Лекція №38

Навчальні питання:

1. Властивості конструкційних матеріалів.

2. Класифікація конструкційних сталей.

3. Вуглецеві сталі.

Навчальне питання 1. Властивості конструкційних матеріалів.

Конструкційними називають матеріали, призначені для виготовлення деталей машин, приладів, інженерних конструкцій, що піддаються механічним навантаженням. Деталі машин і приладів характеризуються великою різноманітністю форм, розмірів, умов експлуатації. Вони працюють при статичних, циклічних і ударних навантаженнях, при низьких і високих температурах, у контакті з різними середовищами. Ці фактори визначають вимоги до конструкційних матеріалів, основні з яких - експлуатаційні, технологічні та економічні.

Деталі машин і приладів, що передають навантаження, повинні мати твердістю й міцністю, достатніми для обмеження пружною і пластичної деформації, при гарантованій надійності і довговічності. З різноманіття матеріалів найбільшою мірою цим вимогам задовольняють сплави на основі заліза - чавуни і особливо сталі. Стали володіють високим, що успадковується від заліза, модулем пружності (Е = 210 МПа).

Міцність- здатність металів чинити опір деформації або руйнування статистичним, динамічним або знакозмінним навантажень. Міцність металів при статистичних навантаженнях випробовують на розтяг, стиск, вигин і крутіння. Випробування на розрив є обов'язковим. Міцність при динамічних навантаженнях оцінюють питомої ударної в'язкістю, а при знакозмінних навантаженнях - втомної міцністю.

Деформація - це зміна форми і розмірів твердого тіла під дією зовнішніх сил або в результаті фізичних процесів, що виникають в тілі при фазових перетвореннях, усадці і т. п. Деформація може бути пружна (зникає після зняття навантаження). При все зростаючою навантаженні пружна деформація, як правило, переходить в пластичну, і далі зразок руйнується. У залежності від способу прикладання навантаження методи випробування механічних властивостей металів, сплавів та інших матеріалів діляться на статистичні, динамічні та знакозмінні.

Пружність - властивість металів відновлювати свою колишню форму після зняття зовнішніх сил, що викликають деформацію. Пружність - властивість, протилежне пластичності.

Твердість - здатність металів чинити опір проникненню в них більш твердого тіла. Проводять випробування на твердість за Бринеллю, Роквеллу, Віккерсу, Польді і на мікро-твердість. Найбільш поширені перші два методи.

Зносостійкість - опір металів зношування внаслідок процесів тертя. Знос полягає у відриві від тертьової поверхні окремих її частинок і визначається по зміні геометричних розмірів або маси деталі.

Крім комплексу цих важливих для працездатності деталей властивостей, сталі можуть мати і рядом інших цінних якостей, що роблять їх універсальним матеріалом. При відповідному легуванні і технології термічної обробки сталь стає або зносостійкої, або корозійно-стійкої, або жаростійкої і жароміцної, а також набуває особливі магнітні, теплові або пружні властивості. Сталям властиві також хороші технологічні властивості. До того ж вони порівняно недорогі.

Завдяки цим достоїнствам стали - основний металевий матеріал промисловості. Розроблено близько 2000 марок сталей і сплавів на основі заліза.

Навчальне питання 2. Класифікація конструкційних матеріалів.

Стали класифікують за хімічним складом, якістю, ступеня розкислення, структурі, міцності і призначенням.

За хімічним складом сталі класифікують на вуглецеві і леговані. Залежно від концентрації вуглецю ті й інші поділяють на низько вуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві низьковуглецеві (<0,3% С), середньовуглецеві

(0,3-0,7% C) і високовуглецеві (> 0,7% С).

За призначенням сталі класифікують на конструкційні та інструментальні. Конструкційні сталі, представляють найбільш велику групу, призначену для виготовлення будівельних споруд, деталей машин і приладів. До цих сталей відносять цементуємих, покращувані, високоміцні і ресорно-пружинні. Інструментальні сталі, поділяють на сталі для ріжучого, вимірювального інструменту, штампів холодного і

гарячого (до 200 º С) деформування.

За якістю сталі, класифікують на звичайної якості, якісні, високоякісні. Під якістю стали розуміється сукупність властивостей, визначених металургійним процесом її виробництва. Однорідність хімічного складу, будови і властивості сталі, а також її технологічність багато в чому залежать від вмісту газів (водню, кисню) і шкідливих домішок - сірки та фосфору. Сталі звичайної якості бувають тільки вуглецевими (до 0,5% З), якісні та високоякісні - вуглецевими і легованими.

За ступенем розкислення і характером затвердіння стали класифікують на спокійні, напівспокійних і киплячі. Розкислення - процес видалення з рідкого металу кисню, що проводиться з метою запобігання крихкого руйнування стали при гарячої деформації.

