Конструкционные материалы

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкция, подвергающихся механическим нагрузкам.

Основное требование – конструкционная прочность – комплекс физико-химических и механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. При расчете конструкционной прочности нужно учитывать:

1) условия нагружения изделия (силовой фактор, условия нагружения (статические, циклические, вибрационные, ударные и т.д.); 2) воздействие рабочей среды (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная среды, рабочие температуры); 3) технологичность материала – обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций; 4) экономические факторы (цена).

Критерии оценки конструкционной прочности:

1. Критерии прочности – при статических нагрузках временное сопротивление _В, предел текучести _0,2 (_т), реже твердость (для сталей выполняется эмпирическое соотношение _ВНВ/3); при циклических нагрузках – предел выносливости _R (при круговом изгибе _-1); при важности веса – удельная прочность _В/g ( - плотность; g - ускорение свободного падения)

2. Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению – характеристики пластичности  и , ударная вязкость KCU, KCV, KCT

3. Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Характеристики – сопротивление материала усталостным разрушениям (циклическая долговечность) или сопротивление изнашиванию (износостойкость). Проводят испытания на усталость по ГОСТ 25.502-79

Общая классификация конструкционных материалов

1. Материалы, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность – конструкционные стали

2. Материалы с особыми технологическими свойствами

3. Износостойкие материалы

4. Материалы с высокими упругими свойствами

5. Материалы с малой плотностью

6. Материалы с высокой удельной прочностью

7. Материалы, устойчивые к воздействию температуры и рабочей среды

1.Конструкционные стали

Общие принципы разработки конструкционных сталей

1) Решающая роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6 %.

2) Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна.

3) Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Разделяют конструкционные стали по прочности – нормальной (средней) прочности - _В до 1000 МПа; повышенной прочности - _В до 1500 МПа; высокопрочные - _В выше 1500 МПа. В основном различают конструкционные стали строительные, машиностроительные, в том числе специального назначения, а также коррозионностойкие и жаропрочные и жаростойкие.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ – к строительным относят стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также для арматуры железобетона. Занимают 2 место по объему производства в мире.

Строительные стали делят на 7 категорий прочности: С380/230 (в числителе – временное сопротивление разрыву при растяжении, в знаменателе - предел текучести) – стали нормальной прочности; С460/330 и С520/400 – строительные стали повышенной прочности; С600/450, С700/600 и С850/750 – стали высокой прочности. Аналогично арматурные стали делят на классы от А-I до А-VII

Дополнительные требования:

1) Важной характеристикой для строительных сталей является температура перехода из вязкого в хрупкое состояние – порог хладноломкости.

В зависимости от этой величины стали делятся: стали без гарантированной хладостойкости, хладостойкие до – 40 ^оС и стали «северного исполнения» (эксплуатируемые ниже – 40^оС)

2) Свариваемость – одно из главных требований к строительным сталям. Её критерием является углеродный эквивалент – обычно 0,45-0,48 %С.

С_экв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14. Из-за этого содержанием углерода в низколегированных строительных сталях не выше 0,18 %С, причем чем больше ЛЭ, тем меньше углерода.

3) Стоимость – чем ниже, тем лучше, поэтому отсутствуют дорогие и дефицитные ЛЭ.

1) Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые, обычно их используют в состоянии после горячей прокатки без дополнительной термической обработки, реже после термического упрочнения.

а) Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) бывают спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп). Различие также проявляется в содержании кремния – сп – 0,12-0,30%; пс – 0,05-0,17%; кп – менее 0,07%. Кипящую сталь наиболее дешевая, но склонна к деформационному старению. Поэтому применяется только для неответственных изделий. Делят на группы:

А – с регламентированными механическими свойствами; хим. состав не нормируется. Чаще всего применяют для изготовления деталей, не требующих ковки, штамповки и т.д. То есть у конечного продукта свойства, как у стали после горячей прокатки.

Б – с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке.

В – регламентируется и состав и механические свойства.

Примеры сталей: ВСт3сп5 – сталь Ст3 спокойная, группы В, категории 5; Ст2кп – сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1; БСт5Гпс2 – сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2. Наиболее применима сталь Ст3 – от Ст4 до Ст6 хуже свариваются, от Ст0 до Ст2 – менее прочные. См. таблицу 1.

