Дефекты легированных сталей.

В легированных сталях появляются различные дефекты, встречающиеся реже в углеродистых сталях. К ним относят: отпускная хрупкость (см. раннее в лекционном материале), дендритная ликвация и флокены.

дендритная ликвация - появление ее обусловлено неравновесной кристаллизацией сплавов. Наличие легирующих элементов способствует появлению дендритной ликвации. Что создает разницу в концентрациях между ранее и позднее выпавшими из жидкости кристаллами. После прокатки и ковки появляются волокна, вытянутые вдоль направления деформации. Это создает анизотропию механических свойств. Для устранения дефекта стали ее подвергают длительному отжигу при 1000 - 1200 С.

флокены -представляют собой в изломе пятна (хлопья), а в поперечном микрошлифе -трещины. Флокены образуют растворившийся в жидкой стали водород, который при охлаждении стали создает сильные внутренние напряжения. Флокены устраняются ковкой на меньший размер.

Рессорно - пружинные стали и сплавы общего и специального

Назначения.

Главное требование к рессорно - пружинной стали: высокий предел упругости (текучести). Это достигается закалкой с последующим средним отпуском (300 - 400 С). Пружины изготавливают из сталей с повышенным содержанием углерода (0.5 - 0.7 %), часто с добавками марганца и кремния. Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающие наиболее высокими упругими свойствами. Часто пружины изготавливают из шлифованной холоднотянутой проволоки (серебрянки).Наклеп от холодной протяжки создает высокую твердость и упругость. (У7, У8, У9, У10) Для повышения предела

упругости пружины после навивки отпускают для снятия внутренних напряжений (250 - 350
С). Стойкость пружин, испытывающих знакопеременные нагрузки, повышают обработкой
(обдувкой) поверхности детали дробью - поверхностный наклеп. Состав пружинной стали
показан в таблице.
Состав пружинной стали. Таблица.

Марка С Mn Si Cr V

65 0.62-0.70 0.50-0.80 0.17-0.37

70 0.67-0.75 0.50-0.80 0.17-0.37

75 0.72-0.80 0.50-0.80 0.17-0.37

65Г 0.62-0.70 0.80-1.20 0.17-0.37

50С2 0.47-0.55 0.60-0.90 1.50-2.00

55С2 0.52-0.60 0.60-0.90 1.50-2.00

60С2 0.57-0.65 0.60-0.90 1.50-2.00

70С3А 0.66-0.74 0.60-0.90 2.40-2.80

55СГ 0.50-0.60 0.80-1.00 1.30-1.80

60СГ 0.55-0.65 0.80-1.00 1.30-1.80

50ХФА 0.46-0.54 0.50-0.80 0.17-0.37 0.80-1.10 0.10-0.20

50ХГФА 0.48-0.55 0.80-1.00 0.17-0.37 0.95-1.20 0.15-0.25

60С2ХА 0.56-0.64 0.40-0.70 1.40-1.80 0.70-1.00

Режим термической обработки пружин и рессор. Таблица.

 

Марка стали

50С2

60С2

50ХФА

60С2Х2

I

Т, С закалки

 

 

Т, С отпуска

НВ

Среда закалки

Масло или вода 460 365-410

Масло 460 390-480

520 390-480

420-475

Кроме указанных сталей применяют марки У9А, У10А, У11А, У12А. Однако они обладают низкой коррозионной стойкостью и способны работать при температуре не более 100 С. Для особых условий работы упругих элементов применяют сплавы специального назначения. К ним относят следующие группы:

- коррозионностойкие (ГОСТ 5632 - 72) стали - 20Х13, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, аустенитные
сплавы, упрочняемые дисперсионным твердением (ГОСТ 10994 - 74): 36ХНТЮ, 36ХНТЮ8М;

- немагнитные: 17Х18Н9, 37Х12Н8Г8МФБ стали и в редких случаях сплавы: 36ХНТЮ, 36ХНТЮ8М,

- с низким температурным коэффициентом модуля упругости (сплавы обеспечивающие повышенную точность работы упругих элементов). Это ферромагнитные сплавы на железоникельхромовой основе: 42НХТЮ, 42НХТЮА, 44НХТЮ (ГОСТ 10994-74),

- высокоэлектропроводные пружинные сплавы. К ним относят сплавы на основе меди - бронзы.
Абсолютные значения предела упругости бронз, например, бериллевых - не превышают
величин, которые можно получить для стали, но благодаря меньшему в 1.5 - 2 раза модулю
упругости они характеризуются максимальной упругой деформацией (энергией), которую
можно достигнуть в упругих элементах. Кроме того, бронзы (БрБ2, БрБНТ1.7 - ГОСТ 18175 -
78), а также ряд латуней (Л85, Л80, Л68) обладают высокой электропроводностью,
коррозионной стойкостью, легко обрабатываются давлением и резанием.

Лекция № 16

Выбор марки стали, вида и режима термической обработки. Учет действующих нагрузок и размеров детали. Роль легирования и прокаливаемость стали. Выбор температуры отпуска закаленных деталей.

Выбор марки стали, вида и режима термической обработки.

Учет действующих нагрузок и размеров детали.

Роль легирования и прокаливаемость стали.

Выбор температуры отпуска закаленных деталей.

Лекция № 17

Жаропрочные стали и сплавы. Коррозоинностойкие стали. Кислотостойкие стали и сплавы. Магнитные стали и сплавы. Электротехнические сплавы. Сплавы с особыми тепловыми и упругими свойствами. Материалы с памятью формы.

Жаропрочные стали и сплавы.

Различают жаростойкие и жаропрочные металлы и сплавы. Под жаростойкостью понимают способность сопротивляться окислению (окалиностойкость). Жаропрочными сталями с сплавами понимают материалы, обладающие повышенными механическими свойствами при повышенных температурах. В таких условиях прочность металла определяется двумя факторами - температурой и временем. Рис. 64.

Время до разрушения, с

бв,МПа вв,МПа

Рис. 64. Зависимость прочности от температуры испытаний.

Рис. 65. Предел прочности железа от температуры испытаний. Заштрихована область

напряжений, вызывающая ползучесть.

При пониженной температуре t1 прочность мало зависит от продолжительности воздействия нагрузки и при напряжении ниже бв разрушение практически не произойдет. Возрастание угла наклона прямых показывает, что при более высоких температурах зависимость эта существует.

При высоких температурах для оценки прочности используют предел прочности для данной температуры, когда разрушение будет иметь место после определенного воздействия - длительная прочность. Для железа и его сплавов прочность при 200 - 300 С выше прочности при комнатной температуре, а пластичность и вязкость ниже (на рис. 65 не показано). Это явление носит название синеломкости. Рис. 65. Нижняя кривая, которая начинается от 350 С, показывает прочность железа при чрезвычайно малой скорости испытания, верхняя кривая приведена для скоростей, обычных при испытании образцов (3..5 мм/мин). Температура 350 С для железа является температурой, выше которой металл приобретает заметную чувствительность к скорости деформирования. Если нагрузка превзойдет величины верхней кривой, тогда разрушение произойдет в процессе возрастания нагрузки. Если величина напряжения лежит ниже нижней кривой, тогда разрушения не будет. Напряжение, величина которого находится в заштрихованном интервале, деформирует металл во времени. Это явление называют ползучестью. Ползучесть определяют на специальных установках. Явление ползучести обнаруживается при температурах выше температуры рекристаллизации и при напряжениях выше предела упругости. Жаропрочные свойства определяются природой основного компонента (Е, Тпл, бв и т.п.), его легированием, режимами предшествующей ТО, приводящей сплав в то или иное структурное состояние. В качестве жаропрочных сплавов применяют твердые растворы с элементами, которые повышают температуру рекристаллизации и способные к упрочнению за счет дисперсионного твердения. Однако рост, т.е. коагуляция выделившихся частиц при работе длительное время при высокой температуре снимает эффект старения. Жаропрочные материалы классифицируют на:

- жаропрочные перлитные и мартенситные стали 12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ, 12Х2МФСР, Х5ВФ,
15Х11МФ, 1Х12ВНМФ (ГОСТ 5520-79, 4543-71, 20072-74, 5632-72) - подвергаемые
длительному механическому воздействию 200000 ч при температуре не выше 500 - 600 С.
Кроме того, к ним принадлежат сильхромы - Х6С, Х9С2, Х6СМ ГОСТ 5632 - 72, которые
имеют высокую температуру начала заметного окисления (до 850 С) и используют для
изготовления клапанов выпуска двигателей;

- аустенитные стали. Их применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых
турбин и других “горячих” деталей реактивных двигателей - 600 - 700 С. Аустенитные стали
легируют хромом, определяющим окалиностойкость, и никелем, обеспечивающим
устойчивость аустенита. Аустенитные стали разделяют на гомогенные (их чаще используют как
жаропрочные и нержавеющие) и дисперсионно твердеющие. Последние проходят ТО - закалка
1050 - 1100 С и дисперсионное твердение - старение при 600 - 750 С. К первой группе
принадлежат марки сталей - 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 08Х23Н18,
ко второй - 37Х12Н8Г8МФБ, 09Х14Н19В2БР, 4Х14Н14В2БР, ХН35ВТЮ (ГОСТ 5632 72).

- никелевые и кобальтовые жаропрочные сплавы. В случаях особых требований жаропрочности
применяют преимущественно гомогенные (нихромы и инконели) и стареющие (нимоники)
сплавы. Нимоники представляют собой четверной сплав Ni (ост.)- Cr (20%) - Ti (2 %) - Al (1%).
После термообработки (закалки и старения) в сплаве образуются две когерентные фазы, лишь
несколько отличающиеся параметрами из - за разного содержания алюминия, γ, γ’ (до 40%),
межатомное взаимодействие которых обеспечивает высокую жаропрочность (Нимоник 90,
Нимоник 100 ГОСТ 5632 - 72). Нихромы представляют собой гомогенный сплав никеля и хрома
с различными добавками. Гомогенный твердый раствор обладает меньшей прочностью и
жаростойкостью (ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ ГОСТ 5632 - 72).

Коррозоинностойкие стали.

Поверхностное разрушение металла под действием внешней среды называется коррозией. Введение в сталь >12% Cr скачкообразно придает ей коррозионную стойкость. Рис. 66.

Потенциал, В 0.2

Сг, %

Рис. 66. Потенциал железохромистых сплавов.

Сплавы, содержащие менее 12 % Cr, практические столь же подвержены коррозии, как и простое железо. Сплавы, содержащие более 12 % Cr, ведут себя как благородные металлы (Au, Pt и т.п.), обладая положительным потенциалом, они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей. Коррозионно стойкие стали разделяют на:

- хромистые стали. Они применяются трех типов: с 3, 17 и 27 % Cr. В зависимости от состава принадлежат к ферритному, мартенситно - ферритному и мартенситному классам. Стали типа Х13 применяются для бытовых назначений и в технике (лопатки гидро турбин, лопатки паровых турбин). Стали с низким содержанием углерода (087Х13, 20Х13) пластичны, из них штампуют детали. Стали 20Х13 и 40Х13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью. Стали с 17 % Cr обладаут более высокой коррозионной стойкостью. Их можно применять как жаростойкие до 900 С. Присадка к ним Ni приводит к появлению а - у превращения, протекающего не до конца, но дающего заметное упрочнение (сталь Х17Н2

- является высокопрочной). Стали с 25 - 28 % Cr применяются для деталей печей (муфели, чехлы термопар, реторты) при 1050 - 1100 С. Хромистые стали при определенных нагревах (450 и 700 С) чувствительны к охрупчиванию. Оно устранимо, если в стали менее 0.005% углерода. Такие стали называют суперферритами.

- хромоникелевые стали. Введение достаточного количества никеля в 18% хромистую сталь делает ее аустенитной, что обеспечивает лучшее механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также более коррозионностойкой и не хладоломкой. Наибольшее распространение получили стали состава 18% Cr: 10% Ni. По структуре хромоникелевые стали делятся на:

- аустенитные стали с устойчивым аустенитом (12Х18Н10, 04Х18Н10, 17Х18Н9);

- аустенитно - мартенситные стали (возможно образование мартенсита при охлаждении на воздухе или при обработке холодом или при пластической деформации) (08Х15Н8Ю),

- аустенито - ферритные стали, здесь аустенит может быть устойчивым и неустойчивым
(08Х22Н6Т, 12Х22Н5Т, 08Х21 Н6М2Т).

В аустенитных сталях происходит выделение карбидов, что в неблагоприятных случаях может приводить к появлению межкристаллитной коррозии. Аустенитные стали также склонны к так называемой коррозии под напряжением. (На поверхности образца, находящегося под нагрузкой в коррозионной среде и имеющего внутренние остаточные напряжения образуются тонкие трещины, проходящие по телу зерна). Сохранение высоких антикоррозионных свойств достигают соблюдением режима ТО. Для аустенитных (и аустенитно - ферритных)сталей ТО -закалка в воду от 1050 -1100 С, для аустенитно - мартенситных - требуется дополнительная обработка холодом для перевода остаточного аустенита в мартенсит и последующий отпуск для дисперсионного твердения в а - фазе.

Для работы при низких отрицательных температурах применяют криогенные стали и сплавы (до 5 К), одновременно являющиеся коррозионностойкими (аустенитные). Здесь наибольшее распространение получили марки сталей: 12Х18Н10, 12Х18Н20, 12Х13АГ19.