3. Основы рационального выбора стали

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода (0,2% С = = 4% Fe₃C; 0,6% C = 8% Fe₃C; 0,7% C = 10% Fe₃C).

Твердые и хрупкие частицы цементита повышают сопротивление движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и

вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали углерода возрастают пределы прочности и текучести, твердость, но уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость К_1с. Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1% С повышает порог хладноломкости Т₅₀ в среднем на 20С. Кремний и марганец в углеродистой раскисленной стали повышают предел текучести, но снижают пластичность. Сера, фосфор и газы загрязняют сталь неметаллическими включениями, понижают "металлургическое качество стали", повышают анизотропию механических свойств, повышают порог хладноломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению.

Основой большинства современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают прочность и повышают порог хладноломкости.

Малоуглеродистые строительные стали подвергаются закалке с прокатного нагрева в воде. Это приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной структуры (тростита, сорбита).

Среднеуглеродистые стали (0,3 - 0,5% С) применяют после нормализации и улучшения.

Для изделий крупных сечений (d > 20 мм) используют легированные стали, имеющие механические свойства значительно выше, чем углеродистые стали. Особенно сильно повышаются предел текучести относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а также более дорогими – никелем и молибденом. Наибольшая прокаливаемость достигается при комплексном легировании стали. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические и технологические свойства. При этом повышается порог хладноломкости. Например, увеличение содержания в стали хрома и марганца до 1% практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вязкость, и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается на 60 - 80С, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3 – 4% вызывает менее сильное снижение хладноломкости.

Легирование стали небольшим количеством (до 0,15%) V, Ti, Nb, Al и Zr, образующими труднорастворимые в аустените карбиды и нитриды, приводит к измельчению зерна, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещин.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и задерживают коагуляцию карбидов. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения

большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных и карбонитридных частиц.

Выбор стали для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяются уровнем требуемой конструктивной прочности, технологичностью механической, термической и химико-термической обработки, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки.

Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, т.е. его вязкости разрушения К_1с.

Повысить сопротивление хрупкому разрушению при сохранении высокой статической прочности можно измельчением зерна, легированием, ТМО, очисткой стали от вредных примесей.

Для многих строительных и машиностроительных сталей определение вязкости разрушения затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения, а по температурному порогу хладноломкости Т₅₀ (рис. 5). Наиболее низкую конструктивную прочность имеют горячекатаные стали обыкновенного качества (Ст. 2 … Ст. 4) с ферритно-перлитной структурой. Чем больше в них содержание углерода, тем выше _т и Т₅₀. Термическое упрочнение углеродистых сталей повышает _т и несколько снижает порог хладноломкости (У_ТУ).

Рис. 5. Диаграмма конструктивной прочности строитель­ных (I) и машиностроительных (II) сталей: I – < 0,2% C; II – (0,2 - 0,5)% C; У_ГК и У_ТУ – углеродистые, горячекатаные и термоупрочненные стали; НЛ_ГК , НЛ_ТУ и НЛ_КП – низколегированные стали: горячекатаные, термоупрочненные и после контролируемой прокатки; Л_ЗНО, Л_ЗВО и Л_ТМО – легированные стали после закалки и низкого отпуска, закалки и высокого отпуска и ТМО

Низколегированные стали имеют более высокую конструктивную прочность в горячекатаном и нормализованном состояниях (НЛ_ГК). После термической обработки низколегированных сталей _т возрастает, а Т₅₀ практически не изменяется. Верхняя часть области НЛ_ГК относится к сталям с карбидным упрочнением (14Г2АФ, 15Г2СФ и др.), а нижняя – к сталям 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД и др. Высокой конструктивной прочностью обладают низколегированные строительные стали после контролируемой прокатки (НЛ_ГК). Машиностроительные легированные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность _т, но склонны к хрупкому разрушению (Л_ЗНО). Улучшение в зависимости от температуры отпуска и состава стали обеспечивает низкий порог хладноломкости при достаточной прочности (Л_ЗВО). Наилучший комплекс прочности (_т, К_1с, Т₅₀) легированные стали имеют после ТМО (Л_ТМО). Для изделий, требующих высоких значений К_1с и низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять мелкозернистые, спокойные стали предпочтительно легированные никелем и молибденом.

Кроме того, материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей и, наконец, их эксплуатационную стойкость в машинах, в которых они должны работать. В первую очередь, нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь. Например, стоимость легированной стали в 1,5 – 6 раз больше стоимости углеродистой стали. Применение легированной стали должно быть технически и экономически целесообразно и оправданно в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

Требования к материалу нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т.д. Решение при выборе материала обычно компромиссно между указанными требованиями к стали. Вместе с тем не следует стремиться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности самой машины.

Обычно рассматривается возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки.