Легированные стали

ВВЕДЕНИЕ Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два каких-либо критерия, характеризующие свойства материала, им необходимо знать его конструктивную прочность. Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции, прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции.
Жесткость конструкции. Для многих силовых элементов конструкций - шпангоутов, стрингеров, плоских пластинок, цилиндрических оболочек и т, п. - условием, определяющим их работоспособность, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая их конструктивной формой, схемой напряженного состояния и т. д., а также и свойствами материала. Показателем жесткости материала является модуль продольной упругости Е (модуль жесткости) - структурно нечувствительная характеристика, зависящая только от природы материала. Среди главных конструкционных материалов наиболее высокое значение модуля Е имеет сталь, наиболее низкое - магниевые сплавы и стеклопластики. Однако оценка этих материалов существенно изменяется при учете их плотности и использовании критериев удельной жесткости и устойчивости: Е/g,(E/g)1/2,(E/g)1/3 (табл.1). Таблица 1.Удельная жесткость (устойчивость) конструкционных материалов При оценке по этим критериям, выбираемыми в соответствии с формой и напряженным состоянием, во многих случаях наиболее выгодным материалом являются магниевые сплавы и стеклопластики, наименее выгодным - углеродистые и легированные стали. Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Большинство технических характеристик прочности (sв, s0,2) определяют в результате статического испытания на растяжение. Эти характеристики зависят от структуры и термической обработки. Прочность конструкционных материалов, используемых в технике, изменяется в очень широком диапазоне - от 100¸150 до 2500¸350О МПа. Однако выбор материала только по абсолютному значению показателей прочности sт (s0,2), sв и др. не дает правильной оценки возможностей материала. Для создания конструкции (машины) с минимальной массой большое значение имеет плотность материалов g. С учетом этого более правильно оценивать значение его удельной прочности отношением характеристик прочности sт, sв и др. к плотности материала (например, sв/g, sт/g, где g - плотность материала, г/см3). Из данных, приведенных в табл.2, видно, что, например, алюминиевые сплавы, имея значительно меньшую абсолютную прочность, чем углеродистые и многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это означает, что при равной прочности масса изделия из алюминиевых сплавов меньше, чем Таблица 2. Удельная прочность некоторых конструкционных материалов изделия из стали. Наиболее высокую удельную прочность имеют стеклопластики типа СВАМ, а из металлических конструкционных материалов - титановые сплавы. Оценивая реальную прочность конструкционного материала, следует учитывать характеристики пластичности d, y, а также вязкость материала, так как именно эти показатели в основном определяют возможность хрупкого разрушения. Это относится и к высокопрочным материалам, которые, обладая высокой прочностью, склонны к хрупкому разрушению Модуль упругости Е и s0,2 являются расчетными характеристиками, определяющими допустимую нагрузку. Надежность-свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки. Надежность конструкции - это также ее способность работать вне расчетной ситуации, например, выдерживать ударные нагрузки. Главным показателем надежности является запас вязкости материала, который зависит от состава, температуры (порог хладноломкости), условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины и т. д. Сопротивление материала хрупкому разрушению является важнейшей характеристикой, определяющей надежность работы конструкций. Долговечность-свойство изделия сохранять работоспособность до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Долговечность конструкции зависит от условий ее работы. Прежде всего это сопротивление износу при трении и контактная прочность (сопротивление материала поверхностному износу, возникающему при трении качения со скольжением). Кроме того, долговечность изделия зависит от предела выносливости, зависящего в свою очередь от состояния поверхности и коррозионной стойкостью материала. 1. Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей Сплавы железа - сталь и чугун - основные металлические материалы, используемые в различных отраслях народного хозяйства. Наиболее широко применяют стали. Они должны иметь хорошие технологические свойства: легко обрабатываться давлением (многие изделия получают прокаткой, ковкой или штамповкой), а также хорошо обрабатываются на металлорежущих станках, свариваться. В ряде случаев от них требуется высокая коррозионная стойкость или жаропрочность и т. д. Достоинством сталей является возможность получать нужный комплекс свойств, изменяя их состав и вид обработки. Стали подразделяют на углеродистые и легированные. Углеродистые стали - это основной конструкционный материал, который используют в различных областях промышленности. Они проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом. 1.1 Влияние углерода Механические свойства углеродистой стали зависят главным образом от содержания углерода. С ростом содержания углерода в стали увеличивается количество цементита и соответственно уменьшается количество феррита, т. е. повышаются прочность и твердость и уменьшается пластичность. Как видно из графика, приведенного на рис.1, прочность повышается только до 1 % С, а при более высоком содержании углерода она начинает уменьшаться. Происходит это потому, что образующаяся по границам зерен в заэвтектоидных сталях сетка вторичного цементита снижает прочность Рис.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода стали. Кроме углерода, в стали есть еще другие элементы - примеси, присутствие которых обусловлено разными причинами. Различают постоянные, скрытые, случайные и специально введенные примеси.
