Обновлено: 27.04.2024

Химический состав и механические свойства легированных среднеуглеродистых сталей. Технологии получения высокой прочности и вязкости легированных конструкционных сталей путем подбора химического состава и за счет применения термомеханической обработки.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	17.05.2016
Размер файла	334,8 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Пензенский многопрофильный колледж

по дисциплине: "Материаловедение"

на тему: "Высокопрочные стали"

Подготовил: Журин Илья

Проверил(а): Сергеева Елена Васильевна

Содержание

• Введение
• 1. Химический состав и механические свойства
• 2. Особенности сталей
• Литература
• Приложение

Введение

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности sв, как правило, получают не более 1100-1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически становится хрупкой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают sв = 1800 - 2000 МПа, называют высокопрочными. Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами.

Один из таких способов - легирование среднеуглеродистых сталей (0,4-0,5% С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200-3000С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4% С; 5% Cr; 1% Mo и 0,5% V, после закалки в масле и низкого отпуска при 2000С имеет sв = 2000 МПа при d = 10%, y = 40% и КСU = 0,3 МДж/мІ.

Стали 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА, 30Х2ГСН3ВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая закалка) приобретают высокую прочность - такая обработка сообщает сталям меньшую чувствительность к надрезам. Прочность sв " 1600 - 1850 МПа при d " 15 - 12% и КСU = 0,4 - 0,2 МДж/мІ.

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, стали 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХН3МА после НТМО имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с обычной термической

1. Химический состав и механические свойства

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, (30ХГСН 2А,40ХН2МА), применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250°С) 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.

Высокая прочность может быть получена и за счет термомеханической обработки.

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 (03Н 18К 9М 5Т, 04Х 11Н 9М 2Д 2ТЮ) 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 °С 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 °С 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.

2. Особенности сталей

сталь прочность легированный термомеханический

Еще во второй половине 50-х гг. у нас в стране были разработаны стали типа А1 с гарантированным пределом текучести 490 МПа. Из этих сталей были построены корпуса атомных ледоколов "Ленин", "Сибирь" и других, которые успешно эксплуатируются до настоящего времени. Опыт работы этих ледоколов использован при разработке корпусных сталей для судов, работающих в сложных условиях мелководья прибрежных районов Арктики, с заходами в устья сибирских рек. Были разработаны и приняты в качестве корпусных материалов мелкосидящих атомных ледоколов типа "Таймыр" стали марок АБ-1, АБ1-А и АБ-2. В их состав кроме углерода (до 0,14%), кремния и марганца, использованных в качестве раскислителей, входят около 1 % хрома, 2-3 % никеля, до 0,3 % молибдена и до 1 % меди. Высокая дисперсность структурных составляющих достигается микролегированием алюминием и ванадием. Для повышения металлургического качества стали, используемой при изготовлении особо ответственных конструкций, применяют электрошлаковый переплав (на что указывает буква "ш" в марочном обозначении). Требуемый уровень механических свойств стали достигается после закалки и высокого отпуска. Механические свойства перечисленных сталей, а также сталей марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ (АБ-А) приведены в табл. 5.10. Обладая высокой прочностью и пластичностью, эти стали сохраняют и высокие значения работы разрушения KV при температурах до минус 40 - минус 60 °С, т. е. обладают повышенной хладостойкостью. Стали марок 10ГНБШ и 10ХНДМФ разработаны как материалы для буровых установок типа "Шельф". Важнейшим достоинством этих сталей (зет-сталей) является высокая стойкость к слоистым (ламинарным) разрушениям. Слоистое разрушение в сварных конструкциях, выполненных из листов большой толщины, возникает в результате значительных сварочных напряжений или внешних нагрузок, направленных перпендикулярно поверхности проката. Мировой и отечественной практикой установлено, что высоким сопротивлением слоистым разрушениям обладают стали с высокими значениями характеристик пластичности и ударной вязкости. Их испытывают на образцах, вырезанных в направлении толщины листа (в z-направлении). В настоящее время сложилась практика оценивать уровень сопротивления стали слоистым разрушениям по величине относительного сужения. Установлено, что при значениях \pz более 30 % сталь можно применять в сварных конструкциях без риска слоистого разрушения. Пластичность стали в направлении толщины проката зависит в первую очередь от содержания серы и количества оксидных неметаллических включений. Содержание серы в сталях, стойких к слоистому разрушению, не должно превышать 0,01 %. Сталь подвергается полному раскислению, в ее состав вводят измельчающие зерно элементы.

