Низколегированные высокопрочные стали

Легирование высокопрочных сталей

Высокопрочные стали с пластичностью, наведенной превращением

К высокопрочным сталям относят стали, у которых временное сопротивление > 1600 Мпа или > 1300 Мпа. Стали с временным пределом текучести более 2000 Мпа иногда называют сверхвысокопрочными.

Некоторые детали машин работают в условиях простого нагружения, например, испытывают только растяжение или кручение. При отсутствии динамических нагрузок высокая вязкость не является определяющей характеристикой. В этом случае размеры деталей и их масса определяются уровнем прочности стали. Установлено, что при пластичности 10 % такие стали обладают достаточно высокой надежностью при работе в условиях простого нагруженного состояния. С увеличением пластичности и вязкости стали увеличивается надежность конструкций, поэтому эти характеристики устанавливают в зависимости от степени ответственности деталей.

Из высокопрочных сталей изготавливают различные тяги, оси, корпусные детали, баллоны высокого давления и т.д.

Из всех структурных составляющих стали наибольшей прочностью обладает мартенсит. Поэтому большинство высокопрочных сталей используются в мартенситном состоянии после закалки и низкого отпуска. Но мартенсит имеет низкие значения вязкости и относительного удлинения. С целью повышения надежности разработаны специальные высокопрочные стали (мартенситно-стареющие, ПНП-стали) и способы обработки на высокую прочность и повышенную вязкость одновременно (патентирование, термомеханическая обработка). Поэтому высокопрочные стали можно объединить в следующие группы:

1. Низколегированные стали. Применяются после закалки и низкого отпуска.

2. ПНП-стали (стали с пластичностью, наведенной превращением).

3. Дисперсионно-твердеющие стали.

4. Мартенситно-стареющие стали.

Низколегированные высокопрочные стали

Эти стали находят применение для изготовления деталей невысокой ответственности не испытывающих динамических нагрузок: тяги, крепеж, оси, пальцы и др. они используются в мартенситном состоянии. Но мартенсит, являясь пересыщенным твердым раствором углерода в -железе, обладает рядом существенных недостатков: низкой коррозионной стойкостью, высокой чувствительностью к наличию концентраторов напряжений, низкой ударной вязкостью, склонностью к водородному охрупчиванию, проявлению эффекта П. А. Ребиндера при работе в жидких средах и др. По этим причинам они не находят широкого распространения. Однако применение высокопрочных сталей позволяет снизить металлоемкость конструкций, что приводит не только к снижению расхода материалов, но и позволяет сократить расход энергии при эксплуатации оборудования.

Легирование высокопрочных сталей

Прочность мартенсита прежде всего зависит от содержания в нем углерода. Однако конструкционная прочность стали определяется не только _в, но и склонностью стали к хрупкому разрушению. Увеличение концентрации углерода повышает хрупкость стали. Поэтому предельное содержание углерода в этих сталях не должно превышать 0,4 %, что позволяет достичь значений _в порядка 1900...2100 МПа.

Кроме этого, хрупкость стали в закаленном состоянии во многом зависит от способа выплавки (содержания примесей и неметаллических включений), концентрации других легирующих элементов, состояния поверхности детали, состава среды, в которой эксплуатируется деталь, конфигурации детали и других факторов.

Фосфор, сера и другие скрытые примеси охрупчивают мартенсит. Неметаллические включения и грубые карбиды являются концентраторами напряжений и отрицательно влияют на свойства мартенсита. Ni, Mn и Cr повышают вязкость мартенсита и снижают чувствительность стали к наличию концентраторов напряжений. Важное значение имеют размеры мартенситных кристаллов, которые определяются размером аустенитного зерна, полученного при нагреве в процессе закалки. Отрицательно сказывается наличие в структуре остаточного аустенита, который не претерпевает превращений при низком отпуске.

Основными принципами легирования высокопрочных сталей являются следующие:

1. Высокопрочные стали должны иметь в своем составе минимальное содержание углерода, обеспечивающего необходимую прочность. Для прочности 1650...1850 МПа достаточно ~ 0,25...0,30 % С, а для 1900...2100 МПа – ~ 0,4 % С.

2. Хром добавляют до 2 % для увеличения прокаливаемости и повышения прочности.