1.2.Влияние примесей Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в процессе выплавки в сталь для ее раскисления, т.е. для удаления FеО, поэтому их также называют технологическими: примесями. Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали: FeS+MnÞMnS+Fe. Марганец и кремний растворяются в феррите, повышая его прочность; марганец может также растворяться в цементите. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7 - 0,8 % Мn и до 0,5 % Si.
Сера - вредная примесь - попадает в сталь главным образом с исходным сырьем-чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS-сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fе+FеS) с температурой плавления 988 °С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 900 °С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкость. Одним из способов уменьшения влияния серы является введение марганца. Соединение MnS плавится при 1620 °С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости. Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %. Фосфор попадает в сталь главным образом также с исходным чугуном, использованным для выплавки стали. До 1,2 % фосфора растворяется в феррите, уменьшая его пластичность. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке всегда могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т. е. вызывает хладноломкость. Поэтому фосфор, как и сера, является вредной примесью, содержание его в углеродистой стали допускается до 0,05 %.Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость. Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки. Скрытые примеси. Так называют присутствующие в стали газы - азот, кислород, водород - ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке. В твердой стали они могут присутствовать, либо растворяясь в феррите, либо образуя химические соединения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается 10-2-10-4 %. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются. Случайной примесью может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально как легирующие добавки. Специальные примеси. Это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими, а стали, их содержащие - легированными сталями. Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %. В конструкционных сталях легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме того, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура. Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано. Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению. 1.3.Классификация сталей По химическому составу прежде всего все стали можно разделить на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов различают как трехкомпонентные (содержат кроме железа и углерода один какой-либо легирующий элемент), четырехкомпонентные и т.д. Более распространенной является классификация с указанием легирующих элементов: стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.д. По степени легирования, т.е. по содержанию легирующих элементов, стали условно подразделяют на низколегированные (содержат в общем 2,5-5 % легирующих элементов), среднелегированные (до 10 %) и высоколегированные (более 10 %). По способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом мартеновским и кислородно-конвертерным способами. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах. Рис 2. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что и указывают в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одинаковом содержании углерода имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,15-0,35 %, в полуспокойной 0,05-0,15 %, в кипящей В результате уменьшения содержания кремния в феррите кипящих сталей они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии (например, для изготовления деталей глубокой вытяжкой). Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими уже при -10 °С, в то время как спокойные стали, содержащие одинаковое количество углерода, могут работать до -40 °С. Они более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей. По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме того, могут быть ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относятся стали, в которых при малом содержании углерода имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, например, хрома. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды - легированный ледебурит.
По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный (рис.2) (структуру во всех случаях определяют по образцам небольшого сечения, диаметром до 25 мм). Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры.
