Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

позволяет обойтись без применения антикоррозионных покрытий. Атмосферостойкость обеспечивают малые количества Сu, Р, Ni, Сг, Si и других элементов, модифицирующие слой ржавчины на поверхности металла. Образующиеся продукты коррозии имеют более высокую плотность и прочность, лучшее сцепление с поверхностью, чем антикоррозионные покрытия. Защитный слой образуется постепенно (через 1,5-3 года), после чего коррозия практически прекращается.

Атмосферостойкие стали производят во многих странах. Химический состав отечественных сталей 10ХНДП и 12ХГДАФ (табл. 9.5) близок к американским сталям Сог Теп А (~ 0,5 Сu, 1,0 Сг, 0,5 Si, 0,5 Ni, О1Р) и Сог Теп В (1,0 Мп, 0,3 Си, 0,6 Сг, 0,02 - 0,1 V, < 0,04 Р). Первую сталь используют для проката толщиной < 12 мм, вторую - < 50 мм. Атмосферостойкие стали имеют σт > 325 МПа.

Высокопрочные стали

Строительные стали высокой прочности (табл. 9.6) производят и поставляют в соответствии с ГОСТ 19281-89 и ГОСТ 27772-88.

Высокая прочность этих сталей достигается карбонитридным упрочнением (в сталях, содержащих ванадий и алюминий и повышенное количество азота (до 0,03%)), термическим упрочнением и контролируемой прокаткой.

Для карбонитридного упрочнения применяют охлаждение с температуры прокатки или нормализацию при 890950 ° С. При охлаждении образуются частицы V (С, N) диаметром 10 - 100 нм и формируется мелкозернистая структура с размером зерен феррита 5-12 мкм. Эта структура мало зависит от толщины проката (при условии, что она не превышает 40 - 50 мм), обеспечивает (σ0.2 — 400 ... 500 МПа и низкие значения t50.

Термическое упрочнение этих сталей заключается в закалке от 850 -920 ° С и высоком отпуске при 600680 ° С. Этому упрочнению подвергают прокат толщиной до 40 - 50 мм из сталей 12Г2СМФ, 14Г2МФ, 12ГН2МФАЮ и 12ХГН2МФБАЮ. После высокого отпуска получается высокодисперсная смесь продуктов распада мартенсита и нижнего бейнита. Однако наибольшая

прочность достигается у сталей с карбонитридным упрочнением благодаря дисперсионному твердению при отпуске (σт = 600... 730 МПа).

Присутствие частиц карбонитридов и нитридов способствует