Таблица 1. Горячекатаные стали

Таблица 2 Эффект термоупрочнения

Марка стали Группа А (основные свойства) Группа Б (состав сокращенно) В, МПа Т, МПа , % С, % Mn, % Не менее Ст0 310 - 23 менее 0,23 - Ст1 320-420 - 34 0,06-0,12 0,25-0,50 Ст2 340-440 23 32 0,08-0,15 0,25-0,50 Ст3 380-490 250 27 0,14-0,22 0,40-0,65 Ст4 420-540 270 24 0,18-0,27 0,40-0,70 Ст5 500-640 290 20 0,28-0,37 0,50-0,80 Ст6 600 320 15 0,38-0,49 0,50-0,80

Марка стали Вид проката Режим термоупрочнения В Т   МПа % Ст3сп Швеллер № 19 С прокатного нагрева с самоотпуском 440/640 340/470 28,5/15,2 56,5/53,5 Ст3пс Уголок 20020016,5 410/580 240/380 33,5/15,5 57/56,5 Ст3кп Лист 16 мм 420/550 260/360 32,5/21,5 - Ст5сп Арматура № 14 Электронагрев с самоотпуском при 400 оС 610/1120 390/1050 24,7/9,8 - Ст5сп То же, при 500 оС 610/920 390/630 24,7/14,7 - Ст5сп То же при 600 оС 610/790 390/630 24,7/20 - Ст5сп То же при 700 оС 610/670 390/470 24,7/21,7 -

б) Термоупрочненные углеродистые стали (ГОСТ 14637-79, арматурная сталь по ГОСТ 10884-81) – сущность метода термического упрочнения совпадает с ВТМО – горячая прокатка в аустенитном состоянии, затем ускоренное охлаждение, при котором образуются более низкотемпературные продукты распада аустенита, чем при медленном охлаждении. После горячей прокатки и медленного охлаждения структура листа по сечению, что на поверхности, что в центре образует ферритно-перлитную структуру. При термоупрочнении в центре частично подавляется выделение избыточного феррита, а перлит получает более дисперсное строение – псевдоэвтектоид (иногда даже бейнит). В поверхностных слоях возможно образование мартенсита, однако из-за высокой М_н в сталях с низким содержанием углерода происходит самоотпуск мартенсита (распад мартенсита). Таким образом, закалки на мартенсит при термоупрочнении не происходит. Кроме того, обычно скорости охлаждения при термоупрочнении ниже, чем критическая скорость, необходимая для закалки на мартенсит. Обычно при термоупрочнении прочность стали возрастает в 1,3-1,5 раза при сохранении высоких значений пластических свойств. См. таблицу 2. При оптимизации режима обработки обеспечивает, кроме роста прочности, снижение порога хладноломкости и снижение склонности к деформационному старению.

2) Низколегированные стали. Сущность легировании – упрочнение по различным механизмам – упрочнение -твердого раствора (твердорастворное упрочнение) – желательно Mn, Si, Ni, P; упрочнение за счет образования перлита – C, Mn, Ni, Cr, Mo; дисперсионное упрочнение – V, Nb, Ti, (Al, N); зернограничное упрочнение – V, Nb, Ti (Al, N);

деформационное упрочнение (при последующей обработке). Для феррито-перлитных сталей доминируют подчеркнутые механизмы.

а) Строительные стали повышенной прочности (_Т400 МПа) поставляются в горячекатаном состоянии с феррито-перлитной структурой (ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-73). У данного класса сталей предел текучести в 1,25-1,6 раз выше чем у стали ВСт3сп. Ударная вязкость для данных сталей гарантируется при Т= – 40 ^оС, у некоторых при –70 ^оС.

09Г2С, 17ГС, 15ХСНД, 10ХНДП – доминирует твердорастворное упрочнение; 14Г2, 17ГС – «перлитное» упрочнение; 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б – дисперсионное упрочнение. Примеры сталей и их свойств см. таблицу 3. Свойства «горячего» проката очень сильно зависят от толщины листа (см. таблицу 4).

Иногда стали этой группы поставляют в нормализованном состоянии или после термоулучшения (закалка+высокий отпуск). Нормализация приводит к большей стабильности механических свойств, улучшению характеристик пластичности, ударной вязкости и хладостойкости по сравнению с горячекатаным состоянием.

