Общие требования, предъявляемые к конструкционным материалам
Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкций, подвергающиеся механическим нагрузкам. Детали машин и приборов характеризуются большим разнообразием форм, размеров, условий эксплуатации. Они работают при статических, циклических и ударных нагрузках, при низких и высоких температурах, в контакте с различными средами. Эти факторы определяют требования к конструкционным материалам, основные из которых—эксплуатационные, технологические и экономические.
Эксплуатационные требования имеют первостепенное значение. Для того чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, конструкционный материал должен иметь высокую конструкционную прочность.
Конструкционной прочностью называется комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.
Механические свойства, определяющие конструкционную прочность и выбор конструкционного материала. Требуемые характеристики механических свойств материала для конкретного изделия зависят не только от силовых факторов, но и воздействия на него рабочей среды и температуры.
Среда - жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная, в которой работает материал, оказывает существенное и преимущественно отрицательное влияние на его механические свойства, снижая работоспособность деталей. В частности, рабочая среда может вызывать повреждение поверхности вследствие коррозионного растрескивания, окисления и образования окалины, изменение химического состава поверхностного слоя в результате насыщения нежелательными элементами (например, водородом, вызывающим охрупчивание). Кроме того, возможны разбухание и местное разрушение материала в результате ионизационного и радиационного облучения. Для того чтобы противостоять рабочей среде, материал должен обладать не только механическими, но и определенными физико-химическими свойствами: стойкостью к электрохимической коррозии, жаростойкостью (окалиностойкостью — устойчивостью к химической коррозии), радиационной стойкостью, влагостойкостью, способностью работать в условиях вакуума и др.
Температурный диапазон работы современных материалов очень широк от 269 до 1000 °С, а в отдельных случаях до 2500°С. Для обеспечения работоспособности при высокой температуре от материала требуется жаропрочность, а при низкой температуре—хладостойкость.
В некоторых случаях важно также требование определенных магнитных, электрических, тепловых свойств, высокой стабильности размеров деталей (особенно высокоточных деталей приборов).
Технологические требования (технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки.
По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.
Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству. Стали обыкновенного качества содержат до 0,055% S и 0,045% Р, качественные - не более 0,04% S и 0,035% Р, высококачественные - не более 0,025% S и 0,025 % Р, особовысококачественные— не более 0,015% S и 0,025% Р.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.
Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
При классификации стали но структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: 1) доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; 2) эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; 3) аустенитные; 4) ферритные.
Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные — всех классов. Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества элементов Ni, Мп, расширяющих у-область; стали ферритного класса-при введении элементов Сг, Si, V, W и др., При определенном легировании возможны частичная перекристаллизация (а+± у) и образование сталей промежуточных классов - полуферритных и полуаустенитных.
По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.
Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита. При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.
Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью переохлажденного аустенита; при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса из-за повышенною количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0°С и сохраняют аустенит при температуре 20-25 °С. Распад аустенита в перлитной и промежуточной областях отсутствует.
Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях.
По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (σ~до 1000 МПа), повышенной прочности (σ~до 1500 МПа) и высокопрочные (σ ~ более 1500 МПа).
Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих дорогостоящие легирующие элементы, должно быть обосновано повышением свойств деталей. Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.
Таким образом, конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.