Зет-стали подвергают также испытаниям на ударный изгиб на образцах с V-образным надрезом, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки. Температура испытания должна быть ниже возможной минимальной рабочей температуры конструкции: при рабочей температуре -20 °С испытания проводятся при -40 °С, а при рабочей температуре -40 °С температура испытания соответственно понижается до -60 °С.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает хорошо свариваемую, стойкую против слоистого разрушения сталь, соответствующую самым высоким требованиям международных классификационных обществ.

Высокопрочные стали

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности σ_в как правило, получают не более 1100—1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически становится хрупкой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают σ_в = 1800…2000 МПа, называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из таких способов — легирование среднеуглеродистых сталей (0,4—0,5%С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200—300°С. При этом получают мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Например, сталь, содержащая 0,4 % С; 5 % Сг; 1 % Мо и 0,5 % V, после закалки в масле и низкого отпуска при 200 °Симеетσ_в= 2000 МПа приδ= 10 %,ψ= 40 % и KCU= 0,3 МДж/м 2 .

Стали30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСН3ВМи т. п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая закалка) приобретают высокую прочность — такая обработка сообщает сталям меньшую чувствительность к надрезам. Прочность σ_в » 1600…1850 МПа приδ» 15…12 % иKCU =0,4…0,2 МДж/м 2 .

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, стали30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХН3МАпосле НТМО имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5—2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дислокаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода).

Мартенситностареющие стали(В американской литературе эти стали называют Марэйджинг).

Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинства — высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.

Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. Основным легирующим элементом является никель (10—26 %). Кроме того, различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7—9 % Со; 4,5—5 % Мо; 5—11 % Сг; 0,1— 0,35 А1; ~0,15—1,6 % Ti; иногда ~0,3—0,5 % Nb; ≤0,2 % Si, Mn;

В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода (≤0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800—860°С, охлаждении на воздухе и затем отпуске — старении.

Легирующие элементы с железом образуют твердые растворы замещения. Поэтому при закалке мартенситное превращение протекает по второму механизму , т. е. образуется реечный (массивный) мартенсит, для которого характерна высокая плотность дислокаций (до 1011—1012 см). Для их закрепления требуется более 0,2 % С, а в этих сталях его содержание ≤0,03 %. Кроме того, никель и кобальт уменьшают степень закрепления дислокаций атомами углерода и азота, понижают сопротивление решетки мартенсита скольжению дислокаций, поэтому дислокации в этих сталях после закалки обладают высокой подвижностью, сталь очень пластична. После закалки σ_в »900…1100 МПа, а δ »14…20 %, ψ »70…80 % и KCU » 2,0…3,0 МДж/м 2 .

Изделия из этих сталей получают пластической деформацией после закалки заготовок. Дислокационная структура, полученная после закалки, очень устойчива, сохраняется при нагреве до 500°С.

Упрочнение стали происходит в процессе отпуска — старения, который проводят при 480—500°С, за счет перераспределения легирующих элементов. Это приводит к образованию зон концентрационной неоднородности и выделению интерметаллидных фаз NiTi, Ni₃ (Ti, Al), FeMo₂ в высокодисперсном состоянии. Наибольшее упрочнение наблюдается, когда интерметаллидные фазы находятся на стадии предвыделения, т. е. когда они еще когерентно связаны с твердым раствором и их размер не превышает 2—5 нм.

Известно, что в твердом состоянии зарождение новой фазы предпочтительно происходит на дефектах решетки, в частности на дислокациях. Дисперсные ча­стицы, выделяясь на дислокациях, закрепляют их. Дислокации теряют подвижность, прочность увеличивается. Чем мельче частицы интерметаллидов, тем больше упрочнение стали. Отсюда такой узкий интервал нагрева при старении.

Установлено, что чем выше содержание никеля, тем значительнее упрочнение стали при одинаковом содержании алюминия и титана. Наилучшее сочетание свойств получается при введении в сталь 20…25 % Ni. После термической обработки мартенситностареющих сталей получают σ_в »2400…2800 МПа, при δ » 12 %, ψ »40 % и KCU = 1 МДж/м 2 (табл. 9).

