Э_Г_Бабенко конструкционные материалы
.pdfПри решении требуется выполнить следующее.
1.Выбрать и обосновать наиболее рациональный вид термической или химико-термической обработки, дающий возможность получения требуемой твердости материала заданной детали. Изложить его сущность.
2.Подробно изложить основные этапы технологического процесса обработки:
– выбрать и обосновать необходимую температуру нагрева;
– назначить время выдержки;
– выбрать и обосновать охлаждающую среду.
3.Начертить необходимый участок диаграммы железо–цементит и нанести на нем ординату сплава заданного изделия. На ординате отметить температуры нагрева для соответствующих этапов принятого технологического процесса термообработки.
4.Начертить график разработанного технологического процесса термообработки в координатах температура–время. Масштаб времени допускается принимать условно.
5.Описать структурные превращения, происходящие в обрабатываемой стали на каждом этапе технологического процесса.
181
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вначале XXI в. наблюдается тенденция повышения уровня требований
кматериалам, в том числе и используемым на железнодорожном транспорте. Это обусловлено повышением скоростей движения, необходимостью обеспечения высокой надежности узлов и агрегатов, реализацией требований экологической безопасности и т. д.
Для развития и совершенствования транспортных средств требуется существенное повышение физико-химических, технологических, эксплуатационных свойств; значительное снижение стоимости применяемых материалов. При этом не следует забывать, что направления технического и экономического развития должны определяться не только сегодняшними потребностями, но и стоять в прямой зависимости от тех реальных возможностей, которые предоставляет наша планета. Необходимо исходить из того, что только однажды дано нам природой. И хотя отношения между ней и человеком пока еще очень далеки от гармоничных, к ним следует стремиться. В этом наша надежда на будущее, на выживание человеческого сообщества.
Для решения отмеченных проблем выпускникам высших учебных заведений необходимы глубокие знания о конструкционных материалах, их структурах и свойствах, о прогрессивных технологиях обработки и упрочнения.
Вучебном пособии приведены основные сведения о распространенных на железнодорожном транспорте конструкционных и инструментальных материалах, о взаимодействии системы состав материала–структура– свойства–технология, областей их использования. Освоение изложенных сведений дает возможность будущим инженерам и научным работникам квалифицированно решать задачи по повышению ресурса технических устройств за счет наиболее рационального использования свойств конструкционных материалов.
182
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
ЕВРОПЕЙСКАЯ СИСТЕМА ОБОЗНАЧЕНИЯ СТАЛЕЙ
Стандарт EN 10027 регламентирует систему обозначения сталей, которая состоит из двух частей:
–часть 1 – определяет порядок наименований (присвоения сталям бу- квенно-цифровых обозначений);
–часть 2 – правила присвоения сталям порядковых номеров.
Наименования сталей
Согласно части 1 стандарта EN 10027 стали по порядку присвоения им наименований подразделяются на две группы:
–стали, наименования которых определяются их назначением и физическими или механическими свойствами;
–стали, наименования которых определяются их химическим составом. Первая группа. Наименования состоят из одной или более букв, ука-
зывающих на назначение стали, и последующих цифр, обозначающих свойства (табл. 1.1). За цифрами могут следовать символы, определяющие состояние поставки стали и ее назначение.
