Конструкционные стали и сплавы

Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова,
А.Ф. Леонов, А.А. Устинова


            Конструкционные стали и
            сплавы





Москва





                znanium com





электронно-библиотечная система
Инфра-М

2016

    Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова,
      А.Ф. Леонов, А.А. Устинова


            Конструкционные стали и
            сплавы





                      Москва
               Инфра-М; Znanium.com

2016

Воробьева, Г.А.
     Конструкционные стали и сплавы: учеб. пособие / Г.А. Воробьева, Е.Е.
Складнова, А.Ф. Леонов, А.А. Устинова. - М.: Инфра-М; Znanium.com, 2016. -440 с.
ISBN 978-5-16-105096-5 (online)

ISBN 978-5-16-105096-5 (online)

© Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова,

А.Ф. Леонов, А.А. Устинова, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ




Введение................................................... 8

РАЗДЕЛ I. ОСНОВЫ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Глава 1. Кристаллическое строение металлов................ 11
     1.1. Общая характеристика металлов и сплавов......... 11
     1.2. Кристаллическое строение металлов............... 12
     1.3. Анизотропия свойств кристаллов.................. 16
     1.4. Дефекты строения кристаллических тел............ 17
Глава 2. Кристаллизация металлов.......................... 25
     2.1. Первичная кристаллизация металлов............... 25
     2.2. Строение металлического слитка.................. 30
     2.3. Полиморфные превращения......................... 31
Глава 3. Деформация и механические свойства металлов ..... 32
     3.1. Свойства металлов и сплавов..................... 32
     3.2. Упругая и пластическая деформация............... 33
     3.3. Хрупкое и вязкое разрушение..................... 36
     3.4. Деформация и разрушение металлов................ 37
     3.5. Наклеп и рекристаллизация....................... 42
Глава 4. Методы исследований и испытаний материалов......   49
     4.1. Металлографические методы исследования.......... 49
     4.2. Определение механических свойств................ 52
         4.2.1. Статические испытания..................... 53
         4.2.2. Динамические испытания.................... 59
         4.2.3. Усталостные испытания..................... 62
Глава 5. Основы теории сплавов............................ 64
     5.1. Характеристика основных фаз металлических сплавов 64
     5.2. Структура сплавов............................... 68
     5.3. Высокопрочное состояние......................... 70
     5.4. Диаграммы состояния двойных сплавов и характер изменения свойств в зависимости от состава сплавов..... 73
Глава 6. Диаграмма состояния системы железо—углерод......   82
     6.1. Компоненты и фазы в сплавах железо—углерод.....   82
     6.2. Диаграмма состояния системы железо—цементит....   86
Глава 7. Углеродистые стали............................... 92
     7.1. Классификация углеродистых сталей............... 92
     7.2. Влияние углерода на свойства стали ............. 94
     7.3. Влияние постоянных примесей на свойства сталей.   95

3

     7.4. Углеродистые конструкционные стали общего назначения (стали обыкновенного качества)........................ 97
     7.5. Углеродистые конструкционные качественные стали ...   98
     7.6. Автоматные стали (стали с улучшенной обрабатываемостью резанием)........................................... 100
     7.7. Углеродистые инструментальные стали................. 102
Глава 8. Чугуны............................................... 104
     8.1. Разновидности чугунов............................... 104
     8.2. Графитизация чугунов................................ 104
     8.3. Структура, свойства и применение чугунов............ 106
Глава 9. Термическая обработка стали....................... 112
     9.1. Общие сведения...................................... 112
     9.2. Классификация видов термической обработки стали ...  116
     9.3. Превращения в стали при нагреве..................... 118
     9.4. Диффузионные превращения аустенита при охлаждении стали ................................................... 122
     9.5. Мартенситное превращение аустенита.................. 127
     9.6. Промежуточное (бейнитное) превращение аустенита .... 130
     9.7. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении 132
     9.8. Превращения при отпуске............................. 134
     9.9. Термомеханическая обработка......................... 136
Глава 10. Технология термической обработки.................... 139
     10.1. Отжиг и нормализация............................... 139
     10.2. Закалка стали...................................... 146
          10.2.1. Закаливаемость и прокаливаемость стали.      149
          10.2.2. Способы закалки стали....................... 151
     10.3. Отпуск стали....................................... 153
Глава 11. Поверхностное упрочнение стальных изделий........... 156
     11.1. Упрочнение поверхности методом пластического дефо-мирования................................................ 156
     11.2. Поверхностная закалка.............................. 157
     11.3. Химико-термическая обработка стали................. 162
          11.3.1. Общие сведения.............................. 162
          11.3.2. Цементация стали............................ 163
          11.3.3. Азотирование стали.......................... 166
          11.3.4. Цианирование стали.......................... 168
          11.3.5. Диффузионное насыщение металлами (металлизация) и неметаллами................................ 169
Глава 12. Легированные стали.................................. 171
     12.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях и их свойства................................... 171