В основе классификации стали по качеству лежит содержание вредных примесей - серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную. Углеродистые стали общего назначения (ГОСТ 380-71) содержат повышенное количество S (до 0,05 %) и Р (до 0,04 %, Ст0 до 0,07 % Р). Эти стали выплавляют преимущественно в больших мартеновских печах скрап-рудным процессом или в кислородных конвертерах. Обозначение марок стали - буквенно-цифровое: буквы Ст означают "сталь" цифры от 0 до 6-условный номер марки, например, Ст0, Ст2 .Ст6. Степень раскисленности стали обозначают буквами кп, пс и сп. Кипящими выплавляют стали марок Ст0-Ст4, полуспокойными и спокойными можно выплавлять все стали от Ст1 до Ст6. Сталь подразделяют на три группы: А, Б и В в марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп (сталь 2, группы А, кипящая); БСт3кп (сталь 3, группы Б, кипящая); ВСт3пс (сталь 3, группы В, полуспокойная); ВСт4сп (сталь 4, группы В, спокойная) и т.п. Химический состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода изготовителя. Стали этой группы обычно заказчики используют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам sв, sт, и d. С увеличением номера стали прочность растет, а пластичность уменьшается: Сталь Ст1пс Ст3пс и Ст3сп Ст6сп sв, Мпа 320-420 380-490 >600 sт, Мпа - 210-250 300-320 d, % 31-34 23-26 12-15 Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств. Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б. Углеродистая сталь обыкновенного качества - дешевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям по механическим свойствам, предъявляемым к металлу. Ее выплавка составляет около 80 % всего производства углеродистых сталей. Качественные стали. В качественных сталях максимальное содержание вредных примесей составляет не более 0,04 % серы и 0,04 % фосфора. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. В случае примерно одинакового содержания углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и по механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (пределы по углероду 0,07-0,08 % для одной марки), степень раскисленности - буквами пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 10кп (0,10 % С, кипящая), сталь 30пс (0,30 % С, полуспокойная), сталь 45 (0,45 % С, спокойная) и т.д. Качественные углеродистые стали поставляются заказчику в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т.д. В высококачественных сталях стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S£0,035 % и Р£ 0,035 %). Поскольку при этом стоимость стали существенно возрастает, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А, например, сталь У10А. Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще - высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в нашей стране принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - Ю, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц. Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Содержание легирующих элементов, если оно превышает 1 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % С; 1 % Сг; 1 % Мn и около 0,1 % Тi; марки 12ХН3 -0,12 % С; 1 % Сг и 3 % Мn. Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках. Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей. По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. Для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки, применяют стали, содержащие 0,36-0,50 % С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.). Эти стали подвергают термической обработке-закалке с последующим высокотемпературным отпуском (улучшению). Для пружин и рессор используют стали, содержащие 0,50-0,70 % С. Эти стали также применяют только после соответствующей термической обработки. Из стали с 0,7-1,5 % С изготавливают ударный и режущий инструмент. Углеродистые стали маркируют У7, У8 ., У13, где буква У означает углеродистую сталь, число показывает содержание углерода в десятых долях процента, т.е. сталь У10 содержит 1 % С. Эти стали иногда выплавляют высококачественными и тогда их маркируют 10А или УЗА и т.п. Химический состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435-74. У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента, например, сталь 9ХС содержит 0,9 % С; 1 % Сг и 1,4 % Si. Если углерода больше 1 %, то цифры не указывают, например, стали ХВГ, ХГ и т.д. Стали и сплавы с особыми свойствами.
К ним относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы: с особыми магнитными свойствами и т. д. 1.4.Дефекты легированных сталей Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода.
Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом. Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей–флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении). На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 °С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250–200 °С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали. 2. Цементуемые стали Некоторые детали работают в условиях поверхностного износа, испытывая при этом и динамические нагрузки. Такие детали изготавливают из низкоуглеродистых сталей, содержащих 0,10–0,30 % С, подвергая их затем цементации. Для изделий небольших размеров, деталей неответственного назначения применяют стали 10, 15, 20, для деталей более сложной формы, деталей сильно нагруженных, крупных применяют низколегированные стали с небольшим содержанием углерода. В качестве легирующих элементов в цементуемые стали добавляют хром, никель и др. Изделия небольшого сечения и несложной. формы, работающие при повышенных удельных нагрузках (втулки, валики, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы и т.д.), делают из хромистых сталей 15Х, 20Х, содержащих около 1 % Сг. При содержании хрома до 1,5 % в цементованном слое повышается концентрация углерода, образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, увеличивается глубина эвтектоидного слоя, а после термической обработки увеличивается и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей ванадием (0,1¾0,2 %)–сталь 15ХФ–способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость. Для изготовления цементуемых деталей средних размеров, испытывающих при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит никель (20ХН, 12ХНЗА). Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, Ni в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства стали в сердцевине изделия. Из-за дефицитности никеля эти стали заменяют другими легированными сталями. К ним относятся хромомарганцевые стали с небольшим количеством титана (0,006–0,12 %): 18ХГТ, 30ХГТ. В цементуемые стали титан вводят только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость. Наиболее высоколегированные цементуемые стали (12Х2Н4, 18Х2Н4В и др.) используют для изготовления деталей больших сечений. Эти стали являются наиболее высокопрочными из всех цементуемых сталей. С целью повышения прочности для цементуемых сталей применяют стали, легированные бором (0,002–0,005 %): 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях экономии никеля применяют вместо стали 12ХНЗА. При ХТО следует учитывать, что бор, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Для уменьшения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно легируют Тi или Zr. Обычно изделия, изготовленные из высоколегированных цементуемых сталей, подвергают цементации на небольшую глубину. 