книги / Основы металловедения и термообработки

Долговечность деталей, работающих при высоких темпе­ ратурах, обеспечивается применением жаропрочных материа­ лов, характеризующихся высокими значениями предела пол­

зучести и предела длительной прочности =15 МПа

(при 600 °С и напряжении 15 МПа удлинение образца не более 1 %), Oiwooo =12 МПа (при 650 °С и напряжении 12 МПа образец не

разрушается 100 000 ч).

Долговечность деталей, работающих в условиях развития химической или электрохимической коррозии (окислительная атмосфера нагретых газов или электролиты), обеспечивается применением жаростойких и коррозионно-стойких материалов.

8.2. Стали для строительных конструкций

По сравнению с углеродистыми сталями низколегирован­ ные строительные стали имеют более высокую прочность. Эти стали применяют в горячекатаном или нормализованном состоянии (лист, прокат), и поэтому повышение прочности свя­ зано с упрочнением феррита за счет его легирования сравни­ тельно малыми количествами Si, Mn, Сг, Ni, Си и некоторыми другими элементами. Так, например, по сравнению со сталями марок Ст.2 и Ст.З, имеющими предел текучести а 0,г = 240 МПа, сталь с таким же содержанием углерода, но легированная 1,5% Мп

и0,7 % Si, имеет ст0,2 = 360 МПа.

Кстроительным сталям относятся стали 14Г2, 17ГС,

14ХГС. Сталь 15ХСНД, содержащая Ni и Си, не переходит вхрупкое состояние при понижении температуры до -60 °С и, кроме того, имеет коррозионную стойкость в атмосферных условиях.

Стали марок 14Г2АФ, 17Г2АФБ, содержащие азот (А) и небольшие добавки V и Nb (до -0,1 %), получают упрочнение за счет мелкозернистости и наличия в структуре мелких частиц

карбонитридов ванадия и ниобия. После нормализации эти ста­ ли имеют Сто,2 = 450 МПа. Такие стали дополнительно упрочня­ ются контролируемой прокаткой, которая предполагает боль­ шие степени деформации в последних проходах при относитель­ но низкой температуре (800-850 °С). Упрочнение и снижение порога хладноломкости достигается за счет получения мелко­ зернистой структуры и дисперсных карбонитридных частиц. Сварные конструкции с использованием листа и сортового про­ ката этих сталей могут не подвергаться дополнительной терми­ ческой обработке.

Стали с более высоким содержанием углерода (25Г2С, 30ХГС), имеющие более высокую прочность, используют в виде проката для армирования предварительно напряженного желе­ зобетона.

Несмотря на более высокую стоимость низколегированных сталей по сравнению с углеродистыми сталями их применение в строительных конструкциях экономически целесообразно, так как позволяет снизить расход металла на 20-25 %.

8.3. Низкоуглеродистые цементуемые стали

Низко- и среднелегированные стали с содержанием углеро­ да 0,1-0,3 % часто применяют для деталей, работающих в усло­ виях контактных нагрузок и трения, испытывающих износ и знакопеременное нагружение (шестерни, зубчатые колеса, ку­ лачки и т.п.). Для таких деталей нужна высокая твердость по­ верхности в сочетании с вязкой и достаточно прочной сердце­ виной. Это достигается цементацией, насыщающей поверхность деталей углеродом на глубину до 1,2-1,7 мм. Последующая за­ калка и низкий отпуск дает высокую твердость поверхности (HRC 58-63) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине (табл. 9). В таблице указана прокаливаемость стали (Дф), увели­ чивающаяся по мере возрастания степени легированности стали.

Т а б л и ц а 9

Термическая обработка после цементации и механические свойства легированных низкоуглеродистых (цементуемых) сталей

обеспечивающие высокую прокаливаемость, применяют для крупногабаритных деталей (сечение до 100 мм) ответственного назначения, закаливаемых охлаждением на воздухе, что исклю­ чает опасность их коробления и образования трещин. Следует отметить, что стали с 3-4 % Ni после закалки содержат в струк­ туре науглероженного слоя кроме мартенсита и карбидов значи­ тельное количество остаточного аустенита (до 60 %). В связи с этим цементованные детали после закалки обрабатывают хо­ лодом для превращения остаточного аустенита в мартенсит итолько после этого проводят низкий отпуск.

Хромомарганцевые стали с титаном и молибденом (18ХГТ, ЗОХГТ, 25 ХГМ) предназначены для замены дорогих хромони­ келевых сталей. Вместо никеля они содержат марганец, обеспе­ чивающий в сочетании с хромом прокаливаемость до 60 мм; титан и молибден введены для получения мелкозернистой структуры. Эти стали превосходят хромоникелевые по твердо­ сти и прочности, но уступают им по вязкости. Они применяются для деталей крупносерийного и массового производства (зубча­ тые колеса автомобилей).

8.4. Среднеуглеродистые (улучшаемые) стали

Эти стали предназначены для изготовления ответственных деталей машин (валы, штоки, шатуны и т.п.), работающих в ус­ ловиях ударных и циклических нагрузок, концентрации напря­ жений, а иногда и при пониженных температурах. Они должны иметь высокий предел текучести ст0,2 в сочетании с высокой пла­ стичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам и низким порогом хладноломкости (табл. 10).