Табл.9. Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей

Сталь	Содержание легирующих элементов	Механические свойства
Ni	Co	Mo	Ti	σв, МПа	ψ, %	KCU, Дж/м 2
Н18К9М5Т	0,9	0,5
Н18К8М3	0,2	0,8
Н12К15М10	–	0,3
Н18К12М5Т	1,5	0,2
Н10Х11М2Т 1	–	0,9	0,5
Примечание. Во всех сталях содержится: не более 0,03%С; 0,01 % S; 0,01 % Р; 0,05–0,2 % Al
1 Содержит 11 % Cr

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Д2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.

Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т. д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах, они обладают высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью.

Конструкционные стали

Цементуемые стали обычно содержат 0,1. 0,25 % углерода, а в ка­честве легирующих элементов - хром, марганец, бор, молибден, ва­надий, титан, никель в пределах от 0,002 (В) до 4,4 % (Ni). После це­ментации, закалки и низкого отпуска изделия из таких сталей имеют высокую поверхностную твердость (58. 62 НКСЭ) и вязкую сердцевину с твердостью 15. 30 HRC3. К углеродистым цементуемым сталям от­носятся стали 10, 15, 20. Характерными представителями легирован­ных цементуемых сталей являются:

□ стали средней прочности (15ХР, 15Х, 20Х, 20ХН), которые идут на изготовление небольших деталей, эксплуатируемых при средних нагрузках (зубчатые колеса, валы, кулачки и т. п.). Эти стали характе­ризуются небольшой прокаливаемостью, а детали, изготовленные из них, чувствительны к надрезам;

Q стали повышенной прочности (12ХНЗА, 20ХНЗА, 20ХН4А, 18ХГГ, 18Х2НЗМА) идут на изготовление деталей средних и больших разме­ров, работающих в условиях интенсивного изнашивания при повы­шенных нагрузках (зубчатые колеса, поршневые пальцы, оси, ролики и др.). Эти стали малочувствительны к перегреву, хорошо прокалива­ются и имеют повышенную прочность сердцевины.

Улучшаемые стали содержат 0,3. 0,5 % углерода, легирующих эле­ментов в сумме не более 5 % и используются после улучшения (закалки и высокого отпуска). Эти стали имеют высокую прочность и пластич­ность, высокий предел выносливости, малую чувствительность к от­пускной хрупкости и хорошо прокаливаются. Из них изготавливают ответственные детали машин, работающих под воздействием цикли­ческих и ударных нагрузок.

Хромистые стали (30Х, 38Х, 40Х, 50Х) идут на изготовление ко­ленчатых валов, зубчатых колес, осей, втулок, болтов, гаек. Эти стали характеризуются небольшой прокаливаемостью (15. 25 мм), склон­ны к отпускной хрупкости. Прочность сталей увеличивается с увели­чением содержания углерода, но при этом снижается пластичность.

Хромокремнемарганцевые стали (ЗОХГСА, 35ХГСА) имеют высо­кие механические свойства, хорошо свариваются, имеют невысокую прокаливаемость и широко применяются в автомобилестроении.

Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН) имеют высокую прочность и пластичность, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Они при­меняются для изготовления ответственных деталей, работающих под воздействием динамических нагрузок (шестерни, валы). Прочность стали придает хром, а пластичность - никель. Хромоникелевые ста­ли прокаливаются на большую глубину.

Лучшими показателями среди сталей обладают хромоникельмо-либденовые (40ХНМА, 38Х2Н2МА, 38ХНЗМФА). Эти стали имеют высокую прочность при хорошей вязкости, высокую усталостную прочность, глубоко прокаливаются. Из них изготавливают сильно на­груженные детали, а также валы, роторы, турбины, работающие в ус­ловиях больших знакопеременных нагрузок. Улучшение проводят пу­тем закалки с 850 °С в масле и последующего отпуска при 620 °С.

Высокопрочные стали - это стали, имеющие предел прочности 1600 МПа при удовлетворительной пластичности. К ним отно­сятся стали типа 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 40ХН2СМА, 30Х2ГСН2ВМ, 30Х5МСФА. В табл. 5.5 приведены механические свойства двух марок высокопрочных сталей после закалки с 900 °С и низкого отпуска при 250 °С.

Механические свойства	высокопрочных сталей
Сталь	Механические свойства сталей
ов, МПа	Ъ,9	/'	V,%	кси	, МДж/м2
30ХГСНА 40ХГСНЗВА	1850 2000	13 11	0,55 0,45

Указанная прочность сталей сохраняется благодаря низкому от­пуску, а удовлетворительная пластичность обеспечивается высокой степенью чистоты и мелкозернистой структурой.