3. Улучшаемые стали Улучшаемыми сталями называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3–05 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После такой термической обработки стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали (стали 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм), поэтому механические свойства с увеличением сечения изделия понижаются. Для мелких деталей после термической обработки получают sв=600¸700 МПа и КСU=0,4–0,5 МДж/м2. Если от деталей требуется более высокая поверхностная твердость (шпиндели, валы, оси и т.д.), то после закалки их подвергают отпуску на твердость НRС 40–50. Для получения высокой поверхностной твердости используют закалку ТВЧ (шестерни, коленчатые валы, поршневые пальцы и т.д.). Для получения высоких механических свойств в деталях сечением более 25–30 мм применяют легированные стали, которые обладают большей прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, меньше закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными сталями–лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости. Большинство легированных конструкционных сталей относится к перлитному классу. При создании легированных сталей всегда учитывают стоимость легирующего элемента и его дефицитность. Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8–1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9–1,2 %; молибдена 0,15–0,45 %; никеля 1–4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3–5 %. Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность стали, понижают ее пластичность и вязкость. Никель является исключением–он оказывает особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, никель понижает порог хладноломкости. Поэтому стали, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал. Кроме названных элементов, в конструкционные стали для деталей машин вводят около 0,1 % V, Тi, Nb, Zr для измельчения зерна. Введение 0,002–0,003 % В увеличивает прокаливаемость. Улучшаемые стали можно условно разделить на несколько групп. Широко применяют стали, легированные хромом, особенно стали марок 40Х, 45Х. Для увеличения прокаливаемости в них иногда добавляют бор (сталь 40ХР). Увеличение прокаливаемости (в сечении до 40 мм) достигается и добавлением в хромистые стали около 1 % Мn: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15–0,25 % Мо.
Хромомарганцевые стали 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т.е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали обладают хорошей свариваемостью и прочностью, например, сталь 30ХГС после термической обработки имеет sв=1650 МПа при КСU=0,4 МДж/м2. Недостаток этих сталей склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.
Чем больше размер детали, сложнее ее конфигурация, выше напряжения, возникающие в ней в процессе работы, тем с большим количеством никеля применяют сталь для ее изготовления: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д. Молибден и волъфрам вводят в состав сталей также для уменьшении склонности к отпускной хрупкости. На рис.3 приведена диаграмма, позволяющая выбрать нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения. Рис. 3.Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от заданной прочности и размера сечения детали: 1 - 30ХН3М; 2 - 30ХН3; 3 - 34ХМА; 4 - 33ХСА; 5 - 30Н3; 6 - 35ХА; 7 - 35СГ; 8 - сталь 30 4. Высокопрочные стали С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности sв как правило, получают не более 1100–1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически становится хрупкой. Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают sв=1800¸2000 МПа, называют высокопрочными. Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из таких способов–легирование среднеуглеродистых сталей (0,4–0,5 % С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200–300 °С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4 % С; 5 % Сг; 1 % Мо и 0,5 % V, после закалки в масле и низкотемпературного отпуска при 200 °С имеет sв=2000 МПа при d=10 %, y=40 % и КСU=0,3 МДж/м2. Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая закалка) приобретают высокую прочность–такая обработка сообщает сталям меньшую чувствительность к надрезам. Прочность sв=1600¸1850 МПа при d»15¸12 % и КСU=0,4¸0,2 МДж/м2. Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5–2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дислокаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода). Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием специальной термической обработкой. Их достоинства–высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации. Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. Основным легирующим элементом является никель (10–26 %). Кроме того, различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7–9 % Со; 4,5–5 % Мо; 5–11 % Сг; 0,1–0,35 Аl; 0,15–1,6 % Тi; иногда ~0,3–0,5% Nb; £0,2 % Si, Mn; ~0,01 % S, Р каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов. В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода (£0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей; Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800–860 °С, охлаждении на воздухе и затем отпуске–старении. Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Л2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др. Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью. Таблица 3. Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей 5. Пружинно-рессорные стали Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д.–сохранение в течение длительного времени упругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости (sуп), высокое сопротивление разрушению (Sk) и усталости при пониженной пластичности. Термически упрочняемые пружинно-рессорные стали обычно содержат 0,5–0,7 % С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением витков применяют углеродистые стали по ГОСТ 1050–74. Для пружин более ответственного назначения и при большем сечении витков применяют легированные пружинные стали (ГОСТ 14959–79). Чаще всего пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний создает высокое значение предела упругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ2, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокаливаемость, и их применяют для изготовления пружин из прутков диаметром до 25 мм. Крупные наиболее ответственные пружины изготовляют из сталей 65С2ВА, 60С2ХФА. Рис. 4. Схема изменения прочности пружинных сталей в зависимости от температуры отпуска Режим термической обработки назначают в зависимости от состава стали и условий работы пружин. Наиболее высокая упругая прочность достигается в результате среднего отпуска на тростит. При этом отношение sуп/sв становится близким к единице (рис. 4). Для повышения выносливости пружин и рессор широко применяют дробеструйную обработку.