Таблица 1.1
Первая группа сталей по стандарту EN 10027
Наименова- |
Свойство, |
|
|
|
Дополнительные символы |
||
ние стали |
|
|
|
||||
обозначаемое |
|
|
|
|
|
||
(начальная |
|
Первая подгруппа |
Вторая подгруппа |
||||
буква) |
цифрами |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
||
Конструкцион- |
Например: |
Работа разру- |
Темпе- |
С – с повышенной пластичностью в |
|||
ные стали: |
S355JO |
шения при ударе |
ратура |
холодном состоянии; |
|||
S; |
Cвойство: |
|
|
|
|
D – для нанесения покрытий в |
|
27 |
40 |
60 |
°С |
||||
G – стальное |
минимальный |
Дж |
Дж |
Дж |
|
горячем состоянии; |
|
литье (ста- |
предел теку- |
|
|
|
|
Е – для эмалирования; |
|
JR |
KR |
LR |
+20 |
||||
вится в нача- |
чести Re, |
F – для ковки и штамповки; |
|||||
JO |
KO |
LO |
0 |
||||
ле, если не- |
Н/мм2 (три |
L – для работы при низких температу- |
|||||
обходимо) |
цифры) |
J2 |
K2 |
L2 |
–20 |
рах; |
|
J3 |
K3 |
L3 |
–30 |
||||
|
|
М – термомеханически упрочненная; |
|||||
|
|
J4 |
K4 |
L4 |
–40 |
||
|
|
N – нормализованная; |
|||||
|
|
J5 |
K5 |
L5 |
–50 |
||
|
|
О – для шельфовых конструкций; |
|||||
|
|
J6 |
K6 |
L6 |
–60 |
||
|
|
Q – термообработанная; |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
S – для судостроения; |
|
|
|
|
|
|
|
Т – для труб; |
|
|
|
|
|
|
|
W – стойкая к атмосферной коррозии; |
|
|
|
|
|
|
|
G – другие качества (если необходи- |
|
|
|
|
|
|
|
мо) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
|
|
|
|
|
183
|
|
Продолжение прил. 1 |
||
|
|
Продолжение табл. 1.1 |
||
|
|
|
|
|
Наименование |
Свойство, |
Дополнительные символы |
||
стали |
|
|
||
обозначаемое |
|
|
||
(начальная |
|
Вторая |
||
цифрами |
Первая подгруппа |
|||
буква) |
подгруппа |
|||
|
|
|||
|
|
|
|
|
Стали для кот- |
Например: Р265В |
М – термомеханически упрочненная; |
Н – высокая |
|
лов и сосудов |
Свойство: минималь- |
N – нормализованная; |
температура; |
|
высокого дав- |
ный предел текучести |
Q – термообработанная; |
L – низкая тем- |
|
ления: |
Re, Н/мм2 (три цифры) |
В – баллоны со сжатым газом; |
пература; |
|
Р; |
|
S – обычные сосуды под давлением; |
R – комнатная |
|
G – стальное |
|
G – другие качества, (при необходи- |
температура |
|
литье (ставится |
|
мости) с одной или двумя цифрами |
|
|
вначале, если |
|
|
|
|
необходимо) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Стали для |
Например: L360Q |
М – термомеханически упрочненная; |
Буква и цифра, |
|
трубопроводов: |
Свойство: минималь- |
N – нормализованная; |
если необходи- |
|
L |
ный предел текучести |
Q – термообработанная; |
мо |
|
|
Re, Н/мм2 (три цифры) |
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
|
|
сти) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
|
|
|
|
Стали для ма- |
Например: Е 295 |
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
шиностроения: |
Свойство: минималь- |
сти) с одной или двумя цифрами |
– |
|
Е |
ный предел текучести |
|
|
|
|
Re, Н/мм2 (три цифры) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Арматурные |
Например: В 500 N |
N – нормальной вытяжки; |
|
|
стали: |
Свойство: минималь- |
Н – высокой вытяжки; |
– |
|
В |
ный предел текучести |
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
|
Re, Н/мм2 (три цифры) |
сти) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
|
|
|
|
Стали для |
Например: Y1770 C |
С– холоднотянутая проволока; |
|
|
предваритель- |
Свойство: минималь- |
Н – горячекатаные или предваритель- |
|
|
но напряжен- |
ное временное сопро- |
но напряженные прутки; |
|
|
ных конструк- |
тивление Rm, Н/мм2 |
Q – термообработанная проволока; |
– |
|
ций: |
(четыре цифры) |
S – тонкий трос; |
|
|
Y |
|
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
|
|
сти) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
|
|
|
|
Рельсовые |
Например: R0880Mn |
Mn – высокое содержание марганца; |
