Химический состав и основные свойства стали

Применение стали для изготовления поковок на де­тали машин определяется комплексом ее механических, физических и технологических свойств, которые изме­няются в зависимости от химического состава стали.

Сталью называют сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами.

В стали есть постоянные примеси, неизбежно остаю­щиеся в процессе плавки. К ним относятся кремний, марганец, сера и фосфор. Кроме этого, в сталь добавляют так называемые легирующие элементы для изменения механических, физических и технологических свойств ее в желаемом направлении (делают прочнее или умень­шают прочность, делают тверже или мягче и т. п.). Такими элементами являются кремний и марганец (добавляемые в сталь сверх неизбежно остающихся в процессе плавки), никель, хром, молибден, ванадий, вольфрам, кобальт и др.

Механические свойства металлов. Прочность — свойство стали (металла) оказывать сопротивление раз­рушению от действия внешних сил. Чем прочнее металл, тем большую нагрузку он выдерживает при тех же раз­мерах детали.

Внешние силы могут по-разному действовать на ме­талл — растягивать его, сжимать, изгибать, скручивать, срезать, сминать. Это зависит от направления сил, дей­ствующих на металл.

Прочность характеризуется механическим напряже­нием о, которое определяется отношением силы к еди­нице площади:

o=FIS,                    (2.1)

где F — сила, Н; S — площадь, м². Напряжение изме ряется в Паскалях—Па (Н/м²) или МПа (Н/мм²). На­пряжение, при котором образец из металла (деталь), нагружаемый растягивающей силой, разрушается, на­зывают временным сопротивлением и обозначают о'ц.

Напряжение, при котором происходит удлинение об­разца из металла (детали) без заметного увеличения растя­гивающей силы, называют пределом текучести (металл удлиняется при растяжении при .постоянной силе—те­чет) и обозначают От.

Пластичность (вязкость, тягучесть) — свой­ство изделий из металла под действием внешней силы изменять свою форму без разрушения.

Основным показателем пластичности является отно­сительное удлинение (укорочение) 6, при растяжении (сжатии) материала выраженное в процентах, т. е.

6 = (^ - У 100//0,                  (2.2)

где /о — длина образца до нагружения, мм; /р — длина образца после нагружения, мм.

Относительное удлинение является не только показа­телем пластичности, но и показателем степени ковкости металла. Стали, имеющие относительное удлинение 35 ... 40%, хорошо куются и штампуются в холодном состоянии, т. е. имеют весьма высокую степень ковкости, а стали с относительным удлинением 10 ... 15% обладают низкой степенью ковкости. Значит, чем больше относи­тельное удлинение, тем пластичнее металл, тем лучше он будет коваться.

Упругость — свойство изделий из стали изме­нять свою форму без разрушения от действия внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил.

Твердость — сопротивление -металлав, вдавлива­нию или царапанию. Обозначают твердость буквой Н с добавлением справа первой буквы фамилии автора метода, буквы, обозначающей форму вдавливаемой фи­гуры, т. е. В — стальной шарик, С — алмазный конус и др., и числа, означающего твердость в безразмерных единицах. Различные способы определения твердости рег­ламентируются стандартами. Примеры обозначения, пре­делы для черных металлов и стандарты на методы опреде­ления твердости следующие: НВ 140 ... 450—твердость по методу Бринелля (ГОСТ 9012—59), HRC 20 ... 67 — твердость по методу Роквелла (ГОСТ 9013—59). Чем больше число в обозначении твердости, тем больше твер­дость металла. Твердость по методу Виккерса обозначается HV (ГОСТ 2999—75), вычисляется по формуле и приме­няется редко. По специальным таблицам или диаграммам можно осуществлять перевод одних чисел твердости

в другие.

Твердость в основном влияет на интенсивность изна­шивания (истирания) деталей машин. Чем больше твер­дость, тем медленнее будет изнашиваться деталь. Поэтому при выполнении поковок на интенсивно изнашивающиеся детали следует подбирать сталь с большой твердостью.

Физические свойства металлов и сплавов. Температура плавления является исходным параметром для выбора температурного режима обработки металла ковкой. Чистые металлы имеют более высокую температуру плавления, •(ем их сплавы. Например, температура плавления же­леза 1539 °С, а сталь с содержанием углерода 0,5... ... 2,0% плавится при температурах 1450 ... 1153 °С соот­ветственно.

Плотность определяет количество массы ме­талла в единицу объема

-                     •V='n}V.                      (2.3)

где т — масса, кг; V — объем, м³. Величина плотности для   сталей — 7700 ... 7900 кг/м⁸   (или    0,0077 ... ... 0,0079 Кг/мм⁹).

Теплопроводность — свойство металла пере­давать теплоту от более нагретых частей к менее нагре­тым. Чем чище металл, т. е. чем меньше в нем примесей, тем выше его теплопроводность, быстрее и равномернее прогревается весь объем и меньше вероятность образова­ния трещин в металле при ковке.

Технологические свойства металлов.

Ковкость — свойство металла пластически дефор­мироваться (изменять свою форму) в больших пределах от действия относительно небольших ударных или ста­тических нагрузок. Это одно из основных свойств метал­лов, позволяющее обрабатывать их ковкой.

Свариваемость — свойство металлов образо­вывать неразъемные соединения при деформировании (ковке) соединяемых частей металла в горячем состоянии.

Закаливаемость — свойство  стали   стано­виться значительно тверже и износоустойчивее после нагрева и последующего быстрого охлаждения в охла­ждающей среде.

Обрабатываемость — свойство сопротив­ляться отделению части металла от заготовки режущим инструментом в холодном состоянии, т. е. хорошо или затруднительно отделяется стружка от заготовки, напри­мер на токарном станке.