Глава 4. Модуль 4. «Материалы, применяемые в технике»

Раздел 1. Промышленные стали и сплавы

1. Общая классификация и маркировка сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качест-ву, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые

(< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3÷0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0,7 % С). Легированные стали в зависимости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5 %, в среднелегированных содержится от 5 до

10 %, в высоколегированных - более 10 %.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей - серы и фосфора. Нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по качеству.

Сера и фосфор - вредные технологические примеси. Сера вызывает в стали повышенную хрупкость в горячем состоянии – красноломкость, фосфор чрезвычайно понижает вязкость, осо-бенно при отрицательных температурах, вызывая так называе-мую хладноломкость. Количество серы и фосфора в стали стро-го ограничивается. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % Р, качественные - не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.

По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление - процесс удаления из жидкого металла кислорода, проводимый для предотвращения хрупкого разруше-ния стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвердевании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Выделение пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуг-леродистыми и практически без кремния (Si < 0,07 %), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аустенитные и ферритные.

По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструкционные стали можно разделить на стали нормальной (средней) прочности (_в  1000 Мпа), повышенной прочности (_в  1500 Мпа) и высокопрочные (_в  1500 Мпа).

По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.

Углеродистые стали. На долю углеродистых сталей приходится 80 % от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Главный недостаток углеродистых сталей - небольшая прокаливаемость (до 12 мм), что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой. Крупные детали изготовляют из сталей без термического упрочнения - в горячекатаном или нормализованном состояниях, что требует увеличения металлоемкости конструкций. Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества преиму-щественно используют в строительстве как наиболее дешёвые, технологичные и обладающие прочностью, достаточной для изготовления металлоконструкций различного назначения. Для этих сталей марки, химический состав и степень раскисления при выплавке регламентирует ГОСТ 380 - 94.

Стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В. Стали маркируют сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей номер марки, а не среднее содержание углерода, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается. Стали групп Б и В имеют перед маркой буквы Б и В, указывающие на их принадлежность к этим группам. Группа А в обозначении марки не указывается. Степень раскисления обозначают добавлением в спокойных сталях букв «сп», в полуспокойных - «пс», в кипящих - «кп». Например, СтЗсп, БСтЗпс, ВСтЗкп. Спокойными и полуспокойными производят стали Ст1 - Ст6, кипящими - Ст1 - Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в этой стали указывают только содержание углерода (С< 0,23 %), серы (S < 0,06 %) и фосфора (Р < 0,07 %).

Три марки стали производят с повышенным (0,80÷1,1 %) содержанием марганца, на что указывает буква «Г» в марке: Ст3Гпс, Ст5Гпс.

Для всех сталей, кроме Ст0, справедлива следующая формула: С (%)  0,07 × номер марки. Так, в стали СтЗ содержание углерода можно определить по формуле:

С  0,07 × 3  0,21 % (фактически 0,14÷0,22 %).

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами, без указания химического состава. Их используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой. В том случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Для таких сталей важны сведения о химическом составе, необходимые для определения режима горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Стали группы В дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей (для производства сварных конструкций).

Сталь марки Ст1 применяется в нефтяном машино-строении для изготовления неответственных деталей: простые стойки и опоры, шайбы, прокладки и т.д.

Широко распространена сталь марки Ст3. Из этой марки можно изготовлять такие сварные и штампованные изделия, как рамы, каркасы, салазки тяжелого нефтепромыслового оборудования, детали буровых и эксплуатационных вышек и мачт, тормозные ленты, заглушки, корпуса редукторов и т.д.

Из стали марки Ст5 изготовляют кожухи глубинных насосов, корпусы нажимных и промежуточных дисков соединительных муфт буровых установок, пальцы, втулки и т.д.

Из стали марки Ст6 изготовляют детали, требующие более высокой прочности, например: промежуточные валы, ролики в передвижных агрегатах, скалки насосов, втулки и т.д.