Общая тенденция развития техники и стремление к созданию лег­ких, нематериалоемких машин требуют применения сталей, имеющих ств >2000 МПа и высокие показатели пластичности. После закалки и низкого отпуска уровень прочности таких сталей определяется в ос­новном содержанием углерода, увеличение которого свыше 0,4 % делает сталь хрупкой. В этой связи особый интерес вызывают мар-тенситно-стареющие стали, представляющие собой сплавы железа и никеля (8. 20 %) с очень низким (до 0,03 %) содержанием углеро­да и дополнительно легированные титаном и алюминием, а также часто кобальтом и молибденом. Механические свойства сталей типа Н12К15М10 и Н18К9М5Т приведены в табл. 5.6.

Таблица 5.6 Механические свойства мартенситно-стареющих сталей

Сталь	Механические	свойства сталей
ств, МПа	5,%	м/,%	кси,	МДж/м2
Н18К9М5Т Н12К15М10	2100 2500	8 6	50 30	0,5 0,3

Эти стали закаливают с температур 800. 860 °С на воздухе, так как никель и другие легирующие элементы стабилизируют твердый рас­твор, который благодаря этому переохлаждается до мартенситного превращения. Закалка фиксирует сильно перенасыщенный легирую­щими элементами, почти безуглеродистый (

Основное упрочнение сталей достигается при последующем от­пуске (старении) при 450. 500 °С, когда из мартенсита выделяются мелкодисперсные упрочняющие частицы интерметаллидных фаз (Ni3Ti, NiAl, Fe2Mo, Ni3Mo и др.), когерентно связанные с матрицей. В ре­зультате такого механизма упрочнения сплавы обладают высокой прочностью и малой чувствительностью к надрезам, имеют высокое сопротивление хрупкому разрушению и сохраняют эти свойства в широком диапазоне температур - от криогенных до 450;..500 °С. Они обладают высокой технологичностью, так как неограниченно прокаливаются, хорошо свариваются, до старения легко деформи­руются и обрабатываются резанием. Мартенситно-стареющие стали применяются для наиболее ответственных деталей в авиации, ракет­ной технике, судостроении и как пружинный материал в приборо­строении.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пру­жин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высокими пределами упругости и текучести (а0 2 > 800 МПа) и сопротивлением усталости при достаточной пластичности (5 » 5 %, \j/ = 20. 25 %). Для обеспечения указанных свойств стали содержат более 0,5 % углерода и легированы одним или несколькими эле­ментами: 1,5. 2,8 % кремния; 0,6. 1,2 % марганца; 0,2. 1,2 % хро­ма; 0,1. 0,25 % ванадия; 0,8. 1,2 % вольфрама; 1,4. 1,7 % никеля. Эти элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и зака­ливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости.

Наиболее широко в промышленности применяются кремнистые стали типа 55С2, 60С2А, 70СЗА, из которых изготавливают пружи­ны вагонов, автомобильные рессоры, торсионные валы и др. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поверхности за­готовок при горячей обработке/что снижает предел выносливости. Поэтому для высоконагруженных рессор и пружин применяют ста­ли марок 60С2ХА, 50ХФА, 60СГА, 60С2Н2А с прокаливаемостью до 50. 80 мм. Дополнительное легирование кремнистых сталей хро­мом, марганцем, ванадием, никелем увеличивает их прокаливае­мость, уменьшает склонность к обезуглероживанию и росту зерна при нагреве.

Рессорно-пружинные стали подвергают закалке и отпуску на троо-стит или деформационному упрочнению после патентирования. Патен-тирование (разновидность изотермической закалки) применяется для пружинной проволоки, содержащей 0,65. 0,9 % углерода, и заключается в ее высокотемпературной аустенизации для получения однород­ного аустенита и последующего пропускания через расплавленную соль с изотермической выдержкой при температуре 450.. .550 °С.

