Способы упрочнения деталей, материалов
Способы упрочнения деталей, материалов.
Действенным средством снижения массы является повышение прочности материалов. В отличие от способа увеличения напряжений путем снижения фактического запаса прочности, сопряженного с риском ослабления детали, надежность в данном случае не уменьшается (если сохраняется запас прочности). Другое отличие заключается в том, что этот способ применим ко всем деталям без исключения, тогда как первый способ охватывает только расчетные детали.
Основные способы упрочнения материалов следующие:
- горячая обработка давлением;
- легирование;
- упрочняющая термическая и химико-термическая обработка;
- обработка методами холодной пластической деформации.
При горячей обработке давлением упрочнение происходит в результате превращения рыхлой структуры слитка в уплотненную структуру с ориентированным направлением кристаллитов. Пустоты между кристаллитами уковываются и завариваются, прослойки примесей по стыкам кристаллитов дробятся и под действием высокой температуры и давления растворяются в металле.
Наибольшее значение для прочности имеет процесс рекристаллизации, протекающий при остывании металла в определенном интервале температур (для сталей 450—700°С). Из обломков кристаллитов, разрушенных в процессе пластической деформации, возникают новые мелкие зерна. При росте рекристаллизованных зерен примеси остаются в растворенном состоянии в кристаллитах. Для ковкого металла характерна структура, состоящая из мелких округлых зерен, хорошо связанных друг с другом, что обусловливает его повышенную прочность и вязкость.
Кованым и особенно прокатанным металлам свойственна анизотропия механических свойств в направлениях вдоль и поперек волокон.
Особенно резко влияет направление волокон на вязкость (рис. 77).
Направление волокон в кованых и штампованных деталях должно быть согласовано с конфигурацией деталей и направлением действия рабочих нагрузок. Штампованные коленчатые валы (рис. 78, б) и другие фасонные детали (рис. 78, г) с волокнами, следующими контуру, значительно прочнее деталей, изготовленных из сортового проката с перерезкой волокон (рис. 78, а, в).
Горячее накатывание зубьев шестерен (с последующим холодным калиброванием) обеспечивает правильное направление волокон относительно действующих на зуб нагрузок (рис. 78, д, e). Повышенной прочностью обладает накатанная резьба (рис. 78, ж, з).
Главное назначение легирования — повышение прочности с дифференцированным улучшением частных характеристик: вязкости, пластичности, упругости, жаропрочности, хладостойкости, сопротивления износу, коррозионной стойкости и др. Присадка некоторых элементов (Ni и особенно микроприсадка В) увеличивает прокаливаемость сталей, что позволяет получать повышенные механические свойства по всему сечению детали. Для получения высоких механических качеств легирование должно быть дополнено термообработкой.
В табл. 8 приведены сравнительные (средние) характеристики легированных и углеродистых сталей.
Упрочняющая термическая обработка (закалка с высоким, средним и низким отпуском, изотермическая закалка) вызывает образование неравновесных структур с повышенной плотностью дислокаций и сильно деформированной атомно-кристаллической решеткой (сорбит, троостит, мартенсит, бейнит). Регулируя режимы термообработки, можно получать стали с различным содержанием этих структур, размерами и формой зерен и соответственно с различными механическими свойствами. Для конструкционных сталей чаще всего применяют улучшение (закалка с высоким отпуском на сорбит), обеспечивающее наиболее благоприятное сочетание прочности, вязкости и пластичности.
Закалка с индукционным нагревом поверхностного слоя ТВЧ помимо технологических преимуществ (экономичность, высокая производительность) дает значительный упрочняющий эффект, обязанный возникновению в закаленном поверхностном слое остаточных напряжений сжатия.
Химико-термическая обработка заключается в насыщении поверхностного слоя углеродом (цементация) или азотом (азотирование) с образованием (в последнем случае) нитридов железа и легирующих элементов. При комплексных процессах (цианирование, нитроцементация) поверхность насыщается одновременно углеродом и азотом с образованием карбидов и карбонитридов. Эти виды химико-термической обработки придают поверхности высокую твердость и износостойкость. Вместе с тем они увеличивают прочность (особенно в условиях циклической нагрузки) благодаря образованию в поверхностном слое напряжений сжатия.
Разновидностью химико-термической обработки является термодиффузионное поверхностное легирование (насыщение поверхностного слоя атомами легирующих элементов), которое применяют для повышения прочности и твердости, а также придания поверхности особых свойств (табл. 9).
