Влияние основных легирующих элементов на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей - Дипломная работа

На сегодняшний день в производстве часто используют стали, обеспечивающие значительную конструктивную прочность, а также сплавы, которые могут оставаться прочными при значительно повышенных температурах, и температурах, близких к абсолютному нулю, обладающих высокой стойкостью к коррозии в агрессивных для этих сплавов средах. Конструкторы, выбирающие металл или сплав для детали (конструкции) придают значение не только одному или двум критериям, характеризующим свойства металла, но и его конструктивную прочность. Для большинства деталей или конструкций, испытывающих силовые напряжения, условиями, определяющими способность к работе, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая формой конструкции, схемой напряжения и т. д., а также и свойствами металла или сплава. Прочность детали или конструкции определяют не только свойствами самих материалов, но и степенью технологии и обстоятельствами использования или работы этой конструкции. Часто во многих областях промышленности (авиационной, ракетной, космической и т.д.), выбирая металл для какой либо детали или конструкции, огромное значение уделяют удельной прочности, под которой понимают отношение предела прочности или иной характеристики механических свойств к плотности (например, sв/g, st/g, где g - плотность материала, г/см3).Сплавы железа распространены в промышленности и производстве очень обширно. Основные из них это сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом. Несмотря на быстрое развитие производства и применения разных материалов, 92% используемых в мире конструкционных материалов составляют стали и чугуны.Сталь после медленного охлаждения имеет структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита. Твердые и хрупкие частицы цементита увеличивают сопротивление движению дислокаций, тем самым повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и вязкость. Увеличение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние, что негативно влияет на работоспособность деталей произведенных из данной стали. Как можно увидеть из графика, изображенного на рисунке 1.1.1, прочность возрастает только до 1 % углерода в стали, а при более высоком содержании С прочность начинает снижаться.Она содержит ряд обязательных или неминуемых примесей, таких как Mn, Si, S, P, O, N, H и др., оказывающих влияние на свойства данной стали. Присутствие таких примесей говорит о трудности удаления этих части из стали при выплавки (P, S) или переходом их в сталь в процессе ее раскисления (Mn, Si), попаданием из шахты - легированного металлического лома (Cr, Ni и др.). Кремний и марганец попадают в сталь в процессе ее раскисления при производстве. Они раскисляют сталь, т. е. соединяются с кислородом закиси железа FEO, в виде окислов и переходят в шлак. Марганец заметно поднимает прочность, практически не понижая пластичность и резко уменьшая красноломкость стали, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы, что положительно влияет на работоспособность детали или конструкции произведенной из такой стали.По содержанию химических элементов стали делят на две большие группы, это группа углеродистых и группа легированных сталей. По степени легирования стали условно можно также разделить на низколегированные, содержащие в общем 2,5 - 5% легирующих элементов, среднелегированные - до 10% и высоколегированные - более10 %. Марки сталей обозначаются буквами и цифрами: буквы Ст означают "сталь" цифры от 0 до 6 - условный № марки, например: Ст0, Ст2...Ст6. Сталь делят на 3 группы: A, Б и B, в марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп - сталь 2, группы А, кипящая; БСТ3кп - сталь 3, группы Б, кипящая) и т.д. Например, сталь 20кп (0,20% С, кипящая), сталь 35пс (0,35% С, полуспокойная), сталь 40 (0,40% С, спокойная) и т.д.Наряду с дефектами, характерными для углеродистых сталей, в легированных сталях выражаются и характерные только для легированных сталей дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода. Наличие элементов легирования поднимает температурный интервал кристаллизации. В результате повышается стремление этих сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ликвидируется дендритная ликвация диффузионным отжигом. Как уже отмечалось флокены - газы, оказывающие различное влияние на свойства сталей, их присутствие нежелательно, так как свойства сталей ухудшаются.Детали небольших размеров, применяемых в неответственных частях конструкций, применяют стали 10, 15, 20, а для деталей сложной формы, которые периодически сильно нагружаются, а так же крупных изделий, применяют низколегированные стали с малым содержанием C. Легирующими элементами в таких сталях, подвергаемых цементации являются Cr, Ni и др. Детали с небольшим сечением и несложной формой, которые работают при повышенных удельных нагрузках (втулки, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы), производят из сталей легированных Cr количеством примерно 1%, например 15Х, 20Х. Дополнительное легирование этих сталей V в ра