Q – термообра- |
|
стали: |
Свойство: минималь- |
Cr – легированная хромом; |
ботанная про- |
|
R |
ное временное сопро- |
G – другие качества (при необходи- |
волока |
|
|
тивление Rm, Н/мм2 |
мости) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
(четыре цифры, воз- |
|
|
|
|
можен ноль впереди) |
|
|
|
|
|
|
|
184
|
|
Продолжение прил. 1 |
||
|
|
Окончание табл. 1.1 |
||
|
|
|
|
|
Наименование |
|
Дополнительные символы |
|
|
стали |
Свойство, обозначаемое |
|
||
|
|
|
||
(начальная |
цифрами |
Первая подгруппа |
|
Вторая |
буква) |
|
|
подгруппа |
|
|
|
|
||
Холоднокатаный |
Например: Н420М |
М – термомеханически упрочненная; |
|
|
листовой прокат |
Свойство: минимальный |
В – закаленная в печи; |
|
|
из высокопроч- |
предел текучести Re, |
Р – легированная фосфором; |
|
|
ных сталей для |
Н/мм2 (три цифры); |
Х – двухфазная; |
|
– |
холодной штам- |
НТ 510 В |
Y – с малым содержанием элементов |
|
|
повки: |
Свойство: минимальное |
внедрения (С и N) ; |
|
|
Н – если уста- |
временное сопротивле- |
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
новлен предел |
ние Rm, Н/мм2 (три |
сти) с одной или двумя цифрами |
|
|
текучести; |
цифры) |
|
|
|
НТ – если уста- |
|
|
|
|
новлено времен- |
|
|
|
|
ное сопротивле- |
|
|
|
|
ние |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Листовой прокат |
Например: DC12EK |
D – для нанесения покрытий в горя- |
|
|
для холодной |
Свойство: |
чем состоянии; |
|
|
штамповки: |
С – холоднокатаный; |
ЕК – для эмалирования; |
|
|
D |
D – горячекатаный; |
DK – для безгрунтового эмалирования; |
|
– |
|
Х – состояние проката |
G – другие качества (при необходимо- |
|
|
|
(две буквы или цифры) |
сти) с одной или двумя цифрами |
|
|
|
|
|
|
|
Электротехниче- |
Например: М400-50А |
Для магнитной индукции от 1,5 Тл (при |
|
|
ские стали: |
Свойство: предельно |
50 Гц): |
|
|
М |
допустимые потери на |
А – с неориентированным зерном; |
|
|
|
перемагничивание, |
D – нелегированные, без заключи- |
|
|
|
Вт/кг, в сотых долях (три |
тельного отжига; |
|
|
|
цифры) |
Е – легированные, без заключитель- |
|
|
|
|
ного отжига; |
|
_ |
|
|
N – с нормальными потерями на пе- |
|
|
|
|
ремагничивание. |
|
|
|
|
Для магнитной индукции от 1,7 Тл (при |
|
|
|
|
50 Гц): |
|
|
|
|
S – с ориентированным зерном и ог- |
|
|
|
|
раниченными потерями на перемагни- |
|
|
|
|
чивание; |
|
|
|
|
Р – с ориентированным зерном и низ- |
|
|
|
|
кими потерями на перемагничивание |
|
|
|
|
|
|
|
Расшифровка примеров марок сталей, приведенных в табл. 1.1:
S 355 JO – конструкционная сталь с минимальным пределом текучести 355 Н/мм2 и работой разрушения при ударе 27 Дж, измеренной при температуре 0 °С;
Р 265 В – сталь для баллонов со сжатым газом и минимальным пределом текучести 265 Н /м2;
L 360 Q – сталь для магистральных трубопроводов, термообработанная, с минимальным пределом текучести 360 Н/мм2;
185
Продолжение прил. 1
Е 295 – машиностроительная сталь с минимальным пределом текучести 295 Н/мм2;
В 500 N – арматурная сталь с пределом текучести 500 Н/мм2 нормальной вытяжки;
Y 1770 C – холоднотянутая проволока из стали для предварительно напряженных конструкций с минимальным временным сопротивлением
1770 Н/мм2;
R 0880 Mn – рельсовая сталь с высоким содержанием марганца и минимальным временным сопротивлением 880 Н/мм2;
Н 420 М – листовая высокопрочная сталь для холодной штамповки,
термомеханически упрочненная и с минимальным пределом текучести
420 Н/мм2;
НТ 510 В – листовая высокопрочная сталь для холодной штамповки, закаленная в печи с минимальным временным сопротивлением 510 Н/мм2; DC12 EK – холоднокатаная листовая сталь для холодной штамповки,
для эмалирования; М 400-50 А – электротехническая сталь с предельно допустимыми по-
терями на перемагничивание 4 Вт/кг для магнитной индукции от 1,5 Тл при частоте 50 Гц с неориентированным зерном.