Таблица 3. Состав и мех.свойства (не менее) низколегированных строительных сталей повышенной прочности в горячекатаном состоянии (толщина листа до 20 мм, * - до 10 мм)	Таблица 4. Предел текучести стали 09Г2С в зависимости от толщины листа
Марка стали Содержание основных элементов, % В Т , % KCU, МДж/м2, при Т, оС С Si Mn другие МПа +20 - 40 - 70 09Г2 0,12 0,17-0,37 1,4-1,8 - 450 310 21 - 0,30 - 09Г2С 0,5-0,8 1,3-1,7 - 480 330 0,6 0,35 0,3 10Г2С1 0,8-1,1 1,3-1,65 - 490 340 0,6 0,30 0,25 14Г2 0,12-0,18 0,17-0,37 1,2-1,6 - 460 330 - 0,30 - 17ГС 0,14-0,20 0,4-0,6 1,0-1,5 - 500 340 23 - 0,35 - 15ГФ 0,12-0,18 0,17-0,37 0,9-1,2 0,05-0,12V 520 340 21 - 0,30 - 15Г2СФ 0,4-0,7 1,3-1,7 0,05-0,10V 560 400 18 - 0,35 - 10Г2Б * 0,17-0,37 1,2-1,6 0,02-0,05Nb 520 280 21 - 0,30 - 15ХСНД 0,4-0,7 0,4-0,7 0,6-0,9 Cr 0,3-0,6 Ni 0,2-0,4 Cu 500 350 - 0,30 0,3 10ХНДП * 0,12 0,17-0,37 0,3-0,6 0,5-0,8 Cr 0,3-0,6 Ni 0,07-0,12 P 0,08-0,15 Al 480 350 20 - 0,40 -	Толщина проката, мм Т, МПа (не менее) 4 350 5-9 350 10-20 330 21-32 310 33-60 290 61-80 280 Более 80 270
	Таблица 5. Мех.свойства (не менее) низколегированных сталей повышенной прочности после термоулучшения
	Марка стали Толщина проката, мм В, МПа Т, МПа , % KCU, МДж/м2, при Т, оС - 40 - 70 14Г2 10-32 540 400 18 0,4 0,3 10Г2С1 10-40 540 400 19 0,5 09Г2С 10-32 33-60 500 460 370 320 19 21 0,5 0,5 15Г2СФ 10-32 600 450 17 0,4

Термоулучшение низколегированных сталей отличается от термоупрочнения низкоуглеродистых сталей. Закалка проводится со специального, а не прокатного нагрева, закалка проводится с протеканием распада с образованием мартенсита (или бейнита) и затем проводится высокий отпуск. В результате формируется дисперсная сорбитная структура. Свойства сталей после термоулучшение см. таблицу 5.

Из сравнения таблиц 3 и 5 видно, что термоулучшение (закалка+высокий отпуск) повышает прочность низколегированных сталей до 20-25% и увеличивает уровень и температуру стабильности ударной вязкости. Причем, сталь 15Г2СФ после термоулучшения может быть отнесена к сталям высокой прочности.

б) высокопрочные стали - (_Т=450-750 МПа в сочетании с малой склонностью к хрупкому разрушению). Проблема – при повышении прочности снижается хладноломкость. Методы борьбы – карбонитридное упрочнение; термообработка; контролируемая прокатка; создание малоперлитных и бейнитных сталей.

Экономия металла при замене низколегированной стали составляет 15-30%, углеродистой 30-50%. Применяют для изготовления сварных конструкций, ответственных сооружений (мосты, доменные печи, магистральные газопроводы, телемачты).

Малоперлитная сталь 09Г2ФБ – до 0,1%С, 0,04-0,08%V, 0,02-0,05 %Nb и до 0,015 %N. Структура состоит из феррита, 5-10% перлита и дисперсных выделений карбонитридов ванадия и ниобия в феррите. Затем сталь подвергают контролируемой прокатке с температурой окончания прокатки 800-850 ^оС и степенью обжатия 15-20%. Свойства _В560 МПа, _Т460 МПа; KCU (при -15 ^оС)=0,9 МДж/м²; KCU (при -60 ^оС)=0,6 МДж/м². Применяют для магистральных труб газопроводов северного исполнения. Контролируемая прокатка эффективна для всех сталей с карбонитридным упрочнением (см. табл. 6).

