- •О. В. Климов, ю. І. Кононенко, в. Л. Грешта сталі та сплави з особливими властивостями
- •1 Визначення структурних класів заданих марок легованих сталей з використанням діаграм рівноваги та перетворення переохолодженого аустеніту
- •1.1 Вплив легувальних елементів на структуру сталі
- •1.2 Класифікація легованих сталей
- •2 Зносостійкі матеріали
- •2.1 Види зносу та шляхи підвищення зносостійкості
- •2.2 Матеріали з високою твердістю поверхні
- •2.2.1 Матеріали, стійкі до абразивного зносу
- •2.2.2 Матеріали з високим опором зносу від втоми
- •2.2.3 Графітизовані сталі
- •2.2.4 Матеріали стійкі до зносу в умовах високого тиску та ударних навантажень
- •2.3 Антифрикційні матеріали
- •2.4 Фрикційні матеріали
- •3 Корозійностійкі матеріали
- •3.1 Види та механізми корозії
- •3.2 Корозійностійкі матеріали
- •3.2.1 Атмосферокорозійностійкі низьколеговані сталі (акс)
- •3.2.2 Корозійностійкі сталі (кс)
- •3.2.2.1 Особливості хімічного складу та структури неіржавіючих сталей
- •3.2.2.2 Крихкість корозійностійких сталей
- •3.2.2.3 Корозійностійкі сталі, що підлягають термічному зміцненню
- •3.2.2.4 Корозійностійкі сталі, які не зміцнюються термічною обробкою
- •3.2.3 Сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •3.2.4 Титан та його сплави
- •3.2.5 Алюміній та його сплави
- •3.2.6 Мідь та її сплави
- •3.2.7 Тугоплавкі метали
- •3.2.8 Благородні метали
- •3.2.9 Неметалеві матеріали
- •4 Матеріали стійкі до впливу температури та зовнішнього робочого середовища
- •4.1 Жаростійкі матеріали
- •4.1.1 Принципи легування жаростійких сталей
- •4.1.2 Феритні хромисті та хромоалюмінієві сталі
- •4.1.3 Мартенситні та мартенсито-феритні хромокремнієві сталі
- •4.1.4 Аустенітні сталі та сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •4.1.5 Інші матеріали
- •4.2 Жароміцні матеріали
- •4.2.1 Особливості хімічного складу та структури жароміцних матеріалів
- •4.2.2 Класифікація жароміцних матеріалів
- •4.2.3 Помірно жароміцні сталі перлітного та мартенситного класів
- •4.2.3.1 Перлітні сталі
- •4.2.3.2 Хромисті сталі мартенситного та мартенсито-феритного класу
- •4.2.4 Жароміцні сталі аустенітного класу
- •4.2.4.1 Гомогенні сталі
- •4.2.4.2 Сталі з карбідним зміцненням
- •4.2.4.3 Сталі з інтерметалідним зміцненням
- •4.2.5 Жароміцні сплави на залізонікелевій та нікелевій основі
- •4.2.5.1 Залізонікелеві сплави
- •4.2.5.2 Сплави на нікелевій основі
- •4.2.6 Жароміцні сплави на основі кобальту
- •4.2.7 Інші матеріали
- •4.2.7.1 Помірно жароміцні матеріали
- •4.2.7.2 Жароміцні сплави на основі важкотопких елементів
- •4.2.7.3 Композиційні жароміцні матеріали
- •4.3 Холодостійкі матеріали
- •4.3.1 Критерії холодостійких матеріалів
- •4.3.2 Холодостійкі сталі
- •4.3.2.1 Холодостійкі сталі кліматичного холоду
- •4.3.2.2 Сталі для кріогенної техніки
- •4.3.2.2.1 Аустенітні сталі
- •4.3.2.2.2 Нікелеві низьковуглецеві сталі
- •4.3.2.3 Ливарні сталі
- •4.3.3 Залізонікелеві сплави
- •4.3.4 Сплави кольорових металів для кріогенної техніки
- •4.3.4.1 Алюміній та його сплави
- •4.3.4.2 Титан та його сплави
- •4.3.4.3 Мідь та її сплави
- •4.3.5 Холодостійкі неметалеві матеріали
- •5 Матеріали з особливими фізичними властивостями
- •5.1 Провідникові матеріали
