нагрузку. В этом состоит
...
принципиальное отличие композиционных материалов от обычных сплавов, упрочненных, например, дисперсными частицами. В сплавах основную нагрузку воспринимает матрица (твердый раствор), а дисперсные частицы тормозят в ней движение дислокаций, сильно снижая тем самым ее пластичность. В композиционных материалах нагрузку воспринимают высокопрочные волокна, связанные между собой пластичной матрицей. Матрица нагружена слабо и служит для передачи и распределения нагрузки между волокнами. Композиционные материалы отличаются высоким сопротивлением распространению трещин, так как при ее образовании, например, из-за разрушения волокна, трещина «вязнет» в мягкой матрице. Кроме того, композиционные материалы, использующие высокопрочные и высокомодульные волокна и легкую матрицу, могут обладать высокими удельной прочностью и жесткостью.
...
Наряду с универсальными применяют конструкционные материалы определенного функционального назначения: жаропрочные, материалы с высокими упругими свойствами, износостойкие, коррозионно- и жаростойкие.
...
Предлагаемая классификация подразделяет конструкционные материалы по свойствам, определяющим выбор материала для конкретных деталей конструкций. Каждая группа материалов оценивается соответствующими критериями, обеспечивающими работоспособность в эксплуатации. Универсальные материалы рассматриваются в нескольких группах, если возможность применения их определяется различными критериями.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надежности и долговечности. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют сплавы на основе железа — чугуна и особенно стали. Стали обладают высоким наследуемым от железа модулем упругости (£=2,1 • 106 МПа) и тем самым высокой жесткостью, уступая в этом лишь бору, вольфраму, молибдену, бериллию, которые из-за высокой стоимости используются только в специальных случаях. Высокая жесткость и доступность обусловливают широкое применение сталей для изготовления строительных металлоконструкций, корпусных деталей, ходовых винтов станков, валов и многих других деталей машин.
...
Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и циклической прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапазоне изменением концентрации углерода, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.
...
Применяемые в технике сплавы на основе меди, алюминия, магния, титана, а также пластмассы уступают стали по жесткости, прочности или надежности. Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств, стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делающих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится износостойкой, либо коррозионно-стойкой, либо жаро-
...
стойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Стали свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же она сравнительно недорога (см. приложение, табл. 1).
...
Вследствие этих достоинств сталь — основной металлический материал промышленности. В настоящее время в СССР ежегодно выплавляются стали и сплавы на основе железа около 2000 марок. Большое разнообразие химического состава стали позволяет получать различные свойства и удовлетворять запросы многих отраслей техники.
...
По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3-0,7% С) и высокоуглеродистые (>
...
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и осо-бовысококачественные.
...
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей-серы и фосфора (подробнее см. ниже). Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055 % 8 и 0,045% Р, качественные-не более 0,04% 8 и 0,035% Р, высококачественные-не более 0,025 % 8 и 0,025 % Р, особовысококачественные— не более 0,015% 8 и 0,025% Р.
...
Раскисление-процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
...
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, ко-
...
торый при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (81 < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.
...
При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эв-тектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) фер-ритные.
...
Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные — всех классов. Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества (более точки Ъ, см. рис. 3.20) элементов №, Мп, расширяющих у-область; стали ферритного класса-при введении элементов Сг, 81, V, V/ и др., расширяющих а-область (см. рис. 3.21).
...
При определенном легировании возможны частичная перекристаллизация (а у) и образование сталей промежуточных классов-полуферритных и по-луаустенитных.
...
Рис. 8.1. Диаграммы изотермического распада аус-тенита сталей перлитного (с), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов (схемы)
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 8.1, а). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.
...
Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита (рис. 8.1,6); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
...
Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0°С и сохраняют аустенит при температуре 20-25 °С (рис. 8.1, в). Распад аустенита в перлитной и промежуточной областях отсутствует.
...
Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях.
...
По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (о-в~до 1000 МПа), повышенной прочности (ав ~ до 1500 МПа) и высокопрочные (о-„ ~ более 1500 МПа).
...
Сталь — сложный по составу железоуглеродистый сплав. Кроме железа и углерода-основных компонентов, а также возможных легирующих элементов, сталь содержит некоторое коли-
...
Углерод, концентрация которого в конструкционных сталях достигает 0,8%, оказывает определяющее влияние на их свойства. Степень его влияния зависит от структурного состояния стали, ее термической обработки.
...
После отжига углеродистые конструкционные стали имеют ферритно-перлит-ную структуру, состоящую из двух фаз-феррита и цементита1. Количество цементита, который отличается высокой твердостью и хрупкостью, увеличивается пропорционально концентрации углерода. В связи с этим, по мере повышения содержания углерода, увеличиваются прочность и твердость, но снижаются пластичность и вязкость стали (рис. 8.2). Кроме снижения ударной вязкости углерод заметно повышает верхний порог хладноломкости, расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние (рис. 8.3). Каждая 0,1 % С повышает верхнюю границу этого перехода примерно на 20 °С. При содержании 0,4% С порог хладноломкости равен 0°С. При большей концентрации углерода температура хрупкости достигает 20 °С; сталь становится менее надежной в работе.