Таблица 6 Состав, свойства и термообработка высокопрочных сталей с карбонитридным упрочнением

Марка стали	Содержание основных элементов, %						Термообработка	В	Т	, %	KCU, МДж/м2, при Т, оС
	С	Si	Mn	N	V	другие		МПа			- 40	- 70
14Г2АФ	0,12-0,18	0,3-0,6	1,2-1,6	0,015-0,025	0,07-0,12	-	нормализация	550	400	20	0,4	0,3
14Г2АФД						0,15-0,25 Cu
16Г2АФ (наиболее применяемая)	0,14-0,20	0,3-0,6	1,3-1,7	0,015-0,025	0,08-0,14	-		600	450	20	0,4	0,3
16Г2АФД						0,15-0,25 Cu
18Г2АФпс	0,18-0,22	0,4-0,7	1,3-1,7	0,015-0,030	0,08-0,15	-	Нормализация или термоупрочнение	600	450	19	0,4	0,3
18Г2АФДпс						0,15-0,25 Cu
12Г2СМФ	0,09-0,15	0,4-0,7	1,3-1,7	0,015-0,030	0,07-0,15	0,15-0,25 Мо	термоупрочнение	700	600	14	0,35	-
12ГН2МФАЮ	0,09-0,16	0,4-0,6	0,9-1,3	0,020-0,030	0,05-0,10	1,4-1,7 Ni, 0,15-0,25 Mo, 0,05-0,10 Al	термоупрочнение	700	600	14	-	0,3

Низкоуглеродистые бейнитные стали. Типичный пример 08Г2МФБ (менее 0,08 %С, 1,6 %Mn, 0,2 %Mo, 0,06 %V, 0,05 %Nb). Легирование приводит к тому, что в данных сталях высокая устойчивость преохлажденного аустенита, который после контролируемой прокатки распадается с образованием промежуточных бейнитных структур – из-за низкого углерода это фактически игольчатый феррит. Свойства _В600 МПа, _Т470 МПа; KCU (при -15 ^оС)=0,9 МДж/м²; KCU (при -60 ^оС)=0,65 МДж/м². Применяют для магистральных труб газопроводов северного исполнения.

в) арматурные стали горячекатаные изготавливают по ГОСТ 5781-82, а термомеханически и термически упрочненные - по ГОСТ 10884-81.

Стали классов AI, AII, AIII используют для ненапряженных конструкций, а более высокопрочные стали классов AIV и выше применяют для армирования предварительно напряженного железобетона. Причем: горячекатаные стали удовлетворяют требования классов от AI до AV. По мере увеличения класса прочности возрастает степень легирования сталей. Чаще всего арматуру подвергают термоупрочнению с прокатного нагрева сталей, т.е. аналогично строительным сталям. Достигается эффект ВТМО, образуется мелкозернистая структура с дисперсной феррито-карбидной смесью. Это обеспечивает получение сталей классов AVI и AVII. Примеры сталей смотри таблицу 7.

Таблица 7 – Свойства арматурных сталей (в скобках в упрочненном состоянии, без скобок – в горячекатаном)

Класс стали	В, МПа	Т, МПа	5, %	Рекомендованные стали
				горячекатанные	Термомеханически или термически упрочненные
A-I	380	240	25	ВСт3сп; ВСт3пс; ВСт3кп; Ст3сп; Ст3пс; Ст3кп	-
A-II	500	300	19	ВСт3сп; ВСт3пс; 18Г2С; 10ГТ	-
A-III	600 (600)	400 (450)	14 (14)	35ГС; 25Г2С	БСт5сп; БСт5пс
A-IV	900 (800)	600 (600)	6 (9)	80С; 20Х2ГЦ	25Г2С; 10Г2С; 20ХГС2; 08Г2С
A-V	1050 (1000)	800 (800)	7 (7)	23Х2Г2Т	20ГС; 10Г2С; 20ГС2; 08Г2С; 20ХГС2
A-VI	(1200)	(1000)	(6)	-	20ГС; 20ГС2; 20ХГС2
A-VII	(1400)	(1200)	(5)	-	20ГС2; 20ХГС2; 23Х2Г2Т

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ – конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов изделий

Способы классификации – по составу (углеродистые, легированные); по обработке (улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситно-стареющие и др.), по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.д)

Рассмотрим углеродистые качественные стали ГОСТ 1050-74 и углеродистые стали обыкновенного качества ГОСТ 380-71.

