40. Качественная конструкционная углеродистая сталь изготавливается согласно ГОСТ 1050.
Качественная конструкционная углеродистая сталь подразделяется на категории:
машиностроительную — 08, 10,20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 58,60;
автоматную — А12, А20, А30;
котельную — 20К.
В обозначение марки углеродистой стали, цифры означают среднее содержание углерода в сотых долях процента.
Машиностроительные конструкционные углеродистые стали используются для изготовления деталей машин, конструкций приборов.
Автоматные конструкционные углеродистые стали используются для неответственных деталей массового производства (мелкий крепеж и др.) изготавливаемых на станках-автоматах.
Котельные конструкционные углеродистые стали используются для изготовления котлов и сосудов, работающих под давлением и при температурах до 4500С.
Заменители некоторых марок углеродистых сталей:
Ст20 — Ст15, 25;
Ст35 — Ст30, 40, 35Г;
Ст45 — 40Х, Ст50, 50Г2.
Свариваемость углеродистых сталей: Ст08-Ст35 — свариваемость хорошая, Ст45 — свариваемость затруднена, котельные стали свариваиваются хорошо, автоматные — не применяются для сварки.
Автоматная сталь - сталь с повышенным содержанием серы и фосфора, предназначенная для изготовления деталей на металлорежущих скоростных станках-автоматах и полуавтоматах. А. с. производится в виде прутков и содержит в %: 0,08—0,45 углерода, 0,15—0,35 кремния, 0,6—1,55 марганца, 0,08—0,30 серы, 0,05—0,16 фосфора. Повышенное содержание серы приводит к образованию включений (сульфида марганца и др.), расположенных вдоль волокон, что облегчает резание и способствует дроблению и лёгкому отделению стружки. Для этих же целей А. с. иногда легируют свинцом и теллуром. Механические свойства А. с. вдоль волокон (в зависимости от марки стали и диаметра прутка) характеризуются следующими показателями: горячекатаные прутки — предел прочности σв = 420—750 Мн/м2 (42—75 кгс/мм2), относительное удлинение δ = 14—22%, для холоднотянутых нагартованных прутков σв = 520—840 Мн/м2 (52—84 кгс/мм2), δ = 6—17%. Механические свойства А. с. в поперечном волокну направлении существенно понижены. Пластичность и вязкость А. с., благодаря присутствию серы и фосфора, ниже, чем у обычных углеродистых сталей. Свариваемость плохая. Детали из А. с. обычно применяются без термической обработки или только с отпуском для снятия напряжений. А. с. используются главным образом для изготовления болтов, гаек, некоторых деталей автомобилей, приборов и пр.
Лит.: Справочник по машиностроительным материалам, т. 1, М., 1959; Ассонов А. Д., Технология термической обработки деталей автомобиля, М., 1958.
Я. М. Поток.
41. Сталь конструкционная легированная
Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов находится в пределах 2.5-10% -относятся к легированным.
Наиболее широкое применение легированные стали нашли в машиностроении.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ²А².
Конструкционные цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали
Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.
Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.
Сталь 20Х - sв=800МПа, s0.2=650МПа, d=11%, y=40%.
Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.
Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом
Сталь 12Х2Н4А - sв=1150МПа, s0.2=950МПа, d=10%, y=50%.
Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.
В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.
Сталь 25ХГМ - sв=1200МПв, s0.2=1100МПа, d=10%, y=45%.
Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.
На ВАЗе широко применяют стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.
После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.
Сталь 15ХГН2ТА - sв=950МПа, s0.2=750МПа, d=11%, y=55%.
Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.
В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.
Сталь 20ХГНР - sв=1300МПа, s0.2=1200МПа, d=10%, y=09%.
Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали
Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.
При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.
Хромистые стали 30Х, 38ХА, 40Х и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.
Сталь 30Х - sв=900МПа, s0.2=700МПа, d=12%, y=45%.
Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (40ХГНМ ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до -60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве.
Сталь 40ХГТР - sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.
Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГСА, 25ХГСА и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.
Сталь 30ХГС - sв=1100МПа, s0.2=850МПа, d=10%, y=45%.
Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.
Сталь 40ХН - sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.
Хромоникелемолибденовые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкостью, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.
Сталь 40ХН2МА - sв=1100МПа, s0.2=950МПа, d=12%, y=50%.
Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.
Сталь 38ХН3МФА - sв=1200МПа, s0.2=1100МПа, d=12%, y=50%.
42. Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях, (30ХГСН2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита.
После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большую пластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные. При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения.
Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению.
Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.
Мартенситно-стареющие стали
Мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) превосходят по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа.
Мартенситно-стареющие стали представляют собой безуглеродистые сплавы железа с никелем (8..25 %), дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном, алюминием, хромом и другими элементами. Благодаря высокому содержанию никеля, кобальта и малой концентрации углерода в результате закалки в воде или на воздухе фиксируется высокопластичный, но низкопрочный железоникелевый мартенсит, пересыщенный легирующими элементами. Основное упрочнение происходит в процессе старения при температуре 450…550 oС за счет выделения из мартенситной матрицы когерентно с ней связанных мелкодисперсных фаз. Мартенситно-стареющие стали обладают высокой конструкционной прочностью в интервале температур от криогенных до 500 oС и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, батискафов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т.д.