Спокійні стали раскисляют марганцем, кремнієм і алюмінієм. Вони містять мало кисню і тверднуть спокійно без газовиділення. Киплячі стали раскисляют тільки марганцем. Перед розливанням у них міститься підвищена кількість кисню, який при затвердінні, частково взаємодіючи з вуглецем, видаляється у вигляді СО. Виділення бульбашок СО створює враження кипіння стали, з чим і пов'язана її назва. Напівспокійних стали за ступенем розкислення займають проміжне положення між спокійними і киплячими.

За призначенням конструкційні сталі поділяють на машинобудівні, призначені для виготовлення деталей машин і механізмів, і будівельні, використовувані для металоконструкцій і споруд.

Навчальне питання 3. Вуглецеві сталі.

На частку вуглецевих сталей припадає 80% від загального обсягу. Це пояснюється тим, що вуглецеві стали дешеві і поєднують задовільні механічні властивості з хорошою оброблюваністю різанням і тиском. При однаковому змісті вуглецю по оброблюваності різанням і тиском вони значно перевершують леговані сталі. Однак вуглецеві стали менш технологічні при термічній обробці. Через високу критичної швидкості гартування вуглецеві сталі охолоджують у воді, що викликає значні деформації і викривлення деталей. Крім того, для отримання однакової міцності з легованими сталями їх слід піддавати відпуску при більш низькій температурі, тому вони зберігають більш високі гартівні напруги, знижують конструкційну міцність.

За статистичною міцності стали відносяться переважно до сталей нормальної міцності. Вуглецеві конструкційні сталі випускають двох видів: звичайної якості і якісні.

Сталі звичайної якості випускають у вигляді прокату (прутки, балки,

листи, куточки, труби, швелери тощо) у нормалізованому стані. У вуглецевих сталях звичайної якості допускається вміст шкідливих домішок, а також газонасиченості і забрудненість неметалевими включеннями. І в залежності від призначення та комплексу властивостей підрозділяють на групи: А, Б, В.

Стали маркуються поєднанням букв Ст і цифрою (від 0 до 6), що показує номер марки, а не середній вміст вуглецю в ній, хоча з підвищенням номера вміст вуглецю в сталі збільшується. Стали груп Б і В мають перед маркою букви Б та В, що вказують на їх приналежність до цих груп. Група А в позначенні марки стали не вказується. Ступінь розкислення позначається додаванням індексів: у спокійних сталях - «сп», напівспокійних - «пс», киплячих - «кп», а категорія нормованих властивостей (крім категорії 1) зазначається подальшої цифрою.

Стали групи А використовують у стані поставки для виробів, виготовлення яких не супроводжується гарячої обробкою. У цьому випадку вони зберігають структуру нормалізації і механічні властивості, які гарантуються стандартом.

Сталь марки Ст3 використовується в стані поставки без обробки тиском і зварюванням. Її широко застосовують у будівництві для виготовлення металоконструкцій, у сільському господарському машинобудуванні (валики, осі, важелі, виготовлені холодним штампуванням, а також Цементовані деталі: шестерінки, порневие пальці).

Сталі групи Б застосовують для виробів, що виготовляються із застосуванням гарячої обробки (кування, зварювання і в окремих випадках термічна обробка), при якій вихідна структура і механічні властивості не зберігаються. Для таких деталей важливі відомості про хімічний склад, необхідні для визначення режиму гарячої обробки.

Сталі групи В дорожче, ніж стали груп А і Б, їх застосовують для відповідальних деталей (для виробництва зварних конструкцій).

Вуглецеві сталі звичайної якості (всіх трьох груп) призначені для виготовлення різних металоконструкцій, а також слабонавантажених деталей машин і приладів. Ці сталі, використовуються, коли працездатність деталей і конструкцій забезпечується жорсткістю. Вуглецеві сталі звичайної якості широко використовуються в будівництві при виготовленні залізобетонних конструкцій. Здатністю до зварювання і до холодної обробки тиском відповідають стали груп Б та В номерів 1-4, тому з них виготовляють зварні ферми, різні рами і будівельні металоконструкції, крім того, кріпильні вироби, частина з яких піддається цементації.

Низьковуглецеві стали відрізняються малою міцністю і високою пластичністю в холодному стані. Ці сталі в основному роблять у вигляді тонкого листа і використовують після відпалу або нормалізації для холодного штампування з глибокою витяжкою. Вони легко штампуються з-за малого змісту вуглецю і незначної кількості кремнію, що і робить їх дуже м'якими. Їх можна використовувати в автомобілебудуванні для виготовлення деталей складної форми. Глибока витяжка з листа цих сталей застосовується при виготовленні консервних банок, емальованого посуду та інших промислових виробів.

Середньовуглецеві стали номерів 3 і 4, що володіють великою міцності призначаються для рейок, залізничних коліс, а також валів, шківів, шестерень і інших деталей вантажопідйомних і сільськогосподарських машин. Застосовують для виготовлення невеликих валів, шатунів, зубчастих коліс і деталей, що зазнають циклічні навантаження. У великогабаритних деталях великих перетинів з-за поганої прокаливаемости механічні властивості значно знижуються.