Шарикоподшипниковые стали. Рабочие поверхности деталей, ра­ботающих в условиях интенсивного изнашивания (подшипников, зубчатых колес, колец, деталей дорожных и землеройных машин), подвергаются не только абразивному, но и ударному изнашиванию, которое вызывет усталостное выкрашивание на рабочих поверхно­стях и излом деталей. Такой механизм изнашивания особенно актуа­лен для подшипников, элементы которых изготавливают из шарико­подшипниковых сталей ШХ6, ШХ15, ШХ15СГ и ШХ20СГ. Такие стали содержат до 1 % углерода. Повышенное содержание углерода и легирование хромом обеспечивают повышенную прокаливаемость стали и получение после термической обработки высокой равномерной твердости, устойчивости против истирания и достаточной вязкости. Шарикоподшипниковые стали должны быть однородны по структуре и содержать минимальное количество неметаллических включений. Термическая обработка подшипниковых сталей включает отжиг, закалку и отпуск. Отжиг проводят перед изготовлением деталей для снижения твердости и получения структуры зернистого перлита. За­калку осуществляют с температур 820. 860 °С в масле, отпуск - при 150. 170 °С с выдержкой в течение 2. 3 ч. Время между закалкой и отпуском не должно превышать 3 ч для уменьшения количества оста­точного аустенита в закаленной стали. После окончательной термиче­ской обработки твердость стали составляет 62. 65 HRC3, структура - мартенсит с включениями мелких карбидов и остаточный аустенит (8. 15 %). Для стабилизации размеров деталей их обрабатывают холо­дом при температурах 70. 80 °С.

Детали машин, работающие в условиях абразивного изнашивания и больших ударных нагрузок, такие как корпуса шаровых мельниц, щеки камнедробилок, крестовины рельсов, траки гусеничных тракто­ров, изготавливают из аустенитной высокомарганцовистой стали мар­ки 110ПЗЛ (сталь Гадфильда), которая содержит 1„.1,4 % углерода и 12. 14 % марганца. Эта сталь плохо обрабатывается резанием, поэто­му изделия из нее получают преимущественно ковкой или литьем (бу­ква Л в марке стали). Сталь 110ПЗЛ подвергают закалке с 1100 °С в воде. После закалки сталь имеет однофазную структуру аустенита, низкую твердость (220. 250 НВ) и высокую вязкость. Высокая износостойкость стали обеспечивается наклепом аустенита в поверхност­ном слое в процессе работы в условиях ударного воздействия. В ре­зультате твердость поверхности повышается до 600 НВ, а сердцевина остается вязкой.

Высокопрочные конструкционные стали

К высокопрочным относятся стали, временное сопротивление которых s_в >1600 МПа и s_0,2 > 1400 МПа. Стали с пределом текучести более 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными.

Прежде всего высокопрочные стали применяют в изделиях, для которых важно уменьшение массы при сохранении высокой прочности. Это могут быть высокопрочные болты и крепежные изделия, некоторые виды тросов и прядей, высокоскоростные роторы, валы и многие другие детали машин и механизмов. Высокопрочные стали используют в космической, ракетной, авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения.

Получение сталей высокой прочности неизбежно ведет к пони­жению характеристик пластичности и прежде всего сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому надежность стали в конструкции (изделии) может быть охарактеризована конструктивной прочностью - комплексом механических свойств, находящихся в корреляции с эксплуатационными условиями работы изделий. Для боль­шинства конструкционных высокопрочных сталей такими парамет­рами конструктивной прочности являются: предел текучести (s_0,2) и параметр вязкости разрушения (трещиноустойчивости) – К_1с.

Конструктивную прочность конструкционных сталей можно оценить по диаграмме конструктивной прочности, построенной в координатах предел текучести s_0,2 – вязкость разрушения К_1с. На рисунке 3.9 представлена обобщенная диаграмма конструктивной прочности конструкционных сталей различных классов и способов упрочнения.

На диаграмме указаны области средне- и высокоуглеродистых легированных сталей. Штриховой линией отмечено значение s_0,2 = 1400.МПа, являющееся нижней границей для высокопрочных сталей. На диаграмме также указаны приблизительные области различных механизмов распространения трещины при испытаниях на К_1с, построенные на основании фрактографических исследований.

Высокопрочные стали при необходимой прочности должны иметь достаточные пластичность, сопротивление динамическим нагрузкам, ударную вязкость, усталостную прочность, а для ряда изделий и хорошую свариваемость.

В высокопрочном состоянии изделия весьма чувствительны к различным концентраторам напряжений как внешним (выточки, острые переходы, отверстия с малым радиусом и т.д.), так и внутренним (неметаллические включения), поэтому большое значение имеет чистота стали по неметаллическим включениям.