| Процесс | Сущность процесса | Технология процесса | Назначение |
|---|---|---|---|
| Диффузионное хромирование | Образование в поверхностном слое карбидов и α-твердых растворов Cr в железе | Выдержка в среде летучих хлоридов хрома: CrСl2; CrСl3 (газовое хромирование) при 800—1200 °С (5—6 ч) | Повышение твердости (HV 1200—1500) и термостойкости |
| Титанирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Ti, карбидов титана TiC и интерметаллидов типа Fe2Ti | Выдержка при 1100—1200°С в смеси порошков ферротитана (80%) и хлористого аммония (6—8 ч) | Повышение твердости (HV 1600—2000), увеличение коррозие- и эрозиостойкости |
| Бериллизания | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Be и бериллидов | Выдержка при 900—1100°С в смеси 20% Be, 75% BeO и 5% MgCl2 (4—8 ч) | Повышение твердости (HV 1100—1200), увеличение коррозиестойкости |
| Борирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов В и боридов Fe | Выдержка при 900—1100° С в смеси порошков карбида бора В4С и буры Na2B4O7 (5—6 ч) | Повышение твердости (HV 1500—1800) и термостойкости |
| Сульфидирование | Образование в поверхностном слое сульфидов Fe | Выдержка в расплаве сернокислых солей при 550—600°С (2—4 ч) | Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств, повышение стойкости против сваривания |
| Силидирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Si и силицидов Fe | Выдержка в атмосфере моносилана SiH4 с газами-разбавителями при 1000° С (6—10 ч) | Повышение износостойкости, увеличение горячей коррозиестойкости |
| Семенирование | Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Se и селенидов | Обработка 20%-ным раствором селенистой кислоты H2SeO3 с добавкой небольшого количества хромпика | Повышение износостойкости, придание противозадирных свойств |
| Алитирование | Отложение на поверхности кристаллической пленки Аl2О3. Образование в поверхностном слое α-твердых растворов Аl и алюминидов | Выдержка в смеси порошков ферроалюминия и Аl2O3 при 900—1000°С (6—8 ч) | Повышение горячей коррозиестойкости |
Разработаны процессы комплексного диффузионного легирования: хромалитирование (насыщение Сr и Аl), сульфоцианирование (S, С и N2), бороцианирование (В, С и N2), бороалитирование (В и Аl), хромомарганцевирование (Cr и Мn) и др.
Источник
Улучшение механических свойств стали
Достигается термической обработкой.
Нормализация(разновидность отжига) нагрев проката свыше 910°С — 930°С с последующим охлаждением на воздухе. Это приводит к уплотнению структуры стали и снятию внутренних напряжений. Нормализация, являясь простейшим видом термической обработки, стали, применяется довольно часто.
Закалказаключается в нагреве стали выше 910°С -930°С с последующим быстрым охлаждением. В зависимости от скорости охлаждения могут быть получены различные структуры – более или менее твердые и мелкозернистые.
Отпускзаключается в нагреве проката до t=723°С с последующим медленным охлаждением для получения более однородного и устойчивого структурного строения сплава. Различают высокий, средний и низкий отпуск.
При высоком отпуске(600 — 650°С) временное сопротивление стали снижается, а пластичность повышается.
Низкий отпуск (350 — 400°С) ухудшает показатели ударной вязкости. При благоприятных условиях углерод выделяется и располагается между зернами феррита, а также группируется у различных дефектов кристаллической решетки. Это приводит к повышению предела текучести и временного сопротивления и к уменьшению пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Эта перестройка структуры и изменение прочности и пластичности происходит в течение достаточно длительного времени, поэтому такое явление называется старением. Старению способствуют: а) механические воздействия и особенно развитие пластических деформаций (механическое старение); б) температурные колебания. Невысоким нагревом (до 150–200 °С) можно резко усилить процесс старения. При пластическом деформировании и последующем небольшом нагреве интенсивность старения резко повышается (искусственное старение). Поскольку старение понижает сопротивление динамическим воздействиям и хрупкому разрушению, оно рассматривается как явление отрицательное. Наиболее подвержены старению кипящие стали.
2.5 Виды производства стали, применяемой
в металлических конструкциях
Сталь, применяемая в металлических конструкциях, производится двумя способами: в мартеновских печах и конверторах с продувкой кислородом сверху. Стали мартеновского и кислородно-конверторного производства по своему качеству и механическим свойствам практически одинаковы. Однако производство кислородно-конверторной стали проще и дешевле, поэтому она начинает вытеснять мартеновскую.
Нераскисленные стали «кипят» при разливке в изложницы вследствие выделения газов: такая сталь носит название кипящей и оказывается более засоренной газами и менее однородной.
Механические свойства несколько изменяются по длине слитка ввиду неравномерного распределения химических элементов. Особенно это относится к головной части, которая получается наиболее рыхлой (вследствие усадки и наибольшего насыщения газами). Поэтому от слитка отрезают дефектную головную часть, составляющую примерно 5 % массы слитка. Кипящие стали, имея достаточно хорошие показатели по пределу текучести и временному сопротивлению, хуже сопротивляются хрупкому разрушению и старению.
Чтобы повысить качество малоуглеродистой стали, ее раскисляют добавками кремния или алюминия.
Раскисленные стали не кипят при разливке в изложницы, поэтому их называют спокойными. От головной части слитка спокойной стали отрезают часть, составляющую примерно 15 %. Спокойная сталь более однородна, лучше сваривается, лучше сопротивляется динамическим воздействиям и хрупкому разрушению.
Однако спокойные стали примерно на 12 % дороже кипящих, и выход годного проката ниже примерно на 10%, что заставляет ограничивать её применение.
