1.3. Распределение легирующих элементов в стали

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут находится:

1) в свободном состоянии (Pb, Cu, Ag);

2) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

3) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений (Al₂O₃, TiO₂, V₂O₅, MnS, и т.д.)

4) в виде легированного цемента или самостоятельных специальных карбидов;

5) в форме твердого раствора в железе.

Рассмотрим некоторые из них:

свинец (Pb), медь (Cu), серебро (Ag) – практически нерастворимы в железе, находятся в свободном состоянии.

Возможные оксиды:

Al₂O₃, TiO₂, V₂O₅ – зависят от метода ведения плавки.

Все легирующие элементы (Ni, Cr, W, V, Mn, Co и т.д.), за исключением C, N, H и частично В, образуют твердые растворы замещения.

C, N, H, B – образуют твердые растворы внедрения.

 

2. Конструкционные стали

Стали, из которых изготовляют детали, узлы машин, механизмы, строительные конструкции, газо- и нефтепроводы, оружие и военную технику, обрабатывающие станки, экскаваторы, морские суда, бытовую технику и многое другое, называются конструкционными.

2.1. Классификация конструкционных сталей

 

Эти стали, в свою очередь подразделяют на несколько больших групп:

• улучшаемые конструкционные стали;

• цементуемые конструкционные стали;

• пружинно-рессорные стали;

• стали для подшипников качения;

• автоматные стали;

• строительные стали.

К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин, предъявляют следующие требования:

• высокая конструкционная прочность, определяемая оптимальным сочетанием прочности, вязкости и пластичности;

• необходимые технологические свойства – хорошая обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость;

• малая склонность к образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке;

• а также иногда и специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, определенные физические свойства и т.д.;

• экономичность;

• недефицитность.

Высокая конструкционная прочность стали, достигается путем рационального выбора химического состава, режимов термической обработки, методов поверхностного упрочнения, улучшением металлургического качества.

Решающая роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6 %.

 

Существует несколько признаков классификации конструкционных сталей:

• по химическому составу (углеродистые и легированные);

• по обработке (улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенсивно-стареющие);

• по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые криогенные и т.п).

2.2. Улучшаемые конструкционные стали

Термин «улучшаемые» сформировался от способа термической обработки – «улучшение». Это значит, что свойства этих сталей (прочность, ударную вязкость, усталостную прочность) можно варьировать (улучшать) в широких пределах термической обработкой, заключающейся в закалке и последующем высоком или среднем отпуске.

Это, как правило, среднеуглеродистые (0,25-0,6% С), малолегированные (£ 3% легирующих элементов в сумме) или среднелегированные (3-10 % легирующих элементов) стали (табл. 1).

 Таблица 1

Основные марки улучшаемых конструкционных сталей.

 

I углеродистые стали ГОСТ 1050-74	II малолегированные стали ГОСТ 4543-71	III среднелегированные стали ГОСТ 4543-71
30, 35	30Г, 50Г, 60Г, 65Г	38ХН3А
40, 45	30Х, 40Х	38Х2МЮА
50, 55	30ХМ, 40ХМ	40ХН2МА
60, 65	50Г2, 50ХФА	38ХН3МФА
	30ХГСА, 40ХМФА	45ХН2МФА

 

Улучшаемые стали в конструкциях должны обеспечивать необходимые показатели прочности (s_в – предел прочности; s_0.2 – предел текучести), пластичности (d% - относительное удлинение; Y% - поперечное сужение), усталостной прочности - s^-1; ударной вязкости – КСU; твердости НВ, НRс по всему сечению детали.

Основными принципами при выборе марки улучшаемой конструкционной стали являются следующие показатели:

1. Наличие концентраторов напряжений, динамических нагрузок и пониженных температур определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние, например, никелем.

2. Выбор марки стали (степени легированности) определяется размером термически обрабатываемых заготовок (прокаливаемостью).

3. Уровень требуемой прочности достигается термической обработкой.

Основным параметром, по которому выбирается марка улучшаемой стали является прокаливаемость (критический диаметр), так как механические свойства в случае прокаливаемости у сталей разных марок этой группы отличаются незначительно.

Стали этой группы подвергают обычно (улучшению) закалке в масле и высокому отпуску (600 °C).

На рис. 2 представлена схема микроструктуры стали 40Х, после отжига и после улучшения.

Рис. 2. Схема микроструктуры стали 40Х

а) после отжига, б) после закалки и высокого отпуска

Стали, подвергаемые термическому улучшению, широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали, приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30-0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.