Содержание

Реферат

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей

1.1.1 Влияние углерода

1.1.2 Влияние примесей

1.1.3 Классификация сталей

1.1.4 Дефекты легированных сталей

1.2 Цементуемые стали

1.3 Улучшаемые стали

1.4 Высокопрочные стали

1.5 Пружинно-рессорные стали

1.6 Шарикоподшипниковые стали

1.7 Износостойкие стали

1.8 Строительные стали

1.9 Автоматные стали

2. Методика эксперимента

2.1 Отжиг I рода

2.2 Отжиг II рода

2.3 Закалка

2.4 Отпуск

2.5 Термическая обработка сплава 30ХГСА

2.6 Измерение твердости

2.6.1 Метод Роквелла

2.6.2 Порядок выполнения измерения

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

3.1 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

3.2 Свойства и применение легированных сталей

3.3 Влияние основных легирующих элементов на свойства стали

3.4 Влияние легирующих элементов на рост зерна стали

3.5 Выводы

Заключение

Список литературы

На сегодняшний день в производстве часто используют стали, обеспечивающие значительную конструктивную прочность, а также сплавы, которые могут оставаться прочными при значительно повышенных температурах, и температурах, близких к абсолютному нулю, обладающих высокой стойкостью к коррозии в агрессивных для этих сплавов средах.

Конструкторы, выбирающие металл или сплав для детали (конструкции) придают значение не только одному или двум критериям, характеризующим свойства металла, но и его конструктивную прочность.

Конструктивной прочностью материала называют комплекс прочностных свойств, которые находятся в большой корреляции со основными свойствами данной детали или конструкции.

Прочностные и пластические свойства определяются по ГОСТАМ на образцах и имеют огромное значение, но при этом очень часто не могут характеризовать прочность материалов в подлинных условиях использования деталей и сооружений. Происходит это изза значительного различия между обстоятельствами деформации образцов при механических испытаниях и реальными условиями эксплуатации деталей, конструкций и т.д.

Конструктивная прочность это комплексное понятие. По меньшей мере, следует учесть четыре критерия в условиях эксплуатации данной детали или конструкции: - жесткость конструкции;

- прочность материала;

- надежность;

- долговечность материала.

Жесткость конструкции. Для большинства деталей или конструкций, испытывающих силовые напряжения, условиями, определяющими способность к работе, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая формой конструкции, схемой напряжения и т. д., а также и свойствами металла или сплава. Показателем жесткости материала является модуль жесткости Е - структурно нечувствительная характеристика, зависимая только от самого материала.

Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Прочность конструкционных материалов, используемых в технике, изменяется в очень широком диапазоне - от 100?150 до 2500?3500 МПА.

Прочность детали или конструкции определяют не только свойствами самих материалов, но и степенью технологии и обстоятельствами использования или работы этой конструкции. О прочности конструкции не судят только по итогам испытания образцов, так как они не могут отражать всего разнообразия воздействий, которым подвергается сплав в процессе производства деталей, также их последующей работы в конструкциях. Часто во многих областях промышленности (авиационной, ракетной, космической и т.д.), выбирая металл для какой либо детали или конструкции, огромное значение уделяют удельной прочности, под которой понимают отношение предела прочности или иной характеристики механических свойств к плотности (например, sв/g, st/g, где g - плотность материала, г/см3). Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что, алюминиевые сплавы, хотя и имеют меньшую абсолютную прочность, чем многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это означает, что при равной прочности, масса детали из алюминиевых сплавов меньше, чем масса детали из стали.

Таблица 1 ? Удельная прочность некоторых конструкционных материалов

Материал sв, МПА g, г/см3 sв/g*103г/см

Углеродистая сталь 450-1100 7,8 60-150

Легированная сталь 30 ХГСА 1100-1400 7,8 150-190

Высокопрочные стали 1800-2000 7,8 220-250

Магниевые сплавы МА2, МА8 220-280 1,8 120-150

Алюминиевые сплавы Д16, В95 420-600 2,8 160-210

Титановые сплавы 1200-1400 4,5 260-400

Надежность это свойство деталей реализовывать свои функции, сохраняя при этом свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или требуемой выработки. Надежность детали или целой конструкции - это еще и способность этой детали функционировать вне заданных условиях, к примеру, выдерживать ударные нагрузки т.д. Основным показателем надежности является и запас вязкости металла или сплава, который зависит от состава, температуры, условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины. Главной характеристикой, определяющей надежность работы детали, является сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечностью называют возможность детали или конструкции сохранять работоспособность до предельного состояния, при котором деталь выходит из строя. Долговечность изделия зависит от условий работы. В основном это проявляется в сопротивлении к износу при работе и контактной прочности. Кроме этого, долговечность детали зависит от предела выносливости, который зависит от состояния поверхности изделия и коррозионной стойкости металла или сплава [1].

