3.2.6 Високоміцні сталі

Високоміцними називаються сталі, що мають межу міцності _в   1550МПа і володіють необхідною в'язкістю для експлуатації в умовах динамічних навантажень.

Легуючі елементи затримують процеси знеміцнення при відпуску і, якщо сталь містить підвищену кількість хрому, молібдену, вольфраму, ванадію, то її твердість не знижується до температур відпуску 500…550^оС. Наприклад, сталь 30Х5МСФА після термічної обробки має межу міцності _у = 1800 МПа, _0,2 = 1600 МПа, КСU = 50 Дж/см2.

Для отримання міцності до 1800-2200 МПа використовуються мартенситно-старіючі сталі із змістом вуглецю менше 0,03%, в яких при гартуванні утворюється практично безвуглецевий мартенсит, з якого при відпуску 500°С виділяються інтерметалидні фази Ni₃М, які зміцнюють сталь. Такими сталями є Н18К8МЗ, 03Н18К9М5Т, Н18К12М5Т, механічні властивості яких характеризуються наступними значеннями: _у = 1800  МПа,  =  15%;   =  55%. Необхідно відзначити, що безпосередньо після гартування мартенситно-старіючі сталі володіють невисокою міцністю і дуже високою пластичністю, що дозволяє здійснювати деформацію, обробку різанням та інші технологічні операції.

Розроблені також високоміцні сталі, відомі як «трип-сталі», в яких після гартування з 1000…1100^оС утворюється аустенітна структура, оскільки температура початку мартенситного перетворення лежить нижче 0°С. Після гартування здійснюється деформація (60…80%, при 400…500°С), в процесі якої, у зв'язку із зниженням вмісту вуглецю і легуючих елементів в аустеніті, відбувається підвищення точки М_D. У процесі експлуатації в результаті пластичної деформації аустенітний стан перетворюється на високоміцний мартенситний. У трип-сталях зміст вуглецю на порядок вище, ніж в мартенситно-старіючих сталях (30Х9Н8М4Г2С2 і 25Н25М4Г1). Механічні властивості трип-сталей: _у = 1500…1700 МПа; _0,2 = 1400…1550  МПа;  = 50…60%. Характерним для цих сталей є високе значення в'язкості руйнування К_1С і межі витривалості _-1, проте спостерігається анізотропія властивостей деформованого металу. При однаковій міцності трип-сталі пластичніше мартенситно-старіючих, але їх широкому упровадженню перешкоджає необхідність використовування могутнього устаткування для деформації.

3.2.7 Зносостійкі сталі та сплави

Зносостійкість – властивість матеріалу чинити опір процесу зношування, під яким мається на увазі поступове руйнування поверхневих шарів матеріалу шляхом відділення його частинок під впливом сил тертя. Під дією цих сил відбувається багатократна деформація ділянок контактної поверхні, їх зміцнення і знеміцнення, виділення теплоти, зміна структури, розвиток процесів утомленості, окислення й ін.

Розрізняють абразивний, окислювальний, адгезійний, втомний й інші види зношування.

Висока твердість поверхні – необхідна умова забезпечення зносостійкості при більшості видів зношування. При абразивному, окислювальному, втомних видах зношування найбільш зносостійкими є сталі з високою початковою твердістю поверхні, структура яких складається з частинок твердої фази карбіду і утримуючої їх високоміцної матриці.

Цементовані низьковуглецеві і середньовуглецеві сталі, зміцнені азотизацією або поверхневим гартуванням, а також білі чавуни забезпечують необхідну працездатність вузлів тертя, в яких матеріал повинен добре протистояти стиранню частинками, що є продуктами зношування або потрапляють в змащувальний матеріал ззовні.

В умовах ударного зносу в абразивному струмені (наприклад, робота основних робочих вузлів млинів для подрібнення піску) найбільш зносостійкими матеріалами є тверді сплави, структура яких складається з карбідів вольфраму, титана і танталу, зв'язаних кобальтом, а також високовуглецеві сталі типа Х12, Х12М, Р18, Р6М5 з мартенситною матрицею і карбідами.

Сплави карбідів застосовують за найважчих умов роботи у вигляді литих і наплавлювальних матеріалів. Вони є сплавами з високим змістом вуглецю (до 4%) і карбідоутворюючих елементів (Cr, W, Ti). Для наплавлення використовуються прутки з цих сплавів, які розплавляються киснево-ацетиленовим полум'ям або електричною дугою і в рідкому стані наносять на поверхню деталі. Широке поширення набули сплави «сормайт» (1,7…3%  С, 15…30%  Сr, 2…5%  Ni, 2…3%  Si) з твердістю до 50 НRС і «сталініт» ( 10%  С,  20%  Сr,   15%  Мn,   3%  Si) з твердістю до 65 НRС.

Для роботи в умовах зносу, який супроводжується великими ударними навантаженнями, широко використовується високомарганцева сталь 110Г13Л (сталь Гадфільда), що містить 0,9…1,4% С, 11,5…15,0% Mn, 0,5…1,0% Si.

Сталь погано обробляється різанням, тому деталі одержують литтям або куванням. Після лиття структура складається з аустеніту і надмірних карбідів марганцю в залізі (FeMn)₃C_. При нагріванні карбіди розчиняються в аустеніті і після гартування у воді з 1100^оС сталь має аустенітну структуру і низьку твердість 200..250 НВ.

В умовах тільки абразивного зносу така сталь виявляється не зносостійкою, але при дії на деталь великих ударних навантажень, які викликають в матеріалі напруги вище межі текучості, проходить інтенсивний наклеп сталі 110Г13Л і зростання її твердості і зносостійкості. При цьому сталь придбаває високу твердість до 600 HВ. Сталь 110Г13Л широко використовується для виготовлення корпусів кульових млинів, залізничних хрестовин, гусеничних траків, козирків землечерпалок й ін.