Рекомендуемые материалы

Рисунок 3.9 – Обобщенная диаграмма конструктивной прочности

конструкционных сталей (О.И. Романив, А.Н. Ткач)

MAC - метастабильные аустенитные стали; НУС - низкоуглеродистые стали; СУС и ВУС -средне- и высоколегированные стали; МСС - мартенситно-стареющие стали; СМЗ -стали со сверхмелким зерном; ТМО - стали после термомеханической обработки; ПП - эвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. Характер разрушения: I - область вязкого разрушения; II - транскристаллитный скол; III - интеркристаллитный скол; IV- квазискол

При выплавке высокопрочных сталей применяют чистые шихтовые материалы, специальные методы выплавки, повышающие чистоту стали по неметаллическим включениям, газам и вредным примесям, такие как электрошлаковый переплав, вакуумные способы плавки и др., которые повышают пластичность стали, но при этом и удорожают сталь.

Как правило, получение высокопрочного состояния связано с образованием метастабильной структуры с высоким уровнем микроискажений, высокой плотностью дефектов кристаллического строения и, следовательно, повышенной склонностью к протеканию диффузионных процессов. Это необходимо учитывать при осуществлении технологических операций на изделиях из высокопрочных сталей, при которых возможно насыщение детали водородом (например, электролитическое травление) и появление водородной хрупкости.

При временном сопротивлении более 1600 МПа появляется склонность к замедленному разрушению образцов с трещиной. Повышение содержания углерода резко увеличивает склонность высокопрочных сталей к замедленному разрушению при контакте с водой. Причина этого явления до конца не ясна. Предполагается, что это связано с развитием коррозии под напряжением, эффектом Ребиндера и водородной хрупкостью. Высокопрочные стали склонны к хрупкости при контакте с расплавленными легкоплавкими металлами.

Существуют разные способы получения высокопрочных сталей: закалка на мартенсит с низким отпуском (300 –350 °С) и вторичное твердение в интервале температур 500 – 650 °С, а также ряд специальных технологических процессов, к которым можно отнести термомеханическую обработку, волочение сталей со структурой тонкопластинчатой феррито-карбидной смеси, получение сталей со структурой сверхмелкого зерна и некоторые другие. К высокопрочным сталям относятся мартенситностареющие стали и стали со структурой метастабильного аустенита.

3.3.1 Легированные низкоотпущенные стали

Большинство легированных конструкционных сталей после закалки и низкого отпуска могут иметь высокие значения временного сопротивления (s_в > 1700 МПа) и предела текучести (s_0,2 >1500 МПа) при достаточно высоких значениях пластичности (относительное удлинение d ³ 10 % и относительное сужение y ³ 25 %). Однако конструктивная прочность низкоотпущенных легированных сталей обычно понижена из-за повышенной чувствительности к надрезам вследствие низкого сопротивления хрупкому разрушению. При выборе рационального легирования и режимов отпуска низкоотпущенной стали необходимо учитывать развитие в интервале 200 – 300 °С явления необратимой отпускной хрупкости (отпускная хрупкость I рода), сопровожда­щегося значительным падением ударной вязкости. В связи с этим отпуск высокопрочной стали проводят при температурах выше провала ударной вязкости, т.е. выше 300 ºС. Роль легирования при этом заключается в повышении устойчивости мартенсита к распаду при отпуске (необходимо сохранить высокие прочностные свойства при возможно более высоких температурах отпуска), обеспечении необходимой прокаливаемости, повышении сопротивления хрупкому разрушению.

Углерод является элементом, наиболее сильно упрочняющим мартенсит. Однако он сильно понижает хрупкую прочность стали, поэтому высокопрочные низкоотпущенные стали должны содержать минимальное, необходимое для получения заданной прочности, количество углерода. Обычно содержание углерода не превышает 0,3 – 0,4 %.

При легировании высокопрочной стали рекомендуется не слишком снижать температуру М_н, так как при понижении точки М_н растут закалочные напряжения и увеличивается количество остаточного аустенита. Таким образом, легирование высокопрочной низкоотпущенной стали должно быть достаточным, но не чрезмерным.

Высокопрочные низкоотпущенные стали легируют марганцем, хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, кремнием, никелем. Суммарное количество легирующих элементов обычно не менее 3 – 4 %. Для повышения прокаливаемости особенно эффективны Mn, Cr, Ni, Mo. Такие элементы, как никель и кобальт, повышают сопротивление хрупкому разрушению, т.к. увеличивают подвижность дислокаций, снижая их блокировку примесными атомами. Последнее приводит к релаксации пиковых напряжений. Легирование карбидообразующими элементами (Cr, Mo, W, V) и кремнием замедляет распад мартенсита при отпуске, в результате чего появляется возможность проводить его при температурах более 300 ºС. Это позволяет миновать область охрупчивания и вместе с тем получить высокий уровень прочности.