Рассмотрим влияние легирующих элементов на свойства металлов и сплавов на примере конструкционного улучшаемого сплава 30ХГСА.

Начать рассказ о 30ХГСА следует с истории появления этой марки. Сплав был разработан коллективом советских ученых в ВИАМ (Всероссийский Институт Авиационных Материалов) в начале Великой Отечественной Войны. Главную роль в создании 30ХГСА сыграли И. И. Сидорин и Г.В. Акимов. Значение этого события трудно переоценить - ведь появление сплава было открытием в области создания металлов. Тем самым СССР обогнал конкурирующие США, как минимум, на несколько лет - у них в самолетостроении использовалась хромомолибденовая сталь, которая уступает стали 30ХГСА по многим характеристикам. Сейчас конструкционная сталь 30ХГСА применяется в различных областях (таких как машиностроение), изначально сплав 30ХГСА был создан для нужд авиации. В дальнейшем созданная нашими учеными конструкционная сталь 30ХГСА обеспечила преимущество советской авиации, и в определенной степени 30ХГСА способствовала победе в войне с Германией. В настоящее время 30ХГСА используется в мирных целях и испытывает неизменный интерес гражданских потребителей благодаря своим замечательным характеристикам. Сталь 30ХГСА имеет и другое, более благозвучное название - «хромансиль». Это тоже сокращение, образованное от названий легирующих эту сталь металлов (хром и Manganum - марганец, Silicium - кремний).

Если же говорить подробнее о легирующих элементах и о том, как они влияют на характеристики легированной стали, то касательно стали 30ХГСА можно упомянуть, что, например, хром повышает твердость и устойчивость 30ХГСА к коррозии, марганец также увеличивает твердость, и, кроме того, способствует устойчивости к ударным нагрузкам и износоустойчивости, а кремний повышает показатель ударной вязкости и температурный запас вязкости. Хромансиль 30ХГСА относится к классу так называемой конструкционной стали, а именно, к легированной конструкционной стали.

Конструкционная сталь применяется в различных областях машиностроения, а касательно легированной стали следует отметить, что она относится к специальным видам стали, так как превосходит обычную углеродистую сталь. Конструкционная сталь 30ХГСА применяется, например, в самолетостроении для создании деталей, которые предполагается использовать на ответственных участках, то есть там, где возможна высокая нагрузка и неблагоприятные условия: это крепежные детали, работающие при низких температурах, сварные конструкции, испытывающие знакопеременные нагрузки и так далее.

Помимо всего прочего, немаловажно и то обстоятельство, что конструкционная легированная сталь 30ХГСА представляет собой улучшаемую сталь, то есть 30ХГСА проходит улучшение - закалку и высокий отпуск при температуре 550-660 градусов Цельсия. Поэтому 30ХГСА используется в создании улучшаемых деталей. Помимо упомянутых выше авиационных деталей, в машиностроении это также лопатки компрессорных машин, эксплуатируемые при температуре до 400° С, различные валы, оси, различные корпуса обшивки и многое другое. В настоящее время 30ХГСА изготавливается в различных вариантах.

Химический состав сплава 30ХГСА - это кремний, марганец и хром, количеством примерно одного процента каждый. А содержание углерода в 30ХГСА равно ~ 0,30 процента, серы ? 0,025 %. В качестве примера можно привести химический состав сплава 30ХГСА для авиационных листов и труб - наличие углерода: 0,28-0,35%, хрома: 0,8 -1,10%, Марганца:0,8 -1,1%, кремния: 0,9 -1,2%.

Основные преимущества сплава 30ХГСА перед другими марками стали заключаются в высокой прочности, отличных показателях ударной вязкости, выносливости. Также 30ХГСА отличается хорошей свариваемостью. При всех своих примечательных свойствах сталь 30ХГСА стоит сравнительно недорого, так как не содержит дефицитных легирующих элементов.

1.