Низкоуглеродистые стали 05 кп, 08, 10, 10 пс обладают малой прочностью высокой пластичностью. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей, в основном методом холодной штамповки – шайб, прокладок и т.п. Стали 10,15, 20 и 25 используют как цементуемые.

Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45, а также легированные марганцем 30Г, 40Г и 50Г (0,7-1,0% марганца для повышения прокаливаемости - критический диаметр до 25-30 мм) применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. В нормализованном состоянии по сравнению с низкоотпущенным обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75 используются как рессорно-пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии – для прокатных валков, шпинделей станков.

Достоинства углеродистых качественных сталей – дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм. Примеры сталей и их свойств см. таблица 8.

Таблица 8 Свойства и состав углеродистых сталей после нормализации

Марка стали	% С	В, МПа	Т, МПа	, %	, %	KCU+20, МДж/м2
08	0,05-0,10	330	200	33	60	-
10	0,07-0,14	340	210	31	55	-
15	0,12-0,19	380	230	27	55	-
20	0,17-0,24	420	250	25	55	-
30	0,27-0,35	500	300	21	50	0,8
40	0,37-0,45	580	340	19	45	0,6
50	0,47-0,55	640	380	14	40	0,4
60	0,57-0,65	690	410	12	35	-
70	0,67-0,75	730	430	9	30	-

Цементуемые стали. (См. таблицу 9) Используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35 %). С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации.

Цементуемые углеродистые стали (ГОСТ 1050-74) 15, 20, 25 используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки и др.). Твердость на поверхности составляет 60…64 HRC, сердцевина остается мягкой.

Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71) применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).

Таблица 9. Состав и свойства (не менее) цементуемых конструкционных сталей (свойства указаны с т/о без проведения цементации)

Марка	С	Mn	Cr	Ni	Прочие	1 закалка или нормализация, оС	2-я закалка	Отпуск	В,	Т,	,	,	KCU, МДж/м2
									МПа		%
15Х	0,12-0,18	0,3-0,9	0,7-1,0	0,3	-	880 в(м)	770-820 в(м)	180 вз (м)	700	500	12	45	0,7
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3		0,03-0,09 Ti	880-950 вз	870 м	200 вз (м)	1000	900	9	50	0,8
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05		0,001-0,005 B	880 м	-		1000	800	9	50	0,8
30ХГТ	0,24-0,32	0,8-1,1	1,0-1,3		0,03-0,08 Ti	880-950 вз	850 м	200 в(м)	1500	1300	9	40	0,6
15ХФ	0,12-0,18	0,3-0,8	0,8-1,1		0,06-0,12 V	880 в(м)	760-810 в(м)	180 вз(м)	750	550	13	50	0.8
20ХН	0,17-0,23		0,45-0,75	1,0-1,4	-	860 в(м)		180 в(м)	800	600	14	50	0,8
12ХН3А	0,09-0,16		0,6-0,9	2,75-3,15	-			180 вз(м)	950	700	11	55	0,9
20ХГНР	0,16-0,23	0,7-1,0	0,7-1,0	0,8-1,1	0,001-0,005 B	930-950 м	780-830 м	200 вз(м)	1300	1100	10	50	0,9
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,3-0,8	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo	950 вз	860 вз	200 вз	900	700	11	50	0,8

Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.

Дополнительное легирование хромистых сталей ванадием (сталь 15ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины. Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя. Стали мало чувствительны к перегреву. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевых сталей и позволяет проводить закалку крупных деталей с охлаждением в масле и на воздухе.

Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение.

Хромомарганцевые стали применяют вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ).

С целью повышения прочности применяют легирование бором (0,001…0,005 %) 20ХГР, но бор способствует росту зерна при нагреве.

Азотируемые стали. Высокая твердость и износостойкость при азотировании обеспечивается нитридами или карбонитридами легирующих элементов. Наиболее широко применяется сталь 38Х2МЮА, кроме неё изготовлены стали 30Х3ВА, 30ХН2ВФА, 40ХНВА, 20Х3МВФА и др. Изготавливают шпиндели, опоры качения, гильзы, ходовые винты. Стали 28Х2Н4ВА, 38ХН3МА, 30Х3ВА, 20ХГН2МФ применяют для изготовления деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок. Примеры в таблице 10.