Високовуглецеві стали 5 і 6, а також з підвищеним вмістом марганцю в основному використовують для виготовлення пружин, ресор, високоміцного дроту та інших виробів з високою пружністю і зносостійкістю. Їх піддають загартуванню та середньому відпуску на структуру троостит в поєднанні задовільною в'язкістю і хорошим межею витривалості.

Вуглецеві якісні сталі.

Ці сталі характеризуються більш низьким, ніж у сталей звичайної якості, вмістом шкідливих домішок і неметалевих включень. Їх поставляють у вигляді прокату, поковок та інших напівфабрикатів з гарантованим хімічним складом і механічними властивостями.

Маркують їх двозначними числами: 08, 10, 15, 20, 60, позначають середній вміст вуглецю в сотих частках відсотка (ГОСТ 1050-88). Наприклад, сталь 10 містить в середньому 0,10% С, сталь 45 - 0,45% С і т.д.

Спокійні стали маркірують без індексу, напівспокійних і киплячі з індексами відповідно «пс» і «кп». Киплячими виробляють стали О8кп, 10кп, I5кп, I8кп, 2Окп; напівспокійних - О8пс, I0пс, I5пс, 2Опс. На відміну від спокійних киплячі стали практично не містять кремнію (не більше 0.03%,:. В напівспокійних його кількість обмежена 0.05 - 0.17%.

Вміст марганцю підвищується в міру збільшення концентрації вуглецю від 0,25 до 0,80%. Зміст азоту для сталей, переробляються в тонкий лист, обмежена 0,006%, для решти сталей - 0,008%.

Механічні властивості залежать від товщини прокату.

Якісні стали знаходять багатостороннє застосування в техніці, так як в залежності від вмісту вуглецю та термічної обробки володіють різноманітними механічними та технологічними властивостями.

Низьковуглецеві стали за призначенням поділяють на дві підгрупи.

1. Маломіцні і високопластичних сталі 08, 10. Через здатність до глибокої витяжки їх застосовують для холодного штампування різних виробів. Без термічної обробки в гарячекатаному стані ці сталі використовують для шайб, прокладок, кожухів та інших деталей, що виготовляються холодної деформацією і зварюванням.

2. Цементуємих - стали 15, 20, 25. Призначені вони для деталей невеликого розміру (кулачки, штовхачі, малонавантажені шестерні і т.п.), від яких вимагається тверда, зносостійка поверхня і в'язка серцевина. Вони пластичні, добре штампуються і зварюються; використовуються для виготовлення деталей машин і приладів невисокої міцності (кріпильні деталі, втулки, штуцери і т.п.), а також деталей котлотурбостроенія (труби пароперегрівники, змійовики), що працюють під тиском при температурі від - 40 до 425 º С.

Середньовуглецеві стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 відрізняються більшою міцністю, але меншою пластичністю, ніж низьковуглецеві. У поліпшеному стані сталі застосовують для виготовлення деталей невеликого розміру, працездатність яких визначається опором втоми (шатуни, колінчасті вали малооборотних двигунів, зубчасті колеса, маховики, осі і т.п.). При цьому можливий розмір деталей залежить від умов їх праці і вимог до прокаливаемости. Для деталей, що працюють на розтяг - стиск (наприклад, шатуни), необхідна однорідність властивостей металу по всьому перерізу і, як наслідок, наскрізна прокаливаемость. Розмір поперечного перерізу таких навантажених деталей обмежується 12 мм . для деталей (вали, осі і т.п.), що зазнають головним чином напруги вигину і кручення, які максимальні на поверхні, товщина зміцненого при загартуванню шару повинна бути не менше половини радіусу деталі. Можливий розмір поперечного перерізу таких деталей - 30 мм .

для виготовлення більш великих деталей, що працюють при невисоких циклічних і контактних навантаженнях, використовують сталі 40, 45, 50.

Їх застосовують після нормалізації та поверхневої індукційного загартування з нагрівом ТВЧ тих місць, які повинні мати високу твердість поверхні (40 - 58 NRC) і опір зносу (шийки колінчастих валів, кулачки розподільних валів, зуби шестерень)

Індукційної загартуванням з нагрівом ТВЧ упрочняют також поверхня довгих валів, ходових гвинтів верстатів та інших деталей, для яких важливо обмежити деформації при термічній обробці.

У машинобудуванні вуглецеві якісні сталі, використовуються для виготовлення деталей різного, найчастіше невідповідального призначення і є досить дешевим матеріалом. У промисловість ці стали поставляються у вигляді прокату, поковок, профілів різного призначення з гарантованим хімічним складом і механічним властивостями.

Якісні сталі широко застосовуються в машинобудуванні та приладобудуванні, так як за рахунок різного змісту вуглецю в них, а

відповідно і термічної обробки можна отримати широкий діапазон механічних і технологічних властивостей.