- •5.1.1 Електричні властивості провідникових матеріалів
- •5.1.2 Провідникові матеріали
- •5.1.2.1 Метали та сплави з високою провідністю
- •5.1.2.2 Припої
- •5.1.2.3 Надпровідники
- •5.1.2.4 Контактні матеріали
- •5.1.2.5 Сплави з підвищеним електричним опором
- •5.1.2.6 Матеріали для термопар
- •5.2 Матеріали з особливими магнітними властивостями
- •5.2.1 Особливості процесів намагнічування матеріалів у зовнішньому магнітному полі
- •5.2.2 Магнітом’які матеріали
- •5.2.2.1 Низькочастотні магнітом’які матеріали
- •5.2.2.2 Високочастотні магнітом’які матеріали
- •5.2.3 Магнітотверді матеріали
- •5.3 Сплави з особливими тепловими властивостями
- •5.3.1 Сплави з заданим температурним коефіцієнтом лінійного розширення
- •5.3.2 Сплави з заданим температурним коефіцієнтом модуля пружності
- •5.4 Матеріали з ефектом пам’яті форми
- •5.4.1 Механізм ефекту пам’яті форми
- •5.4.2 Сплави з ефектом пам’яті форми
- •5.4.3 Застосування сплавів з ефектом пам’яті форми
- •5.5 Радіаційностійкі матеріали
- •5.5.1 Радіаційні дефекти та властивості матеріалів
- •5.5.2 Основні компоненти сучасного ядерного реактору
- •5.5.3 Радіаційностійкі матеріали
- •Література
- •6.050403 «Інженерне матеріалознавство»
2.2.3 Графітизовані сталі
До окремої групи матеріалів, які можуть мати високу стійкість до абразивного зносу та підвищений опір втомі, можна віднести графітизовані сталі.
В цих сталях завдяки спеціальній графітизаційній термічній обробці отримують характерні виділення графіту. Незважаючи на деяке зниження твердості та міцності, включення графіту виконують роль змащувального матеріалу і цим підвищують зносостійкість.
Графітизовані заевтектоїдні сталі зазвичай містять близько 1,5 % вуглецю, а також кремній в кількості від 0,7 до 2 %. Кремній виконує роль основного графітизатора при відпаленні. Хром перешкоджає графітизації, тому наявність його в цих сталях є небажаною. Механічні властивості графітизованих сталей залежать від їх структури.
Графітизовані сталі володіють добрими ливарними властивостями, характеризуються високою рідкоплинністю, низькими лінійною усадкою та схильністю до утворення гарячих та холодних тріщин. Сталі володіють задовільною деформаційною здатністю, тому їх використовують як в литому, так і в деформованому стані. Термічна обробка графітизованих сталей складається з графітизаційного відпалення, який проводять в два етапи. Перший етап – це нагрівання до 850–950 °С із витримкою від 2 до 12 годин (в залежності від хімічного складу), другий етап– витримка при 700–780 °С. При першому відпалюванні відбувається графітизація вторинного цементиту, при другому – формується структура металевої основи сталі.
Графітизовані сталі піддають операції поліпшення, що складається з гарту та відпуску при 680–700 °С. Після поліпшення сталі мають структуру зернистого перліту та графіту.
Графітизовані сталі в загартованому стані (НRC 63) використовують для виготовлення формоутворюючих штампів для холодного штампування, волочильного інструмента, ножів, куль млинів, кожухів та лопатей дробострумінних апаратів. Після відпалення ці сталі використовують для виготовлення вкладишів вальниць ковзання, поршневих кілець тощо (тобто як антифрикційні матеріали) [2, 6].
