Ответы по материаловедению

- обыкновенного  качества

• качественные.

Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь»,

цифры — условный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода.

В зависимости  от условий и степени раскисления  различают стали:

   1)  спокойные «сп» Ст1сп) 

2)   полуспокойные   «ПС»   (Стпc);

3)   кипящие «кп»  (Сткп).

В их составе  разное массовое содержание кремния  и кислорода:

в спокойных 0,15—0,3 % Si и —0,002 %   О₂;

 в  полуспокойных 0,05—0,15 % Si и —0,01 % 0₂ и

в кипящих  — не более 0,05 % Si и ~0,02 % О₂.

Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в  ковше. Они застывают спокойно без  газовыделения.

 Кипящие  стали раскисляют только ферромарганцем  и до затвердевания в них содержится повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит.

 Стали  обыкновенного качества, особенно  кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 % , фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %.  Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них раз-вита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

 С  повышением условного номера  марки стали возрастает пре  дел прочности и текучести  и снижается пластичность. Из  сталей обыкновенного качества  изготовляют горячекатаный рядовой  прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых конструкций, реже для изготовления малонагруженных   деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.).

 Кипящие  стали (Ст1кп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные, стали (Ст1сп, Ст2сп, СтЗсп). С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке. Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склонностью к деформационному старению. Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (моего- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим условиям. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита ' (высокой критической скоростью закалки)» поэтому после закалки мартенсит не образуется. Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050—74) . Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, ..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. s_в = 330-340 МПа, s_0,2= 200-210 МПа и δ = ЗЗ-31 % . Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий. Стали 15, 15кп, 20, 25 чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии. Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией. Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (s_в = 500-5-610 МПа, s_0,2= 300-360 МПа, δ = 21 -16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем (40Г, 50Г).

Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 %  С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной закалки для-j деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких! статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины  и   рессоры,   шпиндели,   замковые шайбы,   прокатные, валки и т. д. 
 

31. Основы легирования  стали. Взаимодействие  легирующих элементов  с железом и  углеродом. Влияние  легирующих элементов  на устойчивость  аустенита и феррита. 
 

Легирующие  элементы вводятся в сталь для  получения требуемой структуры  и свойств. Почти все элементы растворяются в железе и влияют на положение точек А3 и А4.По влиянию  делятся на 2 группы:

1. понижают температуру точки А3, повышают А4.
2. Расширяется область γ-фазы и сужается α-фазы.

Сплавы  наз аустенитными, если при всех температурах твердый раствор легирующего  элемента в γ-железе и не испытывают фазовых превращений. Частично претерпевающие превращение – полуастенитные. 2)понижают А4 и повышают А3. Интервалы точек А1 и А3 сливаются, область γ-фазы полностью замыкается. Сплавы, сост из твердово легирующего элемента в α-железе, наз ферритными. Все легир. эл-ты упрочняют сталь. Часто наряду с повыш. прочности, повыш. пластичность, наприм. легир. Ni. Легир. эл-ты измен. кинетику распада А, сниж. скорость диффузии при всех тем-рах стали, поэтому увелич. устойчивость А. С-образные кривые смещаются вправо, тем самым сниж. критич. скорость закалки. Это улучш. закаливаемость и прокаливаемость стали, так действуют все легир. эл-ты, кроме кобальта.

 В  сталях в кот. содерж. легир.  эл-тов 

<2,5% наз.  низколегир.;

2,5-10% - легир.;

>10% - высоколегир. 

32. Закаливаемость и  прокаливаемость.  Влияние легирующих  элементов на закаливаемость  и прокаливаемость.  Способы закалки. Деффекты закалки.

Под закаливаемостью  понимают способность стали к  повышению твердости

Под прокаливанием  понимают способность стали закаливаться на определенную глубину.

Глубина закаленной зоны является критерием  прокаливаем ости. Большинство деталей  должны прокаливаться насквозь. Критический диаметр - максимальную размерность сечения детали, которая прокаливается насквозь. Для этого, чтобы закалить деталь насквозь в данном охладителе, необходимо чтобы критический диаметр D_кр больше диаметра сечения детали.

В зависимости  от состава стали, формы и детали выбирают способ закалки.

К основным способам закалки относятся:

-закалка  в одном охладителе,

-прерывистая  закалка, 

-изотермическая  закалка и 

-различные  сочетания этих способов.

Закалка в одном охладителе - это наиболее распространенный способ закалки, заключается в нагреве стали выше температур, соответствующих   критической точке A_c1 и A_c3  с последующей выдержкой и охлаждением со скоростью выше критической в одном охладителе  (1). В качестве охлаждающей среды для углеродистых и низколегированных сталей служит вода, легированных – масло. Недостаток: возникновение больших внутренних напряжений, и образование трещин.

Закалка в двух средах - этот способ заключается в том, что нагретую до необходимой температуры деталь, выдержанную при этой температуре,  переносят в охладитель, обеспечивающий такую скорость охлаждения, которая предотвратила бы распад переохлажденного аустенита в области температур минимальной устойчивости аустенита, например в воду, а затем переносят в менее интенсивно охлаждающую среду, в которой  собственно и происходит закалка(2). Такой способ закалки позволяет снизить уровень закалочных напряжений и предотвратить появление таких закалочных дефектов как, например корабление. Недостаток: требуется высокая квалификация рабочих

Струйчатая  закалка - этот способ применяется в том случае, когда нет необходимости закаливать деталь на одинаковую твердость по всей поверхности.

