Машинобудівні покращувальні сталі

Більшість важконавантажених деталей машин (колінчасті вали, розподільчі вали, осі, штоки, шатуни, відповідальні деталі турбін, компресорних машин) виготовляють із середньовуглецевих (0,3-0,5 % С) низьколегованих сталей перлітного класу, які піддають повному гартуванню і високотемпературному відпуску. Такий режим об’ємного термічного оброблення називається покращенням, а сталі, відповідно, покращуваними (30Х, 30ХГС, 40ХН, 30ХН3А, 40Х, 38ХН3МФ). Гартування деталей здійснюють від 820-880 ºС в оливі чи воді, а відпуск проводять при 550-680 ºС., після такої обробки структура сталі − сорбіт відпуску або сорбітизований перліт, що забезпечує високу границю текучості та витривалості, низьку чутливість до концентраторів напружень і достатній запас в’язкості. Покращувані сталі після термічної обробки володіють високою прогартовуваністю та малою чутливістю до відпускної крихкості.

Хромисті сталі схильні до відпускної крихкості другого роду, а тому після відпуску їх необхідно швидко охолоджувати в воді.

Для підвищення прогартовуваності хромисті сталі додатково легують марганцем (40ХГ) і бором (40ХГР). Молібден знижує відпускну крихкість (30ХМ).

Сталі леговані кремнієм − хромансили − 20ХГС, 30ХГС. Ці сталі добре зварюються, мають високу міцність (1200МПа) і ударну в’язкість (0,4 МДж/м²), але вони схильні до відпускної крихкості другого роду.

Хромонікелеві сталі при пониженій температурі експлуатації мають більший запас в’язкості, ніж безнікелеві. Комплексно леговані сталі, які містять 3-4 % Ni (38ХН3М, 38ХН3МФА) і які мають критичний діаметр до 100мм і малу схильність до крихкого руйнування. Вони використовуються для виготовлення складних за конфігурацією деталей, що працюють при ударних навантаженнях.

Високоміцні сталі

До високоміцних сталей відносять сталі, у яких границя міцності більше 1500 МПа. Високоміцний стан у середньо- і високовуглецевих легованих сталях досягається після гартування і низького відпуску. При цьому знижується пластичність і в’язкість сталей, тому їх використовують у тих випадках, коли за умовами роботи відсутні динамічні навантаження. Це сталі, зміцнені термомеханічною обробкою, та нові високоміцні матеріали − мартенситностаріючі сталі (МСС) і ПНП-сталі (пластичність, наведена перетворенням).

Високоміцні МСС характеризуються високим значенням міцності в поєднанні з високою в’язкістю і пластичністю (σ_в = 2000 МПа, σ_0,2 = 1200 МПа). Зміцнення сталей досягається за рахунок мартенситного (γ → α)- перетворення і старіння мартенситу. Мінімальний вміст вуглецю (не більше 0,03%) зменшує схильність цих сталей до крихкого руйнування. Основним легуючим елементом цих сталей є нікель, вміст якого складає 17-26 %. Для ефективного протікання процесу старіння мартенситу сталі додатково легують титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм і кобальтом − 03Х18К9М5Т. цю сталь гартують від температури 800-850 ºС на повітрі, і отримують безвуглецевий мартенсит, з σ_в = 1200 МПа, σ_0,2 = 1000 МПа, δ=20%, ψ = 75 %, KCU = 2,0 МДж/м². У такому стані сталь добре оброблюється тиском, різанням, має високу зварюваність.

Основне зміцнення сталь отримує при відпуску в інтервалі температур 450-500 ºС за рахунок виділення із мартенситу дисперсних частинок інтерметалідів − Ni₃Ni, NiTi, Fe₂Mo, Ni₃(Ti,Al). Найбільше зміцнення досягається у випадках, коли інтерметаліди мають малі розміри і когерентно зв’язані з твердим розчином. Легування кобальтом збільшує ефект старіння. Після старіння сталь має σ_в = 2000 МПа, σ_0,2 = 1800 МПа, δ = 12%, ψ = 50 %, KCU = 0,50 МДж/м². При високих механічних властивостях сталь має підвищений опір крихкому руйнуванню, її в’язкість руйнування 50-70 МПа. При tº = -196 ºС у неї σ_в = 2400 МПа, δ = 10%, KCU = 0,30 МДж/м², вона теплостійка за 450 ºС.

МСС застосовують у літако-, ракетобудуванні; тобто у тих галузях, у яких важлива питома міцність, а також у криогенній техніці.

Високоміцні ПНП-сталі − аустенітний клас, з 0,3 % С; 8-10 % Cr; 8-10 % Ni; 4 % Mo; 1-2.5 % Mn, до 2 % Si. Після гартування від 1000-1100 ºС і отримання легованого аустеніту сталь деформують при tº 450-600 ºС. Після деформації відбувається наклеп аустеніту, виділення з нього вуглецю і легуючих елементів з утворенням дисперсних карбідів, тобто дисперсійне зміцнення. Внаслідок збіднення аустеніту легуючими елементами точка початку утворення мартенситу деформації зміщується в область позитивних температур, а початку мартенситного перетворення залишається нижче кімнатних. В результаті такої обробки ПНП-сталі мають високу міцність σ_в ≥ 1800 МПа, σ_0,2 ≥ 1800 МПа і високу пластичність δ ≥ 30 %.