Дц, - прокаливасмость - глубина закаленной зоны.

Улучшаемые стали (их упрочняющая термообработка, на­ зываемая улучшением, включает закалку и высокий отпуск при 550-650 °С) содержат 0,3-0,5 % С, не более 5 % суммарного ко­ личества легирующих элементов и до 0,15 % V, Ti или Nb, спо­ собствующих получению мелкозернистой структуры.

Различное сочетание и количество легирующих элементов (Сг, Ni, Мп, Si, Mo, W) должно обеспечить сквозную прокали-

ваемость деталей, сдерживание распада мартенсита при отпуске и предотвращение развития отпускной хрупкости. Обычное со­ держание кремния и марганца в этих сталях составляет соответ­ ственно 0,17-0,37 % и 0,5-0,8 %, а суммарное содержание S и Р - менее 0,03 %.

Прокаливаемость хромистых сталей 30Х, 40Х, 50Х не пре­ вышает 20 мм; дополнительное их легирование (40ХГ, 30ХГТ, 40ХР, 30ХМ) увеличивает прокаливаемость до 25 мм. К этой группе улучшаемых сталей относятся так называемые хромансилы 20ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА (содержат по 1 % Cr, Mn, Si), хорошо сваривающиеся и обладающие высокой прочностью (<т0,2= 1200 МПа) и достаточной вязкостью (KCU = 0,4 МДж/м2). Общий недостаток этих сталей - склонность к отпускной хруп­ кости второго рода, для предотвращения которой необходимо ускоренное охлаждение после высокого отпуска. Введение мо­ либдена (30ХМ) снижает отпускную хрупкость стали.

Хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni (40ХН, 40ХНМА, 45ХН), прокаливаются в сечениях до 50 мм. Наличие никеля в этих сталях позволяет им сохранять достаточную вяз­ кость при пониженной температуре эксплуатации.

Глубоко прокаливающиеся (до 100 мм сечения) комплекс­ но-легированные хромоникельмолибденовые стали с 3-4 % Ni (38ХНЗМФА, 38XH3MA, 40Х2НЗМФА) относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей, хотя и сравнительно дороги. Для них характерна меньшая склонность к хрупкому разруше­ нию. Они предназначены для деталей наиболее ответственного назначения - валы и роторы турбин, тяжело нагруженные дета­ ли компрессорных машин, редукторов, детали ствольной груп­ пы артиллерийских систем.

Общим недостатком всех перечисленных сталей является их склонность к флокенообразованию в поковках, отливках, прокате.

к хрупкому разрушению даже при статическом одноосном рас­ тяжении образцов.

Запас вязкости стали увеличивается, если обеспечивается мелкозернистость структуры и повышенное металлургическое качество металла (низкое содержание S, Р, газов, неметалличе­ ских включений).

Повышение вязкости стали при легировании достигается прежде всего введением никеля (1,5-3 %). Вводимые вместе с никелем в небольшом количестве Si, Mo, W, V затрудняют распад мартенсита и разупрочнение стали при отпуске, позволяя несколько повысить температуру отпуска и тем самым полнее снять закалочные напряжения. Кроме того, карбидообразующие элементы (V, W, Mo, Сг) сдерживают рост зерна при нагреве под закалку. Хром и марганец вводят для обеспечения нужной прокаливаемости.

Наиболее распространенные высокопрочные низкоотпущенные (Гоп, * 280-300 °С): 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 38ХЗГСНМВФА, 30Х5МСФА, 30Х2ГСН2ВМ. Термообработка с изотермической закалкой дает меньшую прочность этих сталей, но повышает их пластичность и вязкость (табл. 11).

Т а б л и ц а 11

Механические свойства среднеуглеродистых низкоотпущенных высокопрочных сталей

Примечания: 1. о* - прочность, определяемая на образцах с трещиной;

2. в числителе - свойства после закалки (900 °С) и отпуска (2S0 °С), в знамена­ теле - после изотермической закалки.

Дополнительное повышение комплекса механических свойств среднеуглеродистых легированных сталей, в том числе высокопрочных, может быть достигнуто комбинированной об­ работкой, включающей деформационное упрочнение (термоме­ ханическая обработка, деформационное старение мартенсита).

Термомеханическая обработка (ТМО) совмещает два ме­ ханизма упрочнения стали - пластическую деформацию аусте­ нита и закалку - в единый технологический процесс. В зависи­ мости от температуры деформации аустенита - выше или ниже температуры рекристаллизации - различают высокотемпера­ турную (ВТМО) и низкотемпературную (НТМО) термомехани­ ческую обработку (рис. 88). ТМО заканчивается низким отпус­ ком при « 200 °С.

Рис. 88. Схема термомеханической обработки стали:

а- ВТМО; б - НТМО (заштрихованная зона - интервал температур рекристаллизации)

При ВТМО деформацию заготовок ведут при температуре выше температуры А3 стали и немедленно закаливают, предот­ вращая рекристаллизацию аустенита. Специфическая дислока­ ционная структура наклепанного аустенита наследуется мартен­ ситом, обеспечивая более высокую прочность (на 10-15 %) и пластичность (в 1,5-2 раза) стали по сравнению с обычной термообработкой (закалкой и низким отпуском).