Закалка самоотпуском - этот способ практически несет то же функциональное назначение, что и струйчатая закалка,

Ступенчатая закалка -

Изотермическая  закалка - в отличие от ступенчатой при изотермической закалке деталь помещают в охлаждающую среду с температурой несколько выше температуры начала мартенситного превращения и выдерживают в этой среде до полного завершения превращения (4). В результате изотермической закалки образуется структура - бейнит, которая по сравнению с мартенситом имеет несколько более низкую твердость и повышенную вязкость.

Обработка стали холодом. В закаленной стали особенно с содержанием углерода более 0,4-0,5% всегда присутствует остаточный аустенит, который понижает твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита в закаленной стали используют обработку холодом, заключающуюся в охлаждении закаленной стали до температур ниже 0. Понижение температур до -30 - -70град. для большинства сталей вызывает превращение остаточного аустенита в мартенсит, что повышает твердость. Но т.к. одновременно возрастают напряжения, то изделия охлаждают медленно и сразу после обработки холодом выполняют отпуск. Обработку холодом используют для измерительных инструментов, пружин и деталей из цементируемых высоколегированных сталей, сохраняющих много аустенита после закалки. 
 

33. Классификация легированных сталей по назначению, химическому составу, по степени легированности и по структуре после охлаждения на воздухе. Маркировка легированных сталей. 

1. по равновесной  структуре:

1.1.доэвтектоид.  стали (в структуре избыточн. Ф);

1.2.эвтектоидн. (П);

1.3.заэвтект. (избыточн. вторичн. легир. карбиды);

1.4.ледебуритные (первичн. карбиды выделившиеся  при кристаллиз. из жидк. стали  – кристаллы). По структуре Л  должен быть отнесен к чугунам.  В легир. сталях при меньшем  содерж. углерода выделяется Л.  В чугунах Л не деформируется, он очень хрупкий, в легир. сталях он деформируется, поэтому стали с Л более хрупкие. В некот. легир. сталях углерода м.б. >2,14%.

2. по структуре после охлажден. на воздухе:

2.1. перлитная; 

2.2. мартенситная;

2.3. аустенитная.  Эта классификация предложена французом Гийе. Немец Обер Дерфер предложил другую клас-цию. По нему структура м.б.: П; М; А; Ф; карбидная (Л); бенитная; Ф-М; А-Ф; А-М.

3. по составу:

3.1. никелевые; 

3.2. хромистые; 

3.3. хромоникелевые;

3.4. хромоникелемолибденовые  и т.д.

4. по  назначению:

4.1. конструкционные; 

4.2. инструментальные;

4.3. стали  и сплавы с особыми св-вами (нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные,  эл.-технич. и т.д.). Если в стали  легир. элементов >50%, то это  сплав на основе Fe. Наличие легир. элементов оговаривается в марке стали. Для этого приняты условные обозначения: это или первые буквы названия элемента, или наиболее звучащие буквы, или не то и не другое. H-Ni; X-Cr; B-вольфрам; M-молибден; Т-титан; Д-Cu; Ф–ванадий; Е–селен; Ч–редкоземельные эл-ты; Р-бор; К-кобальт; А-азот; Ю-Al; Б-ниобий; Г-Mg; С-кремний. Кроме того для обозначения некоторых групп прим. др. условные обознач., при этом эти условные обозначения ставятся впереди марки: Е-эл.-технич. стали для пост. магнитов; Ж-нержавейка Перлит класса; Я-нержавейка Ауст класса; Р-быстрорежущ. стали; У-углеродистые инструментальные стали; Э-эл.-технич. стали; ЭИ-экспериментально-исследовательские; ЭП-экспериментально-пробные. Пример: 12Х18Н10Т; 30ХГСА. 
 

34. Конструкционные  цементуемые и  улучшаемые стали. 

Цементуемые  стали. Для изготовления деталей упрочняемых цементацией и нитроцементацией применяют низколегированные стали с содержанием 0,15-0,25 реже до 0,3% С. Содержание легирующих элементов не должно быть слишком большим, но должно обеспечить прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины. Прокаливаемость сердцевины должна обеспечить высокие механические свойства, особенно пределы текучести и твердости. При циклических нагрузках цементуемых и нитроцементуемых деталей, сопротивление их разрушения зависит от прочности сердцевины. Для получения высокой прочности и сопротивлению хрупкому разрушению используется непосредственно закалка после цементации, но стали должны быть наследственно мелкозернистыми. Увеличение зерна в цементованном слое после термообработки (т/о) уменьшает контактную прочность,  предел выносливости при изгибе. Для измельчения зерна в стали, ее микролегируют ванадием, Ti, ниобием, цирконием, Br, N в результате чего образуется прочные, дисперсные нитриты, карбиды, корбонитриды, бориды.