После азотирования образуется слой с нитридными или карбонитридными выделениями, толщиной 0,015-0,030 мм. Этот слой отличается высокими коррозионной стойкостью, твердостью, пределом прочности и текучести, повышается усталостная прочность стали.

Таблица 10 Состав и свойства (не менее) конструкционных азотируемых сталей

Марка	С	Cr	Ni	Mo(W)	Прочие	Термообработка		В,	Т,	,	,	KCU, МДж/м2
						Закалка, оС	Отпуск, оС	МПа		%
30Х2МЮА	0,35-0,45	1,35-1,65	-	0,15-0,25	0,7-1,1 Al	920-940 м(в)	625-650	1000	850	14	50	0,9
38Х2ВФЮА	0,35-0,42	1,5-1,8	-	(0,2-0,4)	0,1-0,8 V	900-950 м	600-650	1000		12	50	0,9
30ХН2ВФА	0,27-0,34	0,3-0,6	2,0-2,45	(0,6-0,8)	0,4-0,7 Al	850-870 м	540-620	1050		12	55	1,0
30Х2НВФА		1,35-1,75	0,7-1,0		0,1-0,18 V	900-920 м	520-540	1200	1000	10	45	0,8
30Х3ВА		2,3-2,7	-			870-890 м	580-620	1000	850	15	50	1,0
40ХНМА	0,37-0,44	0,3-0,6	0,7-1,0	0,7-1,0	0,06-0,12 V	840-860 м	600-620	1100		12	55	1,0

Улучшаемые стали. Стали, подвергаемые термическому улучшению (закалке с отпуском), широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.(см. таблицу 11).

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.

Улучшаемые легированные стали. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым.

Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА).

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.

Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400 ^oС. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Таблица 11 - Состав и свойства (не менее) конструкционных улучшаемых сталей

Марка	С	Mn	Cr	Ni	Прочие	Термообработка		В,	Т,	,	,	KCU, МДж/м2
						Закалка, оС	Отпуск, оС	МПа		%
4Х	0,36-0,44	0,3-0,8	0,8-1,1	0,3	-	860 м	500 в(м)	1000	800	10	45	0,6
40ХФА	0,37-0,44				0,10-0,18 V	880 м	650 в(м)	900	750	10	50	0,9
35ХАФ	0,32-0,38		2,0-2,6	0,02-0,04	0,09-0,15 V, 0,02-0,06 Al	940 м	600 в(м)	1100	950	15	50	0,6
40Г2	0,26-0,35	1,4-1,8	0,3	0,3	-	880 м	600 вз	600	350	15	45	-
30Г2	0,36-0,44				-	860 м	650 вз	670	390	12	40	-
40ХГТР	0,38-0,45	0,7-1,0	0,8-1,1		0,03-0,09 Ti, 0,001-0,005 B	840 м	550 в(м)	1000	800	11	45	0,8
35ХГФ	0,31-0,38	0,95-1,25	1,0-1,3		0,06-0,12 V	870 м	630 в(м)	930	800	14	55	0,8
38ХС	0,34-0,42	-	1,3-1,6		1,0-1,4 Si	900 м	630 м	950	750	12	50	0,7
30ХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,8-1,1		0,9-1,2 Si	880 м	540 в(м)	1100	850	10	45	0,5
30ХМА	0,26-0,33	-			0,15-0,25 Mo	880 м	540 в(м)	950	750	12	50	0,9
30Х3МФ	0,27-0,34	-	2,3-2,7		0,2-0,3 Mo, 0,06-0,12 V	870 м	620 в(м)	1000	850	12	55	1,0
40ХН	0,36-0,44	0,3-0,8	0,45-0,75	1,0-1,4	-	820 в(м)	530 в(м)	1000	800	11	45	0,7
30ХН3А	0,27-0,33		0,6-0,9	2,75-3,15	-	820 м	530 в(м)	1000	800	10	50	0,8
30ХН2МА	0,27-0,34			1,25-1,65	0,2-0,3 Mo	860 м	530 вз	1000	800	10	45	0,8
40ХН2МА	0,37-0,44				0,15-0,25 Mo	850 м	620 в(м)	1100	950	12	50	0,8
18Х2Н4МА	0,14-0,20		1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo	860 м	550 м	1050	800	12	50	1,2
30ХН3МФА	0,33-0,40		1,20-1,50	3,0-3,5	0,35-0,45 Mo, 0,10-0,18 V	850 м	600 вз	1200	1100	12	50	0,8

§ Высокопрочные машиностроительные конструкционные стали

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки.