2.2.4 Матеріали стійкі до зносу в умовах високого тиску та ударних навантажень
Тертя з високим тиском та ударним навантаженням характерно для роботи гусеничних траків, ковшів екскаваторів, хрестовин залізничних колій та деяких інших деталей.
Високомарганцеві аустенітні сталі використовуються в умовах ударно-абразивного зношування та підвищеного тиску. Раніше вже було відмічено, що головною умовою підвищеної зносостійкості є висока поверхнева твердість. Однак існує група сталей, які при низькій твердості 200…250 НВ, в умовах ударного навантаження або високого питомого тиску, набувають високої зносостійкості. До таких сталей відносять високомарганцеві сталі 110Г13Л, 110Г13ХБРЛ, 120Г10ФЛ, 110Г13ФТЛ та ін. Завдяки високому вмісту вуглецю та марганцю сталі володіють відносно стабільною аустенітною структурою. Зазвичай їх використовують в литому стані.
Сталь 110Г13 містить близько 1,1 % С та 13 % Mn. Висока зносостійкість цієї сталі обумовлена здатністю аустеніту до сильного деформаційного зміцнення (наклепу). Сталь погано піддається обробці різанням, тому деталі з неї виготовляють литвом (буква Л у маркуванні). Зносостійкість сталі 110Г13Л максимальна, якщо вона має однофазну аустенітну структуру. Таку структуру забезпечують гартом від 1100 °С у воду. Після гарту сталь має низьку твердість (НВ 200) та високу в’язкість. Якщо така сталь під час роботи зазнає тільки абразивного зношування, її взагалі не можна розглядати як зносостійку. В умовах ударного впливу в поверхневому шарі сталі утворюється значна кількість дефектів кристалічної будови (дислокацій, дефектів пакування). Внаслідок цього твердість поверхні зростає у декілька разів (до 600 НВ) і сталь стає зносостійкою.
Знос, пов’язаний з ударними навантаженнями поверхні, спостерігається також при кавітації, яка виникає під час роботи суднових гвинтів, лопатей гідротурбін, циліндрів гідронасосів. Кавітаційний знос утворюють струмини рідини у момент закриття бульок газів або повітря. Численні мікроудари, які утворюються при цьому, викликають процеси втоми, які, у свою чергу, підсилюються під впливом корозії.
Для кавітаційностійких виробів використовують хромомарганцеві сталі з нестабільною структурою аустеніту. У цих сталях, крім деформаційного зміцнення марганцевого аустеніту, відбувається мартенситне зміцнення, на розвиток якого витрачається енергія удару.
Мартенситне перетворення під впливом деформації в аустенітних сталях набуває розвитку, якщо деформацію здійснюють нижче температури Мд. Значення температур Мп та Мд розглядаються як умовний показник стабільності аустеніту.
При рівних значеннях температур мартенситних точок та однаковому вмісті вуглецю, утворення мартенситу при деформації відбувається більш інтенсивно у марганцевих або хромомарганцевих сталях, ніж у нікелевих та хромонікелевих. Це пов’язано з низькою енергією дефектів пакування, які і стають зародками кристалів - та -мартенситу деформації.
Кавітаційна стійкість знаходиться у прямій залежності від схильності сталі до зміцнення в процесі впливу зовнішнього (робочого) середовища. Значення мартенситних перетворень полягає не лише у високому рівні зміцнення, а і в тому, що в процесі мартенситного перетворення відбувається релаксація напружень і зростає опір утворенню тріщин втоми.
Найбільш поширене використання кавітаційностійких сталей марок 30Х10Г10, 0Х14АГ12, які мають активну кінетику мартенситоутворення під час деформації. Рівномірна деформація та руйнування поверхневого шару сталей з метастабільним аустенітом приводять до того, що на поверхні утворюється новий шар, у якому внаслідок дії гідравлічних ударів знов відбувається мартенситне перетворення. Багаторазове повторення цього процесу обумовлює дуже повільний розвиток руйнування, відповідно високу експлуатаційну стійкість [1, 2].