4.1.2. Конструкционные легированные стали

Для улучшения физических, химических, прочностных и технологи­ческих свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы: хром, марганец, кремний и никель. Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые и придают им специаль­ные свойства. Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.

Кремний (его количество в конструкционных сталях ограничивают 2%)

используется при выплавке сталей как раскислитель. Он способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих харак­теристиках стали - он повышает предел текучести, а при содержании более1% снижает вязкость и повышает хладноломкость. Кремний способствует магнитным пре­вращениям.

Хром (до 2%) повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозионную стойкость. Хром увеличивает электросопротивление и уменьшает коэффициент линейного расширения.

Никель (от 1 до 5%) увеличивает пластичность и вязкость стали, снижает температуру порога хладноломкости и уменьшает чувствительность стали к концентраторам напряжений; перечисленные факторы способствуют повышению сопротивления стали хрупкому разрушению. Никель наиболее ценный легирующий элемент.

Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке. При определенных концентрациях его действие подобно никелю и его часто используют для замены никеля. Это дает возможность получения нужного сочетания механических свойств стали и уменьшить стоимость (марганец дешевле никеля).

Для дополнительного улучшения свойств стали совместно с хромом, никелем и марганцем вводят вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы.

Молибден и вольфрам повышают прокаливаемость стали (особенно в присутствии никеля), способствуют измельчению зерна и подавлению отпускной хрупкости. При введении в сталь ванадия, титана, ниобия и циркония образуются труднорастворимые в аустените карбиды.

Эффективность воздействия этих элементов (измельчение зерна, снижение порога хладноломкости, уменьшение чувствительности стали к концентраторам напряжений) проявляется лишь при их малом содержании в стали (до 0,15%); при большем количестве они вызывают снижение прокаливаемости и сопротивления стали хрупкому разрушению, что обусловлено выделением по границам зерен значительного количества карбидов.

Положительное влияние бора на повышение прокаливаемости и проч­ности стали проявляется лишь при микролегировании им (0,001—0,005%), когда атомы бора располагаются в приграничных слоях зерна аустенита, заполняют вакансии, делая структуру более совершенной.

Однако следует иметь ввиду, что содержание легирующих элементов должно быть оптимальным, избыточное легирование может привести к ухудшению механических свойств.

Маркируют легированные стали буквами и цифрами, указывающими ее химический состав. Первые две цифры показывают содержание углерода (для конструкционных сталей — в сотых долях процента, для инструментальных и нержавеющих — десятых долях), затем ставится буква, указывающая на легирующий элемент, после буквы следует цифра, указывающая на среднее со­держание этого элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента составляет менее или около 1 %, то за буквой цифра не ставится.

Буквы справа от цифры обозначают легирующие элементы: А — азот, Б — ниобий, В — вольфрам, Г — марганец, Д — медь, Е — селен, К — кобальт, Н — никель, М — молибден, П — фосфор, Р — бор, С — кремний, Т — титан, Ф — ванадий, X — хром, Ц —цирконий, Ч — редкозе­мельные элементы, Ю — алюминий. Следующие после буквы цифры указы­вают примерное содержание (в целых процентах) соответствующего леги­рующего элемента (при содержании 1—1,5% и менее цифра отсутствует, например ЗОХГС).

Высококачественные стали обозначаются буквой А, а особовысококачественные — буквой Ш, помещенными в конце марки

Например, сталь марки 12ХНЗА содержит 0,12 % углерода, до 1,0 % хрома, 3 % никеля, буква А в конце обозначения указывает, что сталь высококачественная. Если сталь особовысококачественная в конце ставится буква Ш – 95Х18Ш.

Конструкционные легированные стали предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки, используются в самолетостроении (шасси, силовые стальные конструкции) а также для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, катапульт самолетов, корпусов подводных лодок, деталей криогенной техники, зубчатых колес.