3.1 Классификация специальных сталей

Специальные стали– это сплавы на основе железа, имеющие особые свойства, обусловленные либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.

Специальные стали могут быть и углеродистыми, но в большинстве случаев они содержат легирующие элементы.

В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но часто они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию специальных сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составустали условно подразделяют на: углеродистые (нелегированные), низколегированные, легированные и высоколегированные. Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентируемых для примесей соответствующими стандартами. Внизколегированныхсталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5 %. Влегированныхсталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть в пределах от 2,5 до 10 %, ав высоколегированных– более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.Сплавы на основе железасодержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

По назначениюспециальные стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.Конструкционныесталиприменяются для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве.Инструментальные сталиприменяются для изготовления инструмента для обработки резанием или давлением, а также для измерительного инструмента.К сталям с особыми физическими свойствамиотносятся стали с особыми магнитными, тепловыми и электрическими свойствами.

По качествустали подразделяются на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные. Основным показателем качества стали является содержание вредных примесей, таких как фосфор и сера. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы в сталях разной категории качества:

Категория качества	Содержание вредных примесей, %
	Р	S
	не более
Обыкновенного качества	0,040	0,050
Качественные	0,035	0,035
Высококачественные	0,025	0,025
Особовысококачественные	0,025	0,015

Классификация сталей по структурев значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном (отожженном) состоянииих делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные.

По структуре в неравновесном (нормализованном) состояниистали делят на перлитные, бейнитные, мартенситные, ферритные, аустенитные, а также смешанных классов: ферритно-перлитные, ферритно-мартенситные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные.

2. Конструкционные стали

3.2.1 Требования к конструкционным сталям

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

Основные требования, которые предъявляются к конструкционным материалам – эксплуатационные, технологические и экономические.

Эксплуатационныетребованияимеют первостепенное значение. Для того, чтобы обеспечить работоспособность конкретных машин и приборов, материал должен иметь высокую конструкционную прочность.

Конструкционной прочностьюназывается комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации.

Технологические требования(технологичность материала) направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала оценивается обрабатываемостью резанием, давлением, свариваемостью, способностью к литью, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталей.

Экономические требованиясводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали и сплавы по возможности должны содержать минимальное количество легирующих элементов. Использование материалов, содержащих легирующие элементы, должно быть обосновано повышением эксплуатационных свойств деталей.

Экономические требования, так же как и технологические, приобретают особое значение при массовом масштабе производства.

Таким образом, качественный конструкционный материал должен удовлетворять комплексу требований.

Конструкционная прочность материалов и критерии ее оценки

Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности.

Критерии прочности материалавыбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление_ви предел текучести_0,2(_т), характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести.

Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности – предел выносливости _R(при симметричном круговом изгибе_–1).

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.

Надежность– свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Хрупкое разрушение вызывает внезапный отказ деталей в условиях эксплуатации. Оно считается наиболее опасным из-за протекания с большой скоростью при напряжениях ниже расчетных, а также возможных аварийных последствий.

Для предупреждения хрупкого разрушения конструкционные материалы должны обладать достаточной пластичностью (, ) и ударной вязкостью (KCU). Однако эти параметры надежности, определенные на небольших лабораторных образцах без учета условий эксплуатации конкретной детали, достаточно показательны лишь для мягких малопрочных материалов. Между тем стремление к уменьшению металлоемкости конструкций ведет к более широкому применению высокопрочных и, как правило, менее пластичных материалов с повышенной склонностью к хрупкому разрушению. Необходимо также учитывать то, что в условиях эксплуатации действуют факторы, дополнительно снижающие их пластичность, вязкость и увеличивающие опасность хрупкого разрушения. Это концентраторы напряжений (надрезы), понижение температуры, динамические нагрузки, увеличение размеров деталей (масштабный фактор).

Чтобы избежать внезапных поломок в условиях эксплуатации, необходимо учитывать трещиностойкость материала. Трещиностойкость– группа параметров надежности, характеризующих способность материала тормозить развитие трещины.

Основной критерий трещиностойкости К_1С, который показывает, какого значения (интенсивности) достигает напряжение вблизи вершины трещины в момент разрушения.

Для оценки надежности материала используют также следующие параметры: ударную вязкость KCV(ударная вязкость, определенная на образце сV-образным надрезом при комнатной температуре), ударная вязкость КСТ (определенная на образцах с усталостной трещиной) и температурный порог хладноломкости. Обычно за порог хладноломкости принимаютt₅₀– температуру, соответствующую равным долям (50 %) хрупких и вязких участков разрушения в изломе при определении ударной вязкости. Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающейся температуре.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температуры эксплуатации и t₅₀. При этом чем ниже температура перехода в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого разрушения.

Долговечность– свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенной потери материалом работоспособности). Причины постепенной потери работоспособности разнообразны: развитие процессов усталости, изнашивания, ползучести, коррозии, радиационного разбухания и др. Эти процессы вызывают постепенное накопление необратимых повреждений в материале и его разрушение.

Наибольшая эффективность для увеличения конструкционной прочности имеют технологические и металлургические методы, цель которых – повышение механических свойств и качества металла.

Из механических свойств важнейшее – прочность металла, повышение которой при достаточном запасе пластичности и вязкости ведет к снижению материалоемкости конструкции и в известной степени к повышению ее надежности и долговечности.

Уровень прочности (сопротивление пластической деформации) зависит главным образом от легкости перемещения дислокаций. В связи с этим современные методы повышения прочности материала основаны на создании такого структурного состояния, которое обеспечивало бы максимальную задержку (блокировку) дислокаций. К методам упрочнения относятся легирование, пластическая деформация, термическая, термомеханическая и химико-термическая обработка.