3. Благоприятно на вязкость стали влияют Ni и Сr. Никель с хромом значительно увеличивают прокаливаемость. Содержание никеля может быть до 4 %. Иногда 1 % Ni заменяют одним процентом Mn. Увеличение содержания марганца нежелательно, так как он увеличивает содержание остаточного аустенита в закаленной стали.

4. Вводят  1 % Si. Кремний, сдвигая отпускную хрупкость первого рода в область более высоких температур и тем самым позволяет отпускать сталь при 220...250 ^оС. при этих температурах интенсивнее протекает релаксация внутренних напряжений.

5. Элементы Mo, W, Nb и V вводят для измельчения и предупреждения роста аустенитного зерна. Стали с этими элементами менее чувствительны к перегреву.

6. Лучшие результаты дает изотермическая закалка на необходимую прочность, а не на мартенсит. В этом случае прочность можно регулировать подбором температуры изотермической выдержки.

Высокопрочные стали и способы их обработки на заданную прочность.

Стали с мартенситной структурой обладают рядом отрицательных свойств. Причем эти свойства проявляются тем больше, чем больше их прочность, которая в основном достигается повышением содержания углерода. По этой причине при термической обработке деталей, изготовленных из высокопрочных сталей, необходимо соблюдать определенные требования для безаварийной работы узлов, изготовленных из высокопрочных сталей.

1. При выборе материала, в случае применения высокопрочной стали, следует отдавать преимущество той марке, где меньше содержание углерода. В этом случае снижается вероятность хрупкого разрушения детали.

2. При разработке технологии термической обработки рекомендуется выбирать тот способ, который обеспечивает минимально необходимую прочность. Большой запас прочности снижает надежность детали. Следует отдавать преимущество изотермической закалке на бейнит, а не непрерывной или ступенчатой – на мартенсит.

3. Следует помнить, что стали с мартенситной структурой имеют высокую чувствительность к наличию концентраторов напряжений. Поэтому поверхность деталей не должна иметь рисок, расположенных поперек главной действующей силы. Это можно достичь полировкой поверхности или пескоструйной обработкой детали.

4. при конструировании деталей следует предусматривать плавные переходы в местах изменения сечений (галтели) радиусом не менее 5 мм. Крепежные детали с резьбой должны иметь разгрузочные канавки.

5. если конструкция детали не позволяет сделать плавный переход, то необходимо деталь её разъемной.

6. мартенсит обладает низкой коррозионной стойкостью во влажной атмосфере и по этой причине подвержен коррозионному растрескиванию. Поэтому поверхность деталей, не защищенных от воздействия атмосферных осадков, необходимо защищать от воздействия влаги – наносить электролитические покрытия.

7. В стали с мартенситным состоянием проявляется эффект П. А. Ребиндера. Это необходимо учитывать при конструировании узла машины или защищать поверхность деталей от воздействия жидких сред.

Таблица 18

Высокопрочные стали и их термическая обработка

Марка стали	в, МПа	Рекомендуемая термическая обработка	прокаливаемость цилиндра диаметром, мм
30ХГСА	1400…1600 1500…1700 1600…1750	Изотермическая закалка 280…330 С 270…300 С 240…280 С	80
30ХГСНМА	1500…1700 1650…1850	Изотермическая закалка 270…330 ºC Зак. В мас., отп. 220 С	80 80
25Х2ГНТА	150...1650	Изотермическая закалка 240...280 С, или зак. в мас., отп. 220 С	80
30Х2ГН2СВМА	1600...1850	Зак. на воздухе, отп. 300 С или зак. в мас., отп. 300 С	80 не регламентирована
40ХГСН3ВА	1800...2000	Изотермическая закалка 240...260 С	не регламентирована
30ХГСА	1400...1600 1500...1700 1600...1750 1650...1850	Изотермическая закалка 280...330 С 270...300 С 240...280 С Зак. в мас., отп. 220 С	15 15 15 30
38ХС	1700...1900	Изотермическая закалка 240...280 С	25
35ХГСА	1650...1850	Изотермическая закалка 240...280 С	25
33ХС	1600...1750	Изотермическая закалка 240...280 С	20

8. Мартенсит подвержен водородному охрупчиванию. Не следует использовать высокопрочные стали в кислых средах, атмосферах, содержащих аммиак и сернистые газы.

9. Стали с мартенситной структурой склонны к замедленному разрушению. Поэтому постоянно действующая сила не должна вызывать напряжения выше 0,8 .

стали ПНП.