Соотношение между K1c и пределом текучести материалов.

Для пластичных материалов необратимая работа, расходуемая на образование единицы свободной поверхности трещины нормального разрыва при ее субкритическом росте, есть величина постоянная, зависящая от предела текучести материала и его упругих свойств (v и Е) и может быть выражена так:

l-v^2

у = а------------- * б 0.2^2

2*E

Лекция № 14

Требования к механическим свойствам конструкционных материалов. Пути повышения прочности металлических материалов. Высокопрочные материалы. Долговечность.

Требования к механическим свойствам конструкционных материалов.

Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого - либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергющийся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью. Деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали - сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям, т.е. детали должны быть долговечности.

Пути повышения прочности металлических материалов.

При разработке составов конструкционных сталей и режимов их термической обработки нужно рассматривать в первую очередь такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени. Применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию, до минимальных, соответствующих отожженному. Повышение прочности, за счет температуры отпуска ведет к повышению порога хладноломкости и следовательно, уменьшению доли волокна в изломе и уменьшению работы распространения трещины. Путь повышения надежности стали при высокой прочности - это сочетание ее мелкозернистости, № 10 - 12 номер зерна (применение ВТМО) и уменьшение содержания вредных примесей, О + N < 200 анм, что достигается использованием чистой шихты и

вакуумирования. В этом случае при бв=1800 2000 Мпа, ар = 400 - 600 кДж/м^2. Высокий комплекс механических свойств принадлежит продуктам отпуска мартенсита или бейнита, поэтому при закалке следует добиваться сквозной прокаливаемости. Важно, чтобы при закалке образовался не верхний, а нижний бейнит, так как после отпуска карбидная фаза из нижнего бейнита (и мартенсита) выделяется в виде дисперсных частиц. Влияние легирующих элементов двояко: с одной стороны, они углубляют прокаливаемость и тем самым снижают порог хладноломкости, с другой стороны, они, растворяясь в феррите, повышают порог хладноломкости. Избыточное легирование становится вредным. Исключение составляет никель, который понижает порог хладноломкости.

Высокопрочные материалы. Долговечность.

Стали, обработанные на прочность более 1500 Мпа, называются высокопрочными. Высокая прочность достигается подбором стали и специфической обработкой. К высокопрочным сталям относят:

- стали обычного состава, но мелкозернистые и высокочистые;

- никелесодержащие стали (18Х2Н4ВА), кроме того стали легированные кобальтом; -особомелкозернистые стали № зерна 13-14 (30Х5М2СФА после ВТМО);

-стали со структурой среднеуглеродистого мартенсита после МТО. Здесь после небольшой пластической деформации уже термически обработанной стали прочность не возрастает, предел текучести достигает практически предела прочности;

- стали с карбонитридным упрочнением, в результате которого образуются упрочняющие дисперсные карбонитридные фазы при легировании стали ванадием и ниобием (иногда дополнительно алюминием и титаном) в сочетании с повышенным содержанием азота (до 0.030 %). 15ГФ, 15Г2СФ и 10Г2Б.

- стали интерметаллидного упрочнения (мартенсито - стареющие), в которых при закалке получатся практически безуглеродный мартенсит, а затем при отпуске происходит выделение интерметаллидных фаз (Н18К9М5Т, Н18К12М5Т2, Н16К4М5Т2Ю);

- трип - стали, в них состав должен быть таков, чтобы закалкой (с 1000 - 1100 С) фиксировалась
при комнатной температуре чистая аустенитная структура (точка Мн должна лежать ниже
комнатной температуры, а Мd - выше (Мd - температура, выше которой деформация не
вызывает мартенситного превращения). Типичный состав трип - стали таков: 0.3 % С, 9 % Cr,
8 % Ni, 4 % Mo, 2 % Mn, есть и другие составы.

Особенно важное свойство сталей - высокое сопротивление развитию трещины, что связывается с долговечностью материала. Например, вязкость разрушения (интенсивность напряжения в устье трещины К1С у обычной хромоникельмолибденовой стали при б0.2=15 Гпа составляет около 35 Мпа * м^2, у мартенсито - стареющей стали при той же прочности - около 95 Мпа * м^2, а у трип - стали - свыше 157 Мпа * м^2.

К высокопрочным материалам принадлежат композиты с волоконным армированием нитевидными кристаллами, дисперсноупрочненные композиты и композиты направленной кристаллизации - эвтектические композиционные материалы.

Лекция № 15

Конструкционные стали. Цементуемые и улучшаемые стали, классификация по химическому составу. Дефекты легированных сталей. Рессорно - пружинные стали и сплавы общего и специального назначения.

Конструкционные стали.

Конструкционными называются стали, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Стали, применяемые в конструкциях и сооружениях, называются строительными. Четкой границы по химическому составу между строительной и машиностроительными сталями нет. Конструкционными могут быть как углеродистые, так и легированные стали. Содержание углерода в этой группе не превышает 0.6 %. Конструкционные углеродистые стали разделяют так же по назначению, технологическим признакам: таблица.