При легировании высокопрочных сталей карбидообразующими элементами при прочих равных условиях рекомендуется использовать легирующие элементы, карбиды которых легче растворяются при нагреве под закалку, так как остаточные нерастворившиеся карбиды значительно снижают хрупкую прочность низкоотпущенной стали, а излишне высокие температуры аустенитизации нежелательны, поскольку укрупнение действительного аустенитного зерна понижает ударную вязкость. Добавки кремния в сталях, обрабатываемых на высокую прочность (в отличие от среднепрочных сталей), весьма полезны, так как за счет кремния можно несколько уменьшить содержание углерода (при низком отпуске 200-300°С кремний тормозит падение прочности). Для сталей, подвергаемых изотермической закалке, кремний является наиболее важным легирующим элементом. Изотермическая закалка высокопрочных содержащих кремний сталей обеспечивает высокую вязкость и пониженную чувствительность к надрезу. Роль кремния заключается в усилении перераспределения углерода в аустените в процессе бейнитного превращения, что приводит к образованию менее углеродистых более вязких игольчатых структур и повышенного количества остаточного аустенита.

Сильные карбидообразующие элементы (V, Nb, Ti) способствуют мелкозернистости, но большое их количество может привести к увеличению ликвационной неоднородности по углероду. Этот эффект можно уменьшить введением никеля, который также повышает вязкость. В последнее время разработаны высокопрочные стали, в которых высокий комплекс свойств достигается благодаря получению дисперсных нитридных фаз. Это достигается легированием азотом (0,02-0,04 %) и нитридообразующими элементами. Нитриды ванадия и алюминия обеспечивают получение при нагреве под закалку мелкозернистой структуры, а растворенный в аустените азот значительно увеличивает прокаливаемость стали (35Х2АФ, 40Х2АФЕ).

В таблицах 3.6 и 3.7 приведены составы и свойства некоторых высокопрочных низкоотпущенных сталей.

Особенности высокопрочных сталей

Знание особенностей высокопрочных сталей — в том числе и того, какая из них самая прочная, — очень полезно для заказчиков металлургической продукции. Внимание придется уделить конкретным маркам и расшифровке их маркировки. Также актуальными темами будут применение таких металлов и ГОСТ на них, состав и свойства сталей конкретного типа, их сварка.

Общее описание

Начать следует с определения того, что же, собственно, следует считать высокопрочными сталями. В России под таким термином подразумевают сплав железа с углеродом, который способен переносить более или менее длительное время нагрузку 1800—2000 МПа и выше. Помимо этого показателя, очень важен и другой момент — хорошая устойчивость к хрупкому разрушению. Дополнительно требуется контролировать пластичность и вязкость. Только при четком соблюдении всех этих моментов металлургии производители могут заявить, что они действительно делают высокопрочный металл.

Марки

Среди упрочненных сплавов популярностью пользуется низкоотпущенная сталь со средним легированием. В ней содержится от 0,25 до 0,4% углерода. Специалисты научились значительно повышать в таких сплавах вязкость и пластичность. Их состав включает:

Популярная марка 30ХГСА выпускается согласно различным ГОСТ — сообразно форме исполнения. Так, сортовой прокат должен соответствовать стандарту 4543 от 1971 года. Калиброванные прутки делают по ГОСТ 8559-75. А для полос применяют ГОСТ 103-2006, и это еще не полный перечень. Необходимая прочность поддерживается за счет старения мартенсита.

Такие мартенситно-стареющие стали имеют привлекательные технологические свойства. После закаливания они будут весьма пластичны и хорошо обрабатываемы режущим инструментом. Вырабатывают эти металлы в индукционных печах либо электрошлаковой плавкой. Мартенситно-стареющие стали имеют иногда высокую коррозионную устойчивость. Рассмотреть их состав уместно на примере маркировки 03Х9К14Н6М3Д.

В нее входят:

Также стоит обратить внимание на ПНП-стали, делящиеся на две подгруппы. Одна имеет полностью аустенитную структуру — и называется еще трип-сталями. В таком виде сплавов создается высокая концентрация никеля и прочих стабилизирующих аустенит компонентов. Это существенно удорожает продукцию. Свариваемость ПНП-металла ограничена, обработать его механически также будет весьма трудно.