4

     12.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита........................................ 173
     12.3. Классификация легированных сталей............ 174
     12.4. Общие принципы обозначения конструкционных легированных сталей.................................... 175
     12.5. Конструкционные стали........................ 177
         12.5.1. Общая характеристика................... 177
         12.5.2. Низколегированные строительные стали..  179
         12.5.3. Стали для холодной штамповки........... 191
         12.5.4. Цементируемые и нитроцементируемые стали... 199
         12.5.5. Улучшаемые стали....................... 202
         12.5.6. Высокопрочные стали.................... 206
         12.5.7. Рессорно-пружинные стали............... 209
         12.5.8. Подшипниковые стали.................... 212
         12.5.9. Износостойкие стали.................... 213
         12.5.10. Судостроительные стали................ 214
Глава 13. Инструментальные стали и сплавы............... 243
     13.1. Общие положения.............................. 243
     13.2. Углеродистые стали........................... 245
     13.3. Легированные стали........................... 246
     13.4. Быстрорежущие стали.......................... 248
     13.5. Металлокерамические твердые сплавы .......... 255
     13.6. Штамповые стали.............................. 260
         13.6.1. Стали для штампов холодного деформирования... 260
         13.6.2. Стали для штампов горячего деформирования... 263
Глава 14. Коррозионно-стойкие стали и сплавы ........... 265
     14.1. Общие сведения............................... 265
     14.2. Виды электрохимической коррозии.............. 267
     14.3. Коррзионно-стойкие стали..................... 271
         14.3.1. Хромистые коррозионно-стойкие стали...  272
         14.3.2. Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали... 273
         14.3.3. Хромистые стали, легированные азотом..  276
Глава 15. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.....   283
     15.1. Жаростойкие стали............................ 283
     15.2. Критерии жаропрочности.................ₜ....   284
     15.3. Факторы, влияющие на жаропрочность........... 285
     15.4. Жаропрочные стали и сплавы................... 287

РАЗДЕЛ II. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Глава 16. Алюминий и его сплавы......................... 298
     16.1. Общие сведения............................... 298
     16.2. Классификация алюминиевых сплавов............ 298
     16.3. Деформируемые алюминиевые сплавы............. 299
     16.4. Литейные алюминиевые сплавы.................. 310

5

Глава 17. Титан и его сплавы............................. 314
     17.1. Свойства титана............................... 314
     17.2. Фазовые превращения в титановых сплавах....... 315
     17.3. Термическая обработка титановых сплавов....... 316
     17.4. Титановые сплавы.............................. 318
Глава 18. Магний и его сплавы............................ 322
     18.1. Основные свойства магния...................... 322
     18.2. Классификация и характеристика магниевых сплавов... 322
     18.3. Деформируемые магниевые сплавы................ 326
     18.4. Ли'гейные магниевые сплавы.................... 328
     18.5. Применение магниевых сплавов.................. 329
Глава 19. Медь и ее сплавы............................... 330
     19.1. Основные свойства меди ,...................... 330
     19.2. Сплавы меди с цинком (латуни)................. 333
     19.3. Бронзы........................................ 337
Глава 20. Аморфные и нанокристаллические материалы....... 341
     20.1. Аморфные сплавы............................... 341
     20.2. Нанокристаллические материалы................. 344

РАЗДЕЛ III. АЭРОТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Глава 21. Технологии аэротермоакустической обработки..... 352
     21.1. Экспериментальные данные о влиянии АТАО на структуру и свойства технического железа................. 355
     21.2. Влияние АТАО на механические свойства конструкционных сталей........................................ 359
     21.3. Формирование структуры и свойств чугунов при АТАО.. 365
          21.3.1. Влияние АТАО на свойства серых чугунов. 365
          21.3.2. Влияние АТАО на структуру и свойства ковких чугунов......................................... 369
     21.4. Алюминиевые и титановые сплавы, влияние АТАО на их свойства......................................... 373
         21.4.1. Литейные алюминиевые сплавы............. 373
         21.4.2. Деформируемые алюминиевые сплавы........ 379
         21.4.3. Титановые сплавы........................ 383

         РАЗДЕЛ IV. ИНЖЕНЕРИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ
Глава 22. Технологии обработки поверхности чугунов, сталей и сплавов .............................................   387
     22.1. Лазерная и плазменная закалка................. 387
          22.1.1. Лазерная закалка углеродистых и легированных инструментальных сталей......................... 389