6. Шарикоподшипниковые стали Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе работы испытывают высокие удельные переменные нагрузки. Поэтому стали, используемые для их изготовления, должны иметь высокую прочность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты являются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание неметаллических включений, что резко снижает долговечность подшипника.
Для изготовления шариковых и роликовых подшипников применяют высокоуглеродистую сталь, легированную хромом (табл. 4). Таблица 4. Химический состав, %, шарикоподшипниковой стали Маркировку ШХ следует расшифровывать как шарикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента. Шарики и ролики небольших диаметров изготавливают из стали ШХ9. Из стали ШХ15–шарики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15–30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диаметром более 30 мм и кольца с толщиной стенки: более 15 мм–из стали ШХ15СГ. Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников, работающих при больших ударных нагрузках (например, подшипников прокатных станов), применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементованный слой глубиной 5–10 мм. 7.Износостойкие стали Износ деталей машин и аппаратов является сложным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой. Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до 1,75 %) и до 1,6 % Si. Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжига (напоминающего отжиг для получения ковкого чугуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых включений графита. При неабразивном износе графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Кроме того, эти стали обладают антивибрационными свойствами. Графитизированную сталь применяют для изготовления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, лопастей, дробеструйных аппаратов и т.д. Высокомарганцовистые стали содержат около 1 % С и 12–13 % Мn, обозначают их так: сталь Г13Л (1,2 % С; 13 % Мn; £0,5 % Si) и сталь Г13Л (1,2 % С; 12 % Мn и 1 % Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn)3С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вязкость и прочность стали. Поэтому обычно изделия подвергают закалке с 1050–1100 °С в воде, получая структуру однородного марганцовистого аустенита (sв=800¸1000 МПа; d=40¸50 %; НВ=200¸250). Характерной особенностью марганцовистого аустенита является его повышенная склонность к наклепу. При деформации на 60–70 % твердость стали Г13 увеличивается до НВ 500 (рис. 6), что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях. Рис. 4. Влияние степени деформации на твердость стали Г13(1) и углеродистой стали 40 (2) Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки и износ одновременно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режущим инструментом, изделия из нее изготавливаются главным образом литьем. Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и др. 8. Строительные стали Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому строительные стали содержат до 0,25 % С. При более высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае наблюдается объемный эффект, что способствует образованию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллизации металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва. В качестве строительных сталей используют главным образом углеродистые стали обыкновенного качества марок Ст3, Ст4, имеющие sт=200¸270 МПа. Прочность строительных сталей повышается в результате легирования. Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная сталь содержит до 1,75 % Мn и до 0,7 % Si. Предел текучести увеличивается до 360¸380 МПа. Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических свойств, имеют еще одно преимущество–пониженную критическую температуру перехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до –40 °С, а стали 10ХСНЛ и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до –60 °С. 9. Автоматные стали Для неответственных деталей, производимых в большом количестве на станках-автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые автоматные стали (ГОСТ 1414–75). В таких сталях допускается повышенное содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью, благодаря чему стружка образуется короткая и ломкая, а поверхность обработанных сталей получается чистой и ровной. При изготовлении деталей из автоматных сталей можно допускать большие скорости резания. Добавки свинца (~0,25 %) улучшают обрабатываемость резанием (АС11, АС40). Автоматные стали подвергают диффузионному отжигу, при температуре 1100–1150 °С для устранения ликвации серы, тем самым исключается возможность красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.). Таблица 5. Химический состав, %, автоматных сталей