Вторая группа. В эту группу включены стали, наименования которых определяются их химическим составом. Группа 2 разделена на подгруппы в зависимости от назначения и содержания легирующих элементов
(табл. 1.2).
Таблица 1.2
Вторая группа сталей по стандарту EN 10027
Наименование стали |
Свойство, |
|
|
обозначаемое |
Дополнительные символы |
||
(начальная буква) |
|||
цифрами |
|
||
|
|
||
|
|
|
|
Нелегированные стали |
Например: |
Е – заданное максимальное содержание серы в сотых |
|
со средним содержани- |
С 35 Е 4 |
долях; |
|
ем Mn<1% (кроме авто- |
Первое число – |
R – заданный интервал содержания серы в сотых до- |
|
матных): |
среднее содер- |
лях; |
|
С; |
жание углерода в |
D – для тянутой проволоки; |
|
G – стальное литье (при |
сотых долях про- |
С – с повышенной пластичностью; |
|
необходимости ставится |
цента |
S – пружинная; |
|
впереди) |
|
Т – инструментальная; |
|
|
|
W – для сварочной проволоки; |
|
|
|
G – другие качества (при необходимости) с одной или |
|
|
|
двумя цифрами |
|
|
|
|
186
|
|
Продолжение прил. 1 |
||
|
|
Окончание табл. 1.2 |
||
|
|
|
|
|
Наименование стали |
Свойство, |
|
|
|
обозначаемое |
Дополнительные символы |
|||
(начальная буква) |
||||
цифрами |
|
|
||
|
|
|
||
Нелегированные стали с |
|
Легирующие элементы: |
|
|
содержанием |
Например: |
буквы – символы химических элементов; |
||
Mn> 1%, нелегирован- |
13 Cr Mo 4–5 |
цифры – отделенные тире, соответствуют среднему |
||
ные автоматные стали, |
Первое число – |
содержанию элемента, умноженному на следующие |
||
легированные стали |
среднее содержа- |
коэффициенты |
|
|
(кроме быстрорежущих) |
ние углерода в со- |
|
|
|
с содержанием каждого |
тых долях процента |
|
|
|
легирующего элемента |
(до трех цифр) |
Элемент |
Коэффициент |
|
до 5%: |
|
|
|
|
|
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W |
4 |
||
без буквы; |
|
|||
G – стальное литье (при |
|
|
|
|
|
Al, Be,Cu, Mo, Nb, Pb, Ti, Ta, V, Zr |
10 |
||
необходимости ставится |
|
|||
|
|
|
||
впереди) |
|
Ge, N, P, S |
100 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
B |
1000 |
|
|
|
|
|
|
Легированные стали |
|
|
|
|
(кроме быстрорежущих) |
Например: |
Легирующие элементы: |
|
|
со средним содержани- |
Х5 Cr Ni 18–10 |
буквы – символы химических элементов, выстроен- |
||
ем по меньшей мере |
Первое число – |
ные по убыванию их содержания (при одинаковом |
||
одного легирующего |
среднее содержа- |
содержании – в алфавитном порядке); |
||
элемента более 5%: |
ние углерода в со- |
цифры – соответствуют среднему содержанию эле- |
||
Х; |
тых долях процента |
мента ( отделены тире). |
|
|
G – стальное литье (при |
(до трех цифр) |
|
|
|
необходимости ставится |
|
|
|
|
впереди) |
|
|
|
|
|
Например: |
|
|
|
Быстрорежущие стали: |
HS 2–9–1–8 |
Дополнительные символы не предусмотрены |
||
HS |
Числа, отделенные |
|
|
|
|
тире – содержания |
|
|
|
|
легирующих эле- |
|
|
|
|
ментов в следую- |
|
|
|
|
щем порядке: |
|
|
|
|
W–Mo–V–Co |
|
|
|
|
|
|
|
Расшифровка примеров марок сталей, приведенных в табл. 1.2:
С 35 Е 4 – нелегированная сталь со средним содержанием углерода 0,35 % и содержанием марганца менее 1 %. Максимальное содержание серы 0,04 %;