Многофазные марки стали содержат аустенит, обогащаемый углеродом. В процессе деформации или при активном механическом воздействии он будет преобразовываться в мартенсит. Концентрация углерода составляет 0,2%. Доля марганца достигает 1,5%.

Подобные стали, наряду с высокой прочностью, имеют еще одно хорошее свойство — они легко деформируются, что позволяет получать конструкции со сложной геометрией.

Говоря про другие марки, надо упомянуть еще 20Х2Г2СНВМ. При концентрации углерода 0,18—0,25% она содержит также:

Среди трип-сталей выделяется 30Х9Н8М4Г2С. Это метастабильный аустенитный сплав. В его состав входят:

2% марганца и кремния.

Применение

Особо стойкие марки стали применяют не только для болтов и других крепежей. Тот же сплав 30ХГСА используют, чтобы делать:

прочие улучшаемые части, эксплуатируемые при температуре до 200 градусов;

сварные конструкции, применяемые для ответственных работ;

прочие изделия, рассчитанные на знакопеременные нагрузки.

Марка 35ХГСА после грамотного отпуска прочнее предыдущего сплава. Такой материал подойдет для получения:

сварных сложных деталей;

прочих изделий, рассчитываемых на особые нагрузки.

Примечательна сталь ЭИ643. Она подходит для дисков и валов. Из нее делают шестеренки редукторов и различные крепежи. Ее, наряду с 30ХГСА и ВЛ-1, используют даже в авиационной промышленности. Мартенситно-стареющая сталь представлена еще и сплавом Н18К9М5Т; здесь аналогами будут:

Мартенситно-стареющий металл может работать при охлаждении до — 196 градусов и при нагреве до 400 градусов. Допускается его эксплуатация в среде со слабой химической агрессивностью. Такие вещества имеют превосходную эрозионную стойкость. Хорошими примерами являются:

Такие металлы применяют, чтобы делать:

резервуары, рассчитанные на высокое давление;

зубчатые передачи различных моторов;

двигательные валы на вертолетах.

Сварка

Высокопрочные стали варят по особой технологии. Среднеуглеродистый легированный металл относительно вязок и пластичен. Рессорная сталь с легирующими компонентами варится при условии непременной предварительной термической обработки. В ходе самой работы требуется обеспечить подогрев. Но и после окончания сварки придется заниматься термообработкой.

Средние по содержанию углерода сплавы отличаются хорошей прокаливаемостью. Прогрев свариваемых изделий не понижает скорости падения температуры. Это приводит к ускоренному росту зерен. Вывод прост: варить подобный металл следует без заблаговременного подогрева.

Однако могут использоваться специализированные методики: блочная, каскадная сварка, работа на укороченных участках.

Иногда используются специальные приспособления, подогревающие шов. Это позволяет поддержать его дольше при заданной температуре. Чтобы перегреть сталь, исключая возникновение мартенситной структуры, могут применять отжигающие валики. Концентрация углерода в создаваемом шве должна составлять максимум 0,15%. Иначе обстоят дела при сварке на умеренно легируемых глубоко прокаленных сталях особой прочности.

Это требует подбора сварочных материалов, позволяющих формировать швы с повышенной деформационной способностью. Такое свойство должно достигаться при ограниченном насыщении ванны водородом. Недопустимо применение электродов с органическими покрытиями. В шве должно содержаться максимум:

1,5% хрома и марганца;

0,5% кремния и ванадия;

Среднеуглеродистый металл варят под аргоновой защитой. При этом используют неплавкий электрод. Присадочное вещество подбирают сообразно применяемому газу.

Улучшить работу помогает использование активирующего флюса. Он позволит отказаться от разделки кромок.

Какая сталь самая прочная в мире?

Наивысшую прочность имеет нитинол. Такая сталь известна также как SM-100. Изначально ее создавали для использования в ракетах в США. Этот металл весьма прочен и отличается жесткостью. Сегодня SM-100 применяют широко и для изготовления ножей.

Читайте также:

  
• Как просверлить ванну стальную
  
• Твердость сталей в состоянии поставки таблица
  
• Какой буквой русского алфавита обозначают углерод и никель в маркировке легированных сталей
  
• Казанские стальные двери бульдорс
  
• Гражданам сталинграда крепким как сталь от короля георга