 

Марка стали
Стали общего	Стали специального назначения	Качественные
назначения ГОСТ 380 - 88	Нелигирова - нные и легированные для отливок ГОСТ 977 - 75	Рессорно - пружинные ГОСТ 1459 - 79	Повышенной и высокой обрабаты - ваемости резанием ГОСТ 1414-74	Средне- углеродистые пониженной прокалива- емости	конструкцио-нные стали ГОСТ 1050 - 74
Ст0, СТ1кп	15Л		А11
Ст1пс	20Л		А12	НИПРА
Ст1сп	25Л		А20	50ППП
Ст3пс	30Л		А30
Ст3кп	35Л		А35
Ст3Гсп	40Л		А40Г
Ст4кп	45Л		АС40
Ст5Гпс	50Л
Ст6пс	55Л

Стали общего назначения изготавливаются: кипящие (кп), полуспокойные (пс), спокойные (сп). Для обозначения повышенного содержания марганца после номера марки ставят букву Г. Сталь качественная углеродистая по способу раскисления подразделяется на: кипящую, полуспокойную и спокойную. Марки кипящей качественной углеродистой стали: 05кп, 10кп, 20кп, - полуспокойной 08пс, 10пс, 15пс, 20пс, - марки спокойной стали в данной таблице перечислены без индекса. Кроме указанных в таблице, ГОСТ 1414 - 75 предусматривает еще одиннадцать, а ГОСТ 14959 - 79 еще двенадцать марок легированных сталей. ГОСТ 977 - 79 распространяется на легированные стали для литейной технологии.

Стали общего назначения применяются, как правило, без термообработки или после нитроцементации или цементации, для изготовления деталей неответственного назначения, воспринимающих большие нагрузки. Стали марок Ст5Гпс, Ст6сп, а так же подобные им воспринимают закалку и низкий отпуск. Углеродистые качественные стали (за исключением 05кп,..., 10пс) обычно проходят цементацию, улучшение или закалку с отпуском, а так же

применяются после ТВЧ - марки 40... 58 (55ПП). Обычная ТО рессорно - пружинных сталей: закалка и средний отпуск 470... 520 С.

Кроме углеродистых в машиностроении для ответственных деталей применяют конструкционные легированные стали ГОСТ 4543 - 71. Эти стали разделяются на группы: хромистая, марганцовистая, хромомарганцевая, хромокремнистая, хромокремнемарганцевая, хромоникелевая и другие стали..... По технологическим признакам их разделяют на цементуемые стали, стали для азотирования, улучшаемые стали, воздушнозакаливающиеся стали и т.п.

Цементуемые и улучшаемые стали, классификация по химическому

Составу.

Цементуемые стали разделяются на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной, низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной и относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильноупрочняемой при термической обработке. Стали последней группы называют высокопрочными цементуемыми сталями. К ним относят стали с невысоким содержанием легирующих элементов, но с повышенным содержанием углерода (0.25 - 0.30 %). Химический состав наиболее распространенных цементуемых сталей показан в таблице.

Сталь	С	Cr	Ni	Mn
	0.07-0.13
	0.17-0.24
20Х	0.17-0.23	0.7-1.0
15ХР	0.12-0.18	0.7-1.0
20ХН	0.17-0.23	0.45-0.75	1.0-1.4
20ХГР	0.18-0.24	0.7-1.1		0.7-1.0
20ХНР	0.16-0.23	0.7-1.1	0.8-1.1
18ХГТ	0.17-0.23	1.0-1.3		0.8-1.1
18ХНМФА	0.16-0.21	0.6-0.9		0.8-1.1
12ХН3	0.08-0.16	0.6-0.9	2.75-3.15
20Х2Н4	0.16-0.22	1.25-1.65	3.25-3.65
18Х2Н4	0.14-0.20	1.35-1.65	4.0-4.4	0.45-0.65 Mo

 

 

 

 

Марка стали	Структура сердцевины	бв, Мпа	б0.2, Мпа	δ, % 35-30 15-20 12-15	Ψ,%	ан, кДж/м^2	Т50, С
10, 15, 20	Феррит + перлит	400-470	250-300	70-60	1000-1500	-40...-20
15Х, 15ХР, 20ХН	Верхний бейнит	750-850	650-700	55-65	1000-1200	-50...-20
18ХГТ, 20Х2Н4, 18Х2Н4МА	Мартенсит, нижний бейнит	1200-1300	1000-1100	50-60	800-1400	-50...-120

Разная степень упрочнения сердцевины при термической обработке объясняется получением разных структур вследствие различий в кинетике распада переохлажденного аустенита. Механические свойства сердцевины цементуемых сталей показаны в таблице. Улучшаемые стали содержат 0.3-0.4 % С и разное количество легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний) в сумме не более 3-5% и часто около 0.1% измельчителей зерна (ванадий, титан, ниобий, цирконий). Улучшение - закалка в масле и

высокий отпуск (550 - 650 С). Чем больше в стали легирующих элементов, тем большее ее прокаливаемость. Поскольку механические свойства стали разных марок после улучшения в случае сквозной прокаливаемости близки, то не механические свойства, а прокаливаемость определяет выбор стали для той или иной детали. Улучшаемые сорта стали условно разбиты на пять групп. По мере увеличения номера группы растут степень легирования, и следовательно, размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость.

 

 

 

 

 

 

Группа	Сталь	С	Mn	Si	Cr	Ni 1.0 -1.4 3.0 -3.4	другие	Критиче- ский диаметр, мм	Темпера- тура полу- хрупкости, Т50 С.
I		0.37 -0.44						-20
II	40X	0.36 -0.44			0.8 -1.1			-50
III	40ХГР	0.37-0.45	0.7 -1.0		0.8 -1.1			-20
IV	40ХН	0.36 -0.44	0.6 -0.9	0.17 0.45 -- 0.75 0.37			-60
V	38ХН3МФ	0.30 -0.42			1.2 -1.5	0.1 - 0.2 V		-100