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность
...
Марганец-полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3-0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.
...
Кремний-полезная примесь; вводится в сталь в качестве активного раскислителя и остается в ней в количестве до 0,4%, оказывая упрочняющее действие.
...
Сера-вредная примесь, вызывающая красноломкость стали-хрупкость при горячей обработке давлением. В стали она находится в виде сульфидов. Красноломкость связана с наличием сульфидов Рев, которые образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации границы зерен оплавляются, и сталь хрупко разрушается.
...
От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды Мпв, исключающие образование легкоплавкой эвтектики.
...
Устраняя красноломкость, сульфиды Мгй, так же как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды и т. п.), служат концентраторами напряжений, снижают пластичность и вязкость стали. Содержание серы в стали строго ограничивают. Положительное влияние серы проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием (см. п. 9.1).
...
Фосфор — вредная примесь. Он растворяется в феррите, упрочняет его, но вызывает хладноломкость-снижение вязкости по мере понижения температуры. Сильное охрупчи-вающее действие фосфора выражается в повышении порога хладноломкости (рис. 8.5). Каждая 0,01 % Р повышает порог хладноломкости на 25 °С. Хрупкость стали, вызываемая фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.
...
Фосфор-крайне нежелательная примесь в конструкционных сталях. Однако современные методы выплавки и переплавки не обеспечивают его полного удаления. Основной путь его снижения-повышение качества шихты.
...
Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление легированных сталей интенсивно растет по мере увеличения содержания углерода и достигает максимума при 0,4% С (рис. 8.4). При большей концентрации углерода ов становится нестабильным из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости. При низком отпуске механические свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.
...
Углерод изменяет и технологические свойства стали. При увеличении его содержания снижается способность сталей деформироваться в горячем и особенно
...
142 Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, выделяющийся при охлаждении в поры вследствие понижения растворимости. Фло-кены в изломе имеют вид белых пятен, а на поверхности-мелких трещин. Этот дефект обычно встречается в крупных поковках хромистых и хромоникелевых сталей. Для его предупреждения стали после горячей деформации медленно охлаждают или длительно выдерживают при температуре 250 "С. При этих условиях водород, имеющий большую скорость диффузии, не скапливается в порах, а удаляется из стали.
...
Наводороживание и охрупчивание стали возможны при травлении в кислотах, нанесении гальванических покрытий и работе в во-дородсодержащих газовых средах.
...
Случайные примеси-элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд отдельных месторождений. Из скрапа в сталь попадает сурьма, олово и ряд других цветных металлов. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керченских-мышьяк. Случайные примеси в большинстве случаев оказывают отрицательное влияние на вязкость и пластичность стали.
...
На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что эти стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что вызывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.
...
Кислород и азот растворяются в феррите в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами). Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное содержание азота вызывает деформационное старение. Атомы азота в холоднодеформированной стали скапливаются на дислокациях, образуя атмосферы Коттрелла, которые блокируют дислокации. Сталь упрочняется, становится малопластичной. Старение особенно нежелательно для листовой стали (^0,1%С), предназначенной для холодной штамповки. Последствия старения-разрывы при штамповке или образование на поверхности полос скольжения, затрудняющих ее отделку
...
Водород находится в твердом растворе или скапливается в порах и на дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала и меньше его растворимость в кристаллической решетке. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой и отсутствует в аустенитных сталях.
...
1 Для устранения хрупкости листы перед штамповкой подвергают волнообразному изгибу со слабым обжатием. При этой операции дислокации, отрываясь от окружающих их атмосфер, приобретают подвижность. Пластичность временно восстанавливается, и сталь хорошо штампуется.
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность
...
Главный недостаток углеродистых сталей-небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения-в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций.
...
По статической прочности (см. табл. 8.1 и 8.3) углеродистые стали относятся преимущественно к сталям нормальной прочности. Углеродистые конструкционные стали выпускают обыкновенного качества и качественные.
...
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 (ГОСТ 380-71) 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 или 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»,
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность
...
Спокойные стали маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» и «кп». Химический состав спокойных сталей приведен в табл. 8.3. Кипящими производят стали 05кп, 08кп, 10кп, 15кп, 20кп, полуспокойными—08пс, Юпс, 15пс, 20пс. В отличие от спокойных кипящие стали практически не содержат кремния (не более 0,07%), в полуспокойных его количество ограничено 0,17%.
...
холодной штамповки различных изделий (см. п. 9.2). Без термической обработки в горячекатаном состоянии их используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.
...