6

          22.1.2. Термическая обработка плазмой (плазменная закалка) ......................................... 391
     22.2. Лазерная и плазменная химико-термическая обработка.... 393
          22.2.1. Лазерное легирование и азотирование конструкционных сталей.................................. 393
          22.2.2. Лазерное легирование с использованием традиционных методов химико-термической обработки...   396
     22.3. Ионно-вакуумное азотирование и нитроцементация... 397
     22.4. Лазерная обработка покрытий, полученных методами химического или физического осаждения................ 400
     22.5. Многофункциональные тонкопленочные покрытия, наноструктурные защитные износо- и коррозионно-стойкие покрытия............................................. 401
Глава 23. Технологии обработки поверхности сплавов на основе алюминия и титана......................................... 405
     23.1. Поверхностная закалка титановых и алюминиевых сплавов    405
     23.2. Лазерная химико-термическая обработка титановых и алюминиевых сплавов................................ 406
Приложение 1. Принципы обозначения сталей и сплавов по евронормам (EU)............................................. 413
     Маркировка сталей по признаку физических, механических свойств или химического состава...................... 414
     Маркировка с использованием порядковых номеров......   419
     Системы маркировки сталей в США...................... 419
          Система обозначений AISI........................ 422
          Система обозначений ASTM........................ 424
     Системы маркировки сталей во Франции................. 425
     Системы маркировки сталей во Германии................ 427
     Системы маркировки сталей в Японии................... 429
     Сравнительный перечень некоторых марок углеродистых сталей общего назначения и коррозионно-стойких сталей и их свойств по российским и зарубежным стандартам................ 430
Приложение 2.............................................. 433
     Относительные цены на стальной прокат................ 433
     Оценка экономической целесообразности использования некоторых легированных сталей.......................... 434
Список литературы......................................... 436

    ВВЕДЕНИЕ


  Материаловедение — наука, изучающая взаимосвязи между составом, строением и свойствами металлов, сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов, занимающаяся разработкой новых высокоэффективных материалов, применение которых является важнейшим фактором развития мировой индустрии. Развитие технологии машиностроения и многих других отраслей промышленности в значительной степени зависит от прогресса материаловедения. Производство новых материалов и технологий позволяет не только уменьшить массу машин и конструкций, но и создавать новые, не имеющие аналогов механизмы. С прогрессом материаловедения развиваются и традиционные отрасли промышленности, и такие новые области техники, как ракетостроение, авиация, космическая техника, энергетика. Условием производства высококачественных и долговечных изделий является выбор материала, соответствующего назначению и нагрузкам, возникающим при его работе.
  Материал изделия целесообразно рассматривать как интегральное понятие, объединяющее в себе вещество, технологию его получения, конструкцию, технологии ее изготовления и обработки. Долговечность изделия зависит не только от свойств материала, определяемых технологиями изготовления и объемного упрочнения, но и в значительной степени от свойств поверхности. Ее роль в обеспечении эксплуатационных свойств изделий постоянно возрастает, что способствовало наряду с широким использованием традиционных методов химико-термической обработки появлению и развитию нового направления — инженерии поверхности методами энергетического и физико-химического воздействия. Реализация этой концепции при выборе материала позволит улучшить эксплуатационные свойства изделий и в ряде случаев снизить расход дорогостоящих материалов. Надежный метод упрочнения поверхностного слоя может дать сопоставимые результаты только при стабильном качестве поверхности, в том числе ее очистки. Состояние поверхности детали (инструмента) зависит от структуры основного материала и всех условий его изготовления, но особенно от последней операции его производства или обработки.
  Термическая обработка изделий в вакуумных печах не только повышает механические свойства при объемном

8

упрочнении, но и улучшает качество поверхности, в дальнейшем позволяющее получать необходимые свойства поверхностно упрочненных слоев. Лучшей подготовкой поверхностных слоев и сердцевины изделий, особенно из порошковых сталей, для последующего поверхностного упрочнения является вакуумная закалка. Для получения гарантированных, необходимых эксплуатационных свойств изделий целесообразно создавать специализированные предприятия, осуществляющие в полностью автоматизированном режиме все виды объемной и поверхностной термической и химикотермической обработок (вакуумный отжиг, упрочнение и отпуск в вакууме и атмосфере защитных газов, насыщение поверхности углеродом, азотом, углеродом и азотом), а также упрочнение поверхности с использованием высококонцентрированных источников энергии (плазменные и лазерные технологии). Это обеспечило бы высокое качество на каждом этапе технологического процесса, что позволит отказаться от контроля готовых изделий, более полную загрузку оборудования и, следовательно, снижение стоимости обработки материалов.
  Технологические процессы используются как на стадии производства и разливки материалов (электрошлаковый переплав, импульсная переменно-градиентная кристаллизация, порошковая металлургия и др.), производства заготовок и инструмента (изотермическая штамповка в условиях сверхпластичности, термомеханическая обработка, литейные технологии, экструзия), так и на стадии объемного (термоциклическая, вакуумная термическая, аэротермоакустиче-ская и другие виды обработки) и поверхностного (ионное азотирование, лазерная и плазменная закалка, лазерное и плазменное легирование и наплавка, формирование на поверхности инструмента специальных многофункциональных тонкопленочных структур, алмазных и алмазоподобных пленочных покрытий, аморфного тонкопленочного покрытия методом финишного плазменного упрочнения, получение нанокристаллических структур в поверхностных слоях материала) упрочнения.
  Наиболее перспективными методами упрочнения, позволяющими радикально улучшить свойства изделий и инструмента, являются комбинированные методы: объемная закалка в сочетании с лазерным легированием и последующей лазерной закалкой (ЛЗ); нанесение тонких поверхностных

9