1) Легированные низкоотпущенные стали. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250 ^oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита. После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большую пластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные. При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения.

Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 ^oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.

2) Высокая прочность может быть получена и за счет термомеханической обработки. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.

3) Мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) превосходят по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа.

Мартенситно-стареющие стали представляют собой безуглеродистые сплавы железа с никелем (8..25 %), дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном, алюминием, хромом и другими элементами. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода в результате закалки в воде или на воздухе фиксируется высокопластичный, но низкопрочный железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Основное упрочнение происходит в процессе старения при температуре 450…550 ^oС за счет выделения из мартенситной матрицы когерентно с ней связанных мелкодисперсных фаз. Мартенситно-стареющие стали обладают высокой конструкционной прочностью в интервале температур от криогенных до 500 ^oС и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, батискафов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т.д.

Кроме того, используют стали дисперсионно-твердеющие, упрочняемые при холодной деформации, стали со сверхмелким зерном (около 10 мкм), ПНП (пластичность, наведенная превращением) стали (TRIP-Steel)

§ Пружинные стали. Пружины, рессоры и другие упругие элементы являются важнейшими деталями различных машин и механизмов. В работе они испытывают многократные переменные нагрузки. Под действием нагрузки пружины и рессоры упруго деформируются, а после прекращения действия нагрузки восстанавливают свою первоначальную форму и размеры. Особенностью работы является то, что при значительных статических и ударных нагрузках они должны испытывать только упругую деформацию, остаточная деформация не допускается. Основные требования к пружинным сталям – обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению, стойкости к релаксации напряжений.

Пружины работают в области упругих деформаций, когда между действующим напряжением и деформацией наблюдается пропорциональность. При длительной работе пропорциональность нарушается из-за перехода части энергии упругой деформации в энергию пластической деформации. Напряжения при этом снижаются. Самопроизвольное снижение напряжений при постоянной суммарной деформации называется релаксацией напряжений. Релаксация приводит к снижению упругости и надежности работы пружин.

Пружины изготавливаются из углеродистых (65, 70) и легированных (60С2, 50ХГС, 60С2ХФА, 55ХГР, 65Г) конструкционных сталей.

Для упрочнения пружинных углеродистых сталей применяют холодную пластическую деформацию посредством дробеструйной и гидроабразивной обработок, в процессе которых в поверхностном слое деталей наводятся остаточные напряжения сжатия.

Повышенные значения предела упругости получают после закалки со средним отпуском при температуре 400…480 ^oС.

Для сталей, используемых для пружин, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость, чтобы получить структуру троостита по всему сечению.

Упругие и прочностные свойства пружинных сталей достигаются при изотермической закалке.

Пружинные стали легируют элементами, которые повышают предел упругости – кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором.

В целях повышения усталостной прочности не допускается обезуглероживание при нагреве под закалку и требуется высокое качество поверхности.

Пружины и другие элементы специального назначения изготавливают из высокохромистых мартенситных (30Х13), мартенситно-стареющих (03Х12Н10Д2Т), аустенитных нержавеющих (12Х18Н10Т), аустенито-мартенситных (09Х15Н8Ю), быстрорежущих (Р18) и других сталей и сплавов.

§ Шарикоподшипниковые стали. Подвергаются воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая прочность и износостойкость, высокий предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, полостей, ликваций. Шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1 %) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).

Высокое содержание углерода и хрома после закалки обеспечивает структуру мартенсит плюс карбиды, высокой твердости, износостойкости, необходимой прокаливаемости.

Дальнейшее увеличение прокаливаемости достигается дополнительным легированием марганцем, кремнием (ШХ15СГ).

Повышены требования в отношении чистоты и равномерности распределения карбидов, в противном случае может произойти выкрашивание. Стали подвергаются строгому металлургическому контролю на наличие пористости, неметаллических включений, карбидной сетки, карбидной ликвации.

Термическая обработка включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят после ковки для снижения твердости и подготовки структуры к закалке. Температура закалки составляет 790…880 ^oС в зависимости от массивности деталей. Охлаждение – в масле (кольца, ролики), в водном растворе соды или соли (шарики). Отпуск стали проводят при температуре 150…170 ^oС в течение 1…2 часов. Обеспечивается твердость 62…66 НRC.