13 Cr Mo 4-5 – нелегированная сталь со средним содержанием: углерода 0,13 %; хрома 1 %; молибдена 0,5 % и марганца более 1 %;
Х5 Cr Ni 18-10 – легированная сталь со средним содержанием: углеро-
да 0,05 %; хрома 18,0 %; никеля 10,0 %;
HS 2-9-1-8 – быстрорежущая сталь со средним содержанием: углерода 0,9…1,0 %; вольфрама 2,0 %; молибдена 9,0 %; ванадия 1,0 %; кобальта
8,0 %.
187
Окончание прил. 1
Порядковые номера
Европейский стандарт EN 10027 (часть 2) устанавливает следующую систему присвоения сталям порядковых номеров. Номер стали представляется в виде 1.ХХХХ, где цифра 1. показывает, что данный материал относится к сталям. В дальнейшем при расширении принятой системы нумерации предполагается использовать последующие цифры для обозначения других материалов (например, в немецкой системе нумерации, являющейся прообразом Европейской, символ О. используется для обозначения чугунов, 2. – для обозначения жаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта, 3. – для обозначения цветных металлов и сплавов). Следующие две цифры после 1. определяют номер группы сталей, а две последние – порядковый номер стали в группе, по которому можно определить, к какому типу относится та или иная сталь.
В табл. 1.3 показаны интервалы номеров, используемых для различных типов сталей. Более подробная классификация приведена непосредственно в стандарте EN 10027 (часть 2).
Таблица 1.3
Нумерация сталей по стандарту EN 10027
|
Стали |
Порядковые |
||
|
номера |
|||
|
|
|||
|
|
|
||
|
Обыкновенного качества |
1.00ХХ |
||
|
|
|
|
|
Нелегированные |
Качественные |
1.01ХХ – |
1.09ХХ |
|
|
|
|
||
Высококачественные |
1.10ХХ – |
1.13ХХ |
||
|
||||
|
|
|
|
|
|
Инструментальные |
1.15ХХ – |
1.18ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Инструментальные |
1.20 ХХ – |
1.28 ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Быстрорежущие |
1.32 ХХ – |
1.33 ХХ |
|
|
|
|
||
|
Износостойкие |
1.34 ХХ |
||
|
|
|
||
|
Подшипниковые |
1.35 ХХ |
||
|
|
|
|
|
Легированные |
Материалы со специальными свойствами |
1.36 ХХ – |
1.39 ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Коррозионно-стойкие |
1.40 ХХ – |
1.45 ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Жаростойкие и жаропрочные |
1.46 ХХ – |
1.49 ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Высококачественные конструкционные |
1.50 ХХ – |
1.85 ХХ |
|
|
|
|
|
|
|
Свариваемые высококачественные |
1.87 ХХ – |
1.89 ХХ |
|
|
|
|
|
188
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
СИСТЕМЫ МАРКИРОВКИ СТАЛЕЙ В США
В США используется несколько систем обозначения сплавов, связанных с существующими организациями по стандартизации, из которых наиболее известными являются:
AISI – Американский институт чугуна и стали; ACI – Американский институт литья;
ANSI – Американский национальный институт стандартизации; AMS – Спецификация аэрокосмических материалов
ASME – Американское общество инженеров-механиков; ASTM – Американское общество испытания материалов; AWS – Американское общество сварщиков;
SAE – Общество инженеров-автомобилистов.