Листовой и сортовой прокат углеродистых сталей обыкновенного широко применяется для изготовления оборудования и аппаратуры нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов.

Необходимо учесть, что большинство аппаратов изготовляются сварными. Поэтому сталь обыкновенного качества должна обладать хорошей свариваемостью.

Оборудование и аппаратура нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, в целом ряде случаев, работает при давлениях, подвергаясь воздействию как высоких, так и низких температур, а температура является одним из основных факторов, влияющих на механические свойства стали.

Как правило, температура рабочей среды для оборудования, изготовленного из углеродистой стали обыкновенного качества должна быть в пределах от –40 до +450С, даже при сравнительно низких напряжениях. Это ограничение прежде всего относится к печным трубам и листовому прокату, применяемому для изготовления паровых котлов и сосудов, работающих с внутренним давлением.

При ударных нагрузках нижний температурный предел рекомендуется не ниже -25С.

Ниже приводятся примеры применения углеродистой стали обыкновенного качества для изготовления аппаратуры и оборудования нефтезаводов.

Прокат из стали Ст1 и Ст2 применяется для изготовления небольших баков под налив, прямоугольных резервуаров погружных конденсаторов-холодильников, опор небольших вертикальных аппаратов, труб, балок и пр., работающих при давлении среды не более 16 кг/см² и рабочей температуре стенки от –15 до +200С.

Стали марок Ст3кп и Ст4кп применяются при давлениях до 50 кг/см² и рабочей температуре от –30 до +200С, а стали марок Ст3 и Ст4 при температуре от –30 до +400С. Из этих сталей изготовляют детали неогневой аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов: реакционные камеры, газосепараторы, корпусы теплообменников и т.д.

Сталь Ст5 применяется для изготовления сосудов, работающих при давлении не более 50 кг/см² и температуре стенки от –30 до +400С, запорных элементов арматуры, работающей при температуре до 300С в некоррозионной среде, для крепежных деталей при температуре не выше 350С, решеток теплообменников, предназначенных для работы с некоторой нефтью и ее продуктами.

Углеродистые качественные стали. Эти стали характеризуются более низким, чем у сталей обыкновенного качества, содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 4.1). Маркируют их двухзначными числами: 08, 10, 15, 20, ..., 60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-88). Например, сталь 10 содержит в среднем 0,10 % С, сталь 45 - 0,45 % С и т.д.

Таблица 4.1.

Свойства углеродистых качественных сталей

в нормализованном состоянии

Марка стали	С, %	в	0,2			НВ	KCU, МДж/м2
		МПа		МПа
08	0,05 – 0,12	330	200	33	60	131	-
10	0,07 – 0,14	340	210	31	55	143	-
15	0,12 – 0,19	380	230	27	55	149	-
20	0,17 – 0,24	420	250	25	55	163	-
30	0,27 – 0,35	500	300	21	50	179	0,8
40	0,37 – 0.45	580	340	19	45	217	0,6
50	0.47 – 0,55	640	380	14	40	241	0,4
55	0.52 – 0,6	660	390	13	35	255	-
60	0.57 – 0,65	690	410	12	35	255	-

Низкоуглеродистые стали по назначению подразделяют на две подгруппы.

1. Малопрочные и высокопластичные стали 08, 10. Из-за способности к глубокой вытяжке их применяют для холодной штамповки различных изделий. Без термической обработки эти стали используют для шайб, прокладок, кожухов и других деталей, изготавливаемых холодной деформацией и сваркой.

2. Цементуемые - стали 15, 20, 25. Предназначены они для деталей небольшого размера (кулачки, толкатели, малонагруженные шестерни), от которых требуется твердая, износостойкая поверхность и вязкая сердцевина.

Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 отличаются большей прочностью, но меньшей пластичностью, чем низкоуглеродистые. После улучшения стали применяют для изготовления деталей небольшого размера, работоспособность которых определяется сопротивлением усталости (шатуны, коленчатые валы малооборотных двигателей, зубчатые колоса, оси и т.п.). При этом возможный размер деталей зависит от условий их работы и требований к прокаливаемости.

Сталь марок 40 и 45 применяется для изготовления муфт насосных штанг, валов центробежных насосов, компрессоров, роторов, цепных колес буровых лебедок и т.д.

Сталь марок 50 - 70 обладает высокой прочностью и высокими упругими свойствами и применяется для изготовления спиральных пружин лебедок, пружинных шайб и колец, клапанных пружин и т.д.

Применение углеродистой конструкционной стали в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности ограничено узкой областью рабочих температур и, кроме того, низкой коррозионной стойкостью.

В связи с этим, детали оборудования и аппаратуры, рабо-тающие в агрессивных средах, а также при температурах выше 475÷500°С должны изготавливаться из легированной стали.

Если в состав стали, для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, то такую сталь называют легированной. В конструкционных сталях основными легирующими элементами являются хром, никель, кремний и марганец.

Никель увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости.

Легированные стали маркируются сочетанием букв и цифр, обозначающих химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром - X, никель - Н, марганец - Г, кремний - С, молибден - М, вольфрам - В, титан - Т, ванадий - Ф, алюминий - Ю, медь - Д, ниобий - Б, бор - Р, кобальт - К. Число, стоящее после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1 %.

Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0,20 % С, 1 % Сr и З % Ni. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали (напри-мер, после электрошлакового переплава) имеют в конце марки букву Ш, например З0ХГС-Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных - с буквы А.

Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (П - пробная) и порядковым номером (например, ЭИ415, ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

Значительный интерес представляют низколегированные стали. Как показал опыт заводов, применение низколе-гированной стали в аппаратостроении позволяет улучшить технико-экономические показатели производства и добиться существенной экономии металла за счет более высокого предела текучести ряда марок низколегированной стали по сравнению с обычной углеродистой сталью.

Низколегированные строительные стали содержат относительно малые количества углерода: 0,1÷0,25 %. По сравнению с углеродистыми сталями более высокая прочность строительных низколегированных сталей достигается упрочне-нием феррита за счет легирования сравнительно малыми коли-чествами кремния и марганца, а также хрома, никеля, меди и некоторых других элементов.

Детали строительных конструкций обычно соединяют сваркой. Поэтому основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому стали, используемые для изготовления строительных конструкций, не должны содержать более 0,25 % С.

К низколегированным строительным сталям для строи-тельных конструкций относятся стали марок 14Г2, 17ГС, 14ХГС, 15ХСНД. Сталь 15ХСНД, содержащая никель и медь, работает в конструкциях при температурах до –60°С без пере-хода в хрупкое состояние. Кроме того, введение этих элементов увеличивает коррозионную стойкость стали в атмосферных ус-ловиях. Введение в стали небольших добавок ванадия и ниобия (до 0,1 %) совместно с азотом (0,015÷0,025 %) обеспечивает дополнительное упрочнение за счет образования карбонитридов этих элементов и измельчения зерна. К сталям такого типа относятся низколегированные стали марок 14Г2АФ, 17Г2АФБ и другие с _0,2 = 450 МПа после нормализаци. Такие стали используют в строительстве и машиностроении в виде листов и сортового фасонного проката для изготовления сварных конструкций без дополнительной термической обработки.

В нефтяной, нефтехимической промышленности наиболее широко применяют стали марок 16ГС, 09Г2С, 12ХМ. В частности для изготовления аппаратуры и сосудов нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, работающих под давлением при температурах до 475°С, находят применение стали марок 16ГС, 09Г2С и 10Г2С1. Предел применения этих сталей при низких температурах -70°С.

На установках каталического риформинга и гидроочистки сталь 12ХМ используется для изготовления корпусов аппаратов, днищ и других деталей, эксплуатируемых в малоагрессивных средах, когда необходима повышенная теплоустойчивость.

В условиях сероводородной коррозии её применение, также как и углеродистой стали, ограничивается температурой порядка 260°С.

Для изготовления нефтепроводных труб большого диаметра (до 2500 мм) применяются углеродистые (С  0,22 %, Мn  0,65 %, Si  0,37 %) и низколегированные стали с содержанием С  0,20 % и Mn до 1,65 % и добавками Сг, V, Nb.

Для изготовления магистральных газопроводных труб большого диаметра применяют стали 14ХГС, 17Г1С и др..

Для изготовления деталей, работающих под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа, применяют низкоуглеродистые цементуемые стали, содержащие обычно не более 0,2 % С, подвергаемые цемента-ции, закалке и низкому отпуску.

Твердость поверхности готовой детали должна составлять около 20÷40 НRС. В отличие от слабопрока-ливающихся углеродистых сталей при цементации и термообработке легированных сталей происходит дополнительное упрочнение сердцевины. Это упрочнение тем больше, чем более легирована сталь.

Таблица 4.2

Характеристика цементируемых сталей после закалки и низкого отпуска

Марка стали	0,2 , Мпа	в , Мпа	, %	, %	KCU, МДж/м2
10	205	330	31	55	-
20	245	410	25	55	-
15Х	490	690	12	45	0,7
20Х	635	780	11	40	0,6
15ХФ	540	740	13	50	0,8
20ХН	590	780	14	50	0,8
18ХГТ	885	980	9	50	0,8
12ХН3А	685	930	11	55	0,9
12Х2Н4А	930	1130	10	50	0,9

В зависимости от степени упрочняемости сердцевины различают три группы цементируемых сталей: с неуп-рочняемой, слабо- и сильно упрочняемой сердцевиной (табл. 4.2).

К первой группе относятся рассмотренные выше углеродистые стали марок 10, 15, 20. Их применяют для малоответственных деталей с неупрочняемой сердцевиной и деталей небольших размеров. Под цементованным слоем при закалке аустенит превращается в феррито-перлитную смесь.

Вторую группу составляют низколегированные хромистые стали марок 15Х, 20Х, имеющие слабоупрочняемую сердцевину. Их применяют для изготовления колоколов и метчиков ловильных для бурильных труб, различного рода шестерен, валиков, осей, муфт, фланцев, тарелок грязевых насосов, звездочек цепных передач буровых установок, работающих при высоких нагрузках и большей скорости и т.д.

Дополнительное легирование малыми добавками ванадия (сталь 15ХФ) позволяет получить более мелкое зерно, что улучшает пластичность и вязкость стали.

Стали третьей группы используют для изготовления деталей, испытывающих значительные ударные нагрузки, имеющих большое сечение или сложную конфигурацию, или для деталей, подвергающихся действию больших знакопеременных напряжений. В состав этих сталей вводят никель: 20ХН, 12ХНЗА, 12Х2Н4А. Вследствие его дефицит-ности никель иногда заменяют марганцем, вводя кроме того небольшое количество титана или ванадия для измельчения зерна (18ХГТ). В нефтяном машиностроении сталь 18ХГТ применяется для изготовления ответственных высоконаг-руженных деталей: валов, шестерен коробок передач, осей и т.д.

Легирование хромоникелевых сталей вольфрамом или молибденом (например, сталь марки 18Х2Н4ВА или 18Х2Н4МА) дополнительно стабилизирует переохлажденный аустенит, следовательно, еще больше увеличивает прокали-ваемость стали. В результате закалки в масле сердцевина дета-лей приобретает структуру мартенсита. Такие стали применяют для крупных тяжелонагруженных деталей типа зубчатых колес, осей и др. Эти детали устойчивы к динамическим нагрузкам.

Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали (0,3÷0,5 % С), содержащие не бо-лее 5 % легирующих элементов, используемые после операции так называемого улучшения, состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550÷650°С.

После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающего ударные нагрузки.

Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, малую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.

В случае сквозной прокаливаемости после одинаковой термообработки свойства различных марок улучшаемых сталей близки между собой. Поэтому выбор той или иной марки улучшаемой стали в каждом конкретном случае обусловлен прокаливаемостью стали, сечением детали и сложностью ее конфигурации, наличием концентраторов напряжений.

Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на пять групп. С увеличением номера группы растет степень легирования и размер сечения, в котором достигается сквозная прокаливаемость (табл. 4.3).

К группе I относятся углеродистые стали марок 35, 40, 45, имеющие критический диаметр до 10 мм, при котором достигается сквозная прокаливаемость, и содержащие в структуре не менее 95 % мартенсита.

Группа II представлена хромистыми сталями марок З0Х, 40Х. Критический диаметр 15÷20 мм. Недостатком сталей этой группы является склонность к отпускной хрупкости второго рода. Для них необходимо быстрое охлаждение после отпуска (в масло, воду). Из стали марок 30Х и 35Х изготовляют шпильки болты фланцевых соединений установок нефтеперерабаты-вающих заводов, где температура среды не выше 450°С при открытых фланцах и 400°С – при изолированных. Сталь марок 40Х и 45Х - для изготовления сильно нагруженных валов, штоков насосов и задвижек, работающих при температуре не выше 450°С в некоррозионной среде, для слабонагруженных болтов и шпилек, для валов центробежных насосов.

Таблица 4.3

Характеристики улучшаемых конструкционных сталей после термообработки

Группа	Марка стали	Порог хладноломкости Т50 , С	Критический диаметр D 95 , мм
	40	-20	10
	40Х	-40	15
	30ХМ	-50	25
	40ХГ	-20	25
	30ХГС	-20	25
V	40ХН	-60	35 - 40
V	38ХН3МФ	-100	100

В группу III входят хромистые стали, дополнительно легированные еще одним или двумя элементами З0ХМ, 40ХГ, З0ХГТ (критический диаметр 20÷25 мм). Из стали марки 30ХМ изготовляют шпильки фонтанной арматуры, работающий при давлении до 250 кг/см² , валы центробежных горячих насосов, оси, болты, работающие при температуре от -40 до 525°С (для высоконагруженных крепежных деталей - до 475°С и для средне- и низконагруженных - до 525°С).

Для увеличения прокаливаемости в хромистые стали дополнительно вводят марганец (40ХГ) и бор (40ХР), молибден (З0ХМ) вводят для снижения отпускной хрупкости второго рода. Высокими свойствами обладают принадлежащие к этой группе стали, называемые хромансилями: 20ХГС, З0ХГС.

К группе IV относятся хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni: 40ХН, 40ХНМ. Их критический диаметр 40 мм. Эти стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости, чем стали предыдущих групп. Сталь марки 40ХН широко применяется в нефтяном машиностроении для изготовления наиболее ответственных деталей – особо нагруженных подъемных, промежуточных валов, зубчатых соединительных муфт и т.д.

Группу V составляют комплекснолегированные стали, содержащие 3÷4 % Ni: 38ХНЗМ, 38ХНЗМФА. Эти стали, хотя и сравнительно дороги, относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей. Критический диаметр составляет 100 мм и более при низкой склонности к хрупкому разрушению.

Высокопрочными называют стали с временным сопротивлением более 1500 МПа. Высокопрочное состояние может быть достигнуто при использовании средне- и высоко-углеродистых комплекснолегированных сталей после закалки и низкого отпуска. Однако при этом снижаются пластичность и вязкость стали, что может привести к хрупким разрушениям де-талей и конструкций. Применение низкоотпущенных высоко-прочных сталей возможно лишь в тех случаях, когда по условиям работы отсутствуют динамические нагрузки.

Опасность хрупких разрушений уменьшается благодаря минимальному содержанию углерода (не более 0,03 %).

К высокопрочным сталям относятся:

а) среднеуглеродистые комплексно-легированные стали, используемые после закалки с низким отпуском или после термомеханической обработки (30ГСН2А, 40ХН2МА, 38ХН3МА);

б) мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, Н12К15М10);

Упрочнение сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного (  α)-превращения, сопровождающегося фазовым наклепом, и старения мартенсита. Основным легирующим элементом является никель, содержание которого составляет 17÷26 %. Для более эффективного протекания процесса старения мартенсита стали дополнительно легируют титаном, алюминием, молибденом, ниобием, а также кобальтом. В результате закалки от 1200÷820°С в воде или на воздухе фиксируется высокопластичный, но низкоотпущенный железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Главное упрочнение происходит в процессе старения при температурах 450÷550°С.

Малая чувствительность к надрезам, высокое сопротивление хрупкому разрушению обеспечивают высокую конструкционную прочность изделий в широком диапазоне температур от криогенных до 450÷500°С.

Мартенситно-стареющие стали применяют там, где важна удельная прочность, а также в криогенной технике, где они нашли применение благодаря высокой пластичности и вязкости при низких температурах.

в) метастабильные аустенитные стали (трип-стали).

В метастабильных аустенитных сталях (трип-стали) – 30Х9Н8М4Г2С2, 25Н25М4Г1 после закалки фиксируется аустенитная структура, так как точка начала мартенситного превращения лежит в области отрицательных температур. В процессе последующей пластической деформации происходит наклеп аустенита, а также его обеднение углеродом и легирующими элементами за счет выделения карбидов (дисперсионное упрочнение). В результате закалки, наклепа и деформационного старения аустенита трип-стали приобретают оптимальные механические свойства: высокую прочность, хорошую пластичность и трещиностойкость. Применение этих сталей лимитируется трудностями осуществления предвари-тельной упрочняющей обработки. Области применения этих сталей: для хирургического инструмента и крепежных деталей; как броневой лист; в качестве проволоки или тросов.

Рессорно-пружинные стали работают в области упругой деформации материала. В тоже время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению.

Стали для пружин и рессор содержат 0,5÷0,75 % углерода. Их дополнительно легируют кремнием (до 2,8 %), марганцем (до 1,2 %), хромом (до 1,2 %), ванадием (до 0,25 %), вольфрамом (до 1,2 %) и никелем (до 1,7 %).

Широкое применение на транспорте нашли кремнистые стали 55С2, 60С2А, 70С3А.

Лучшими технологическими свойствами, чем кремнистые стали, обладает сталь 50ХФА, широко используемая для изготовления автомобильных рессор.

Пружины из углеродистых, марганцевых, кремнистых сталей работают при температурах не более 200°С. При нагреве до 300°С используют пружины из стали 50ХФА, а при более высоких температурах - из более теплостойких сталей: до 500°С - из стали ЗХ2В8Ф, до 600°С - из стали Р18.

Для работы в агрессивных средах пружины изготавливают из хромистых коррозионностойких сталей типа 40X13, 95X18 и др.

Подшипниковые стали используют для изготовления шариков, роликов, колец подшипников качения и других деталей (плунжеров, втулок, корпусов распределителей, нагнетательных клапанов и т. д.

Для изготовления деталей подшипника широко используют шарикоподшипниковые (Ш) хромистые (Х) стали ШХ15 и ШХ15СГ (последующая цифра 15 указывает содержание хрома в десятых долях процента – 1,5 %). Стали содержат по 1 % углерода. ШХ15СГ дополнительно легирована кремнием (0,5 %) и марганцем (1,05 %) для повышения прокаливаемости.

Детали подшипников качения, испытывающие большие динамические нагрузки, изготавливают из сталей 20Х2Н4А и 18ХГТ. Для деталей подшипников, работающих в азотной кислоте и других агрессивных средах, используется сталь 95Х18, содержащая 0,95 % углерода 18 % хрома.