Из стали ШХ9 изготавливают шарики и ролики небольших размеров, из стали ШХ15 – более крупные.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки (подшипники прокатных станов), изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ с последующей глубокой цементацией на глубину 5…10 мм. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18.

§ Конструкционные стали специального назначения.

Криогенные стали. Предназначены для работы при температурах ниже -80 ^оС. В основном для изготовления сосудов для сжиженных газов. Криогенные стали это не стали северного исполнения. Применяют 1) До -269 ^оС аустенитные хромоникелевые стали с 18-20 %Cr и 8-12 %Ni. Примеры – 08Х18Н20, 08Х18Н10; 2) До – 169 ^оС Хромомарганцевые 03Х13АГ19 и хромоникельмарганцевые 10Х14Г14Н4Т и 07Х21Г7АН5 стали. Подвергают закалке от 1050-1150 ^оС в воде для фиксации аустенитного состояния. 3) Ферритные стали, легированные никелем 0Н6, 0Н9 (до 0,06%С). Подвергают двойной нормализации. Первая для однородности -фазы, вторую для получения мелкодисперсной ферритной структуры. До -196 ^оС.

Износостойкие стали. Для работы в условиях изнашивания, сопровождаемого большими удельными нагрузками используется высокомарганцевая сталь 110Г13Л (сталь Гадфильда), имеющая в своем составе 1…1,4% углерода, 12…14 % марганца. Сталь имеет аустенитную структуру и относительно низкую твердость (200…250 НВ). В процессе работы, когда на деталь действуют высокие нагрузки, которые вызывают в материале напряжения, превосходящие предел текучести, происходит интенсивное наклепывание стали и рост ее твердости и износостойкости. При этом сталь сохраняет высокую вязкость. Благодаря этим свойствам сталь широко используется для изготовления корпусов шаровых мельниц, щек камнедробилок, крестовин рельсов, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и т.д.

Склонность к интенсивному наклепу является характерной особенностью сталей аустенитного класса.

Метастабильные аустенитные стали. Стали типа 0Х14АГ12М (кавитационностойкая, нормализация от 1050 ^оС) , 30Х10Г10 (кавитационностойкая, закалка от 1100 ^оС) для лопастей турбин гидростанций, гребных винтов, лопастей насосов и 60Х5Г10Л (износостойкая, закалка от 1150 ^оС) для литых бронефутеровочных плит дробильно-размольного оборудования.

Немагнитные стали повышенной прочности. Аустенитные стали типа 50Г18Х4 для бандажных колец роторов электрогенераторов. Упрочнение за счет наклепа.

Стали повышенной обрабатываемости. Автоматные стали. Автоматными называют стали, обладающие повышенной обрабатываемостью резанием. Эффективным металлургическим приемом повышения обрабатываемости резанием является введение в сталь серы, селена, теллура, кальция, которые изменяют состав неметаллических включений, а также свинца, который образует собственные включения.

Автоматные стали А12, А20 с повышенным содержанием серы и фосфора используются для изготовления малонагруженных деталей на станках автоматах (болты, винты, гайки, мелкие детали швейных, текстильных, счетных и других машин). Эти стали обладают улучшенной обрабатываемостью резанием, поверхность деталей получается чистой и ровной. Износостойкость может быть повышена цементацией и закалкой.

Стали А30 и А40Г предназначены для деталей, испытывающих более высокие нагрузки.

У автоматных сталей, содержащих свинец, (АС11, АС40), повышается стойкость инструмента в 1…3 раза и скорость резания на 25…50 %.

Легированные хромистые и хромоникелевые стали с присадкой свинца и кальция (АЦ45Г2, АСЦ30ХМ, АС20ХГНМ) используются для изготовления нагруженных деталей в автомобильной и тракторной промышленности.

Автоматные стали подвергают диффузионному отжигу при температуре 1100…1150 ^oС, для устранения ликвации серы.

Рельсовые стали. Рельсы Р75 и Р60 по ГОСТ 24182-80 изготавливают из стали М76 (0,71-0,82 %С, 0,75-1,05 %Mn, 0,18-0,40 %Si, менее 0,035 %P и 0,045 %S). Р50 из стали М74 (0,69-0,80%С). После горячей прокатки рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода (устранение флокенов). Рельсы подвергают объемной закалке в масле по всей длине.