2. Стали 15, 20, 25 —цементуемые, предназначены для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малона-груженные шестерни и т. п.), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина. Поверхностный слой после цементации упрочняют закалкой в воде в сочетании с низким отпуском. Сердцевина из-за низкой прокаливаемое™ упрочняется слабо.
...
Эти стали применяют также горячекатаными и после нормализации. Они пластичны, хорошо штампуются и свариваются; применяются для изготовления деталей машин и приборов невысокой прочности (крепежные детали, втулки, штуцеры и т. п.), а также для деталей котлотурбостроения (трубы перегревателей, змеевики), работающих под давлением при температуре от — 40 до 425°С.
...
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые (см. табл. 8.3). Их применяют после улучшения, нормализации и поверхностной закалки. В улучшенном состоянии-после закалки и высокого отпуска на структуру сорбита-достигаются высокая вязкость,
...
пластичность (рис. 8.6, а) и, как следствие, малая чувствительность к концентраторам напряжений. При увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемое™ механические свойства сталей снижаются (рис. 8.6,6). После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колеса, маховики, оси и т. п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемое™. Для деталей, работающих на растяжение, сжатие (например, шатуны), необходима однородность свойств металла по всему сечению и, как следствие, сквозная про-каливаемость. Размер поперечного сечения таких нагруженных деталей ограничивается 12 мм. Для деталей (валы, оси и т. п.), испытывающих главным образом напряжения изгиба и кручения, которые максимальны на поверхности, толщина упрочненного при закалке слоя должна быть не менее половины радиуса детали. Возможный размер поперечного сечения таких деталей-30 мм.
...
Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали 40,45, 50. Их применяют после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (НЯС
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность 147
...
Две цифры в начале марки конструкционной легированной стали показывают содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0,20% С, 1 % Сг и 3 % №. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС-Ш.1
...
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, электротехнических-с буквы Э, автоматных-с буквы А.
...
Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (П-пробная) и порядковым номером (например, ЭИ415, ЭП716 и т. д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.
...
Влияние легирующих элементов на механические свойства сталей. Легирующие элементы вводят для повышения конструкционной прочности стали. Легированные стали производят качественными, высококачественными или особовысококачественными. Их применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.
...
Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость
...
Рис..8.7. Сечение ходового винта после поверхностной индукционной закалки: / — закаленный слой; 2
...
Индукционной закалкой с нагревом ТВЧ упрочняют также поверхность длинных валов, ходовых винтов станков (рис. 8.7) и других деталей, для которых важно ограничить деформации при термической обработке.
...
Стали с высокой концентрацией углерода (60, 65, 70, 75, 80, 85), а также с увеличенным содержанием марганца (60Г, 65Г и 70Г) преимущественно применяют в качестве рессорно-пружинных. Их подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита для получения высоких упругих и прочностных свойств (ав >
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность
...
улучшенной стали на 60-80°С и увеличивает критерий Ирвина К1с на 10—13 МПа-м1'2. Такое благоприятное влияние обусловлено тем, что никель снижает энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения, облегчает их подвижность. Остальные элементы, за исключением небольших добавок хрома, марганца и молибдена, повышают порог хладноломкости.
...
Таким образом, для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть рациональным. После достижения необходимой прокаливаемо-сти избыточное легирование (за исключением никеля) снижает трещиностой-кость и облегчает хрупкое разрушение.
...
Хром вводят в количестве до 2%. Он растворяется в феррите и цементите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства стали, что предопределило его широкое применение в конструкционных сталях.
...
Марганец вводят в количестве до 1,5% и используют нередко как заменитель никеля. Он заметно повышает предел текучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с ним вводят карбидообразующие элементы.
...
Кремний - некарбидообразующий элемент, количество которого ограничивают 2%. Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.
...
Молибден и вольфрам - дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью растворяются в цементите. Основная цель введения 0,2-0,4% Мо и 0,8-1,2% XV - уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода, улучшение
...
свойств комплексно-легированных сталей в результате измельчения зерна, повышения стойкости к отпуску, увеличения прокаливаемости.
...
Ванадий и титан -сильные карбидо-образователи. Их добавляют в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Т!) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание этих элементов (так же, как молибдена и вольфрама) недопустимо, так как приводит к образованию специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды снижают прокаливаемость и, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению.
...
Бор вводят в микродозах (0,002-0,005%) для увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно введению 1 % N1;
...
Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности. Из сталей нормальной и повышенной прочности наибольшее применение в маши-но- и приборостроении имеют низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеу-глеродистые (улучшаемые) стали, содержащие, как правило, в сумме не более 5% легирующих элементов.
...
Материалы, применяемые в машино- и приборостроении
...
Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность 151
...

Азотирование и карбонитрирование
Оcновы сварки судовых конструкций
Материаловедение
Російсько-український словник зварювальної термінології. Українсько-російський словник зварювальної термінології.
Металловедение для сварщиков (сварка сталей)
Машиностроение. Энциклопедия Оборудование для сварки

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Материаловедение