Использование различными организациями той или иной системы обозначений регламентируется их историческим развитием и развитием конкретных отраслей промышленности. Наиболее популярными из систем являются: AISI, ASTM и универсальная UNS.
Система обозначений AISI
Углеродистые и легированные стали обозначаются четырьмя цифрами: первые две показывают номер группы, а две последние – среднее содержание углерода в сотых долях процента (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Обозначения углеродистых и легированных сталей в системе AISI
Обозначение |
Группа сталей |
|
|
|
Углеродистые стали |
10 ХХ |
Нересульфированные: Mn < 1 % |
11 ХХ |
Ресульфированные |
12 ХХ |
Рефосфорированные и ресульфированные |
15 ХХ |
Нересульфинированные: Mn > 1 % |
|
Легированные стали |
13 ХХ |
1,75 % Mn |
40 ХХ |
0,2; 0,25 % Mo или 0,25 % Mo и 0,042 % S |
41 ХХ |
0,50; 0,80 или 0,95 % Cr и 0,12; 0,20 или 0,30 % Mo |
43 ХХ |
1,83 % Ni; 0,50…0,80 % Cr; 0,25 % Mo |
46 ХХ |
0,85 или 1,83 % Ni и 0,20 или 0,25 % Mo |
47 ХХ |
1,05 % Ni; 0,45 % Cr и 0,20 или 0,35 % Mo |
189
|
Продолжение прил. 2 |
|
Окончание табл. 2.1 |
|
|
Обозначение |
Группа сталей |
|
|
48 ХХ |
3,50 % Ni и 0,25 % Mo |
51 ХХ |
0,80; 0,88; 0,93; 0,95 или 1,00 % Cr |
51 ХХХ |
1,03 % Cr |
52 ХХХ |
1,45 % Cr |
61 ХХ |
0,60 или 0,95 % Cr и 0,13 % min или 0,15 % min V |
86 ХХ |
0,55 % Ni; 0,50 % Cr и 0,20 % Mo |
87 ХХ |
0,55 % Ni; 0,50 % Cr и 0,25 % Mo |
88 ХХ |
0,55 % Ni; 0,50 % Cr и 0,35 % Mo |
92 ХХ |
2,00 % Si или 1,40 % Si и 0,70 % Cr |
50 ВХХ |
0,28 или 0,50 % Cr |
51 ВХХ |
0,80 % Cr |
81 ВХХ |
0,30 % Ni; 0,45 % Cr и 0,12 % Mo |
94 ВХХ |
0,45 % Ni; 0,40 % Cr и 0,12 % Mo |
Примеры обозначения сталей:
1045 – сталь относится к группе 10 ХХ качественных конструкционных нересульфинированных с содержанием углерода 0,45 % и марганца менее
1 %;
4032 – легированная сталь (группа 40 ХХ) со средним содержанием: углерода 0,32 % и 0,2 или 0,25 % молибдена;
8625 – легированная сталь (группа 86 ХХ) со средним содержанием: углерода 0,25 %; 0,55 % никеля; 0,5 % хрома и 0,2 % молибдена.
Кроме четырех цифр, в наименованиях сталей могут встречаться и буквы. Буквы В и L означают, что сталь легирована соответственно бором (0,0005…0,03 %) или свинцом (0,15…0,35 %). Буквы ставятся между второй и третьей цифрой обозначения, например, 51 В 60 или 15 L 48. Буквы М и Е ставятся впереди наименования стали и означают, что сталь предназначена для производства неответственного сортового проката (буква М) или выплавлена в электропечи (буква Е). В конце наименования может присутствовать буква Н, означающая, что сталь имеет высокую прокаливаемость.
Коррозионно-стойкие стали обозначаются тремя цифрами и следующими за ними одной, двумя или более буквами. Первая цифра показывает класс стали. Так, например, аустенитные коррозионно-стойкие стали начинаются с цифр 2 ХХ и 3 ХХ, а ферритные или мартенситные – 4 ХХ. Последние две цифры определяют порядковый номер стали в группе.
190