Раздел 7. Основные металлические машиностроительные материалы

В настоящие время металлические материалы все еще довольно прочно занимают главенствующее место в промышленном производстве. Без этих материалов немыслим технический прогресс в различных отраслях техники, которая предъявляет все новые требования по увеличению надежности деталей машин и оборудования в широком диапазоне температур, давлений и воздействия внешних сред различного агрегатного состояния и агрессивности.

Уясните для себя, что понимают под конструкционной прочностью и разберите основные критерии: прочность, жесткость, надежность и долговечность. Особое внимание уделите понятию «внешняя среда», с учетом влияния которой и разрабатываются все материалы для конкретных условий использования.

7.1. Легированные стали и сплавы

Легированной называют сталь, в состав которой с целью изменения структуры и свойств введены специальные легирующие элементы. Легированные стали имеют ряд существенных преимуществ перед углеродистыми. Они имеют более высокие механические свойства и обеспечивают сочетание ряда других специальных свойств (жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, коррозионную стойкость и др.), что позволяет называть этот класс материалов специальными сталями и сплавами.

7.1.1. Основы легирования углеродистых сталей и чугунов

Одной из основных задач материаловедения является разработка металлических материалов, применение которых позволит уменьшить габариты и металлоемкость машин и оборудования, снизить их стоимость. Добавка к углеродистой стали даже небольшого количества (до 1-2%) недорогих легирующих элементов (кремния, марганца и некоторых других) незначительно удорожает эту сталь, но позволяет уменьшить размеры, увеличить долговечность и надежность деталей машин и инструмента, так как легированные стали обладают повышенной прочностью, что в конечном итоге снижает расход металла и дает экономический эффект.

Разберите, почему свойства легированных сталей отличаются от свойств углеродистых при одном и том же содержании углерода. Начните с влияния легирующих элементов на положение критических точек и линий диаграммы железо-цементит. При небольшом содержании легирующих элементов (2—5%) критические линии диаграммы сдвинуты незначительно, поэтому структура низколегированных сталей, а значит, и их свойства в отожженном состоянии мало отличаются от свойств углеродистой стали. Все преимущества низколегированных сталей проявляются только после закалки, поэтому такие стали следует применять только для деталей, которые по условиям работы должны подвергаться упрочняющей термической обработке. При большом содержании легирующих элементов (10—15%) критические точки А₁ и А₃ значительно повышаются или понижаются, структуру таких сталей при комнатной температуре можно получить однофазной ферритной или аустенитной, а в ферритных сталях при повышенном содержании углерода наряду с ферритом могут быть и карбиды. Ферритные и аустенитные стали, как правило, обладают собственными ярко выраженными физико-химическими свойствами (нержавеющие, немагнитные и др.). Поскольку они однофазны, их нельзя упрочнять закалкой, они обычно упрочняются пластической деформацией (наклепом).

Процессы, протекающие при термической обработке легированных сталей те же, что и в углеродистых, но при назначении режима термической обработки необходимо учитывать ряд факторов. Легированные стали можно закаливать в масле, расплавленных солях и т.п.; у них меньше критическая скорость закалки (так как почти все легирующие элементы сдвигают кривые изотермического распада аустенита вправо). Это является их большим достоинством, так как при одинаковой прочности получается повышенная вязкость. Следует отчетливо понять, что чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали, и при одной и той же скорости охлаждения, например в масле, будет больше глубина закаленного слоя. Поэтому у легированных сталей в значительно большем сечении можно получить равнопрочную одинаковую по строению структуру (см. раздел 6.2).

Необходимо знать классификацию легированных сталей и чугунов по различным признакам и их маркировку, уметь правильно определить по марке стали и чугуна их химический состав и примерное назначение.

Вопросы для самопроверки

1. Как влияют легирующие элементы на критические точки и линии диаграммы железо—цементит?

2. Как влияют легирующие элементы на механические свойства стали?

3. Как влияют легирующие элементы на мартенситную точку и какое это имеет практическое значение?

4. Какое практическое значение имеет возможность закаливания легированных сталей в масле?

5. Почему структура высоколегированных сталей может значительно отличаться от углеродистых?

6. Как влияет легирование стали на размеры и массу деталей машин и оборудования?