Полуспокойная сталь по качеству является промежуточной между кипящей и спокойной. Она раскисляется меньшим количеством кремния, редко алюминием. От головной части слитка отрезается меньшая часть, равная примерно 8 % массы слитка. При прокате происходит обжатие металла, размельчение зерен и различное их ориентирование вдоль и поперек проката, что сказывается на механических свойствах металла. На свойства металла влияют также температура прокатки и последующее остывание. При окончании прокатки при заниженной температуре металл наклепывается. Это приводит к повышению временного сопротивления и предела текучести, но снижает пластические свойства и ударную вязкость. Значения предела текучести и временного сопротивления стали зависит от её толщины. С увеличением толщины проката сталь становится менее пластичной и предел текучести и временное сопротивление её уменьшается.
При столь многообразных факторах, влияющих на прочность стали, вполне естественно, что показатели прочности имеют определенное рассеивание.
На основании полученных статистических данных устанавливаются наименьшие значения механических свойств металла, которые записываются в соответствующие ГОСТы и по которым производится отбраковка металла на металлургических заводах. Стали с одинаковым химическим составом и механическими свойствами составляют одну марку стали.
В зависимости от механических свойств (предела текучести) все стали, применяемые для строительных конструкциях, в соответствии с СНиП 2-23-81* объединены в классы прочности (классы стали). Таких классов шестнадцать: С 235, С 245, С 255, С 275, С 285, С 345, С 345Т, С 345К, С 375, С 375, С 375Т, С 390, С 390К, С 440, С 590, С 590К (принятые обозначения: С — сталь, цифра – предел текучести стали, Т – термоупрочненная, К – повышенной коррозионной стойкости).
В зависимости от назначения и гарантируемых характеристик углеродистая сталь подразделяется на три группы:
группа А— гарантируются механические свойства;
группа Б — гарантируется химический состав;
группа В — гарантируются механические свойства и отдельные требования по химическому составу.
В строительных конструкциях применяется преимущественно сталь группы В, так как для обеспечения прочности необходима гарантия механических свойств, а для свариваемости и высокого качества стали требуется соблюдение норм по химическому составу. Для второстепенных нерасчетных элементов конструкций иногда применяется сталь группы Б. Сталь группы А в строительных конструкциях, как правило, не применяется.
В зависимости от нормируемых показателей стали всех групп подразделяют на 6 категорий(химический состав, Run, Ryn, изгиб в холодном состоянии, ударная вязкость при t=+20 °С и t=-20 °С, после механического старения). Обозначения марок углеродистой стали обыкновенного качества по ГОСТ 380-71 приняты буквенно-цифровыми. Буквы Ст означают слово «сталь», цифры 0, 1, 2, 3, 4 и .т, д. – условный порядковый номер марки в зависимости от химического состава стали и ее свойств. Для стали групп Б и В перед обозначением марки стали ставится буква Б или В. Степень раскисления стали обозначается индексами «сп» (спокойная), «пс» (полуспокойная) и «кп» (кипящая), добавляемыми к обозначению марки стали.
Для обозначения полуспокойной стали с повышенным содержанием марганца после номера марки ставят букву Г. Для обозначения категории стали в конце ставится ее номер (для первой категории номер не ставится). Например, обозначение ВСт3сп5 соответствует марке стали 3, спокойной, группы В, 5-й категории; обозначение ВСт3Гпс5 – марке стали 3 с повышенным содержанием марганца, полуспокойной, 5-й категории; обозначение Ст1кп — марке стали 1, кипящей, группы А, 1-й категории.
Наиболее распространенной в строительных металлических конструкциях является сталь марки СтЗ. Сталь 3 обладает достаточно высоким пределом текучести Ryn=23—24 кН/см 2 , пластична, хорошо сваривается, надежно работает при различных силовых воздействиях.
В целях унификации применения и упрощения заказа требуемой стали Нормами проектирования стальных конструкций (СНиП ll-23-81) предусмотрено применение в строительных конструкциях низкоуглеродистых сталей только следующих способов выплавки и категорий:
1)полуспокойной — 6-й категории (ВСтЗпс6) – 2-я группа прочности
2)спокойной и полуспокойной с повышенным содержанием марганца — 5-й категории, (ВСтЗсп5-1, ВСтЗГпс5);
3)кипящей — 2-й категории (ВСтЗкп2-1)- 1,2 группа прочности
В настоящее время поставляется сталь СтТпс и ВСтТсп с пределом текучести 29 кН/см 2 , получаемая на основе углеродистой стали путем термической обработки.
Обозначения марок низколегированных сталей построено по следующему принципу: первые цифры обозначают среднее количество углерода в сотых долях процента, буквы показывают наличие легирующих компонентов, цифры за буквами указывают количество легирующего компонента в целых процентах (цифра 1 обычно не проставляется); если легирующего компонента меньше 0,3%, то он в обозначение марки не вводится. Например, марка 10ХСНД обозначает сталь со средним содержанием углерода 0,1%, легированную хромом, кремнием, никелем и медью в количествах более 0,3% и менее 1%; сталь 14Г2 содержит в среднем 0,14 % углерода и до 2% марганца.
При применении литья в строительных конструкциях употребляется сталь для отливок или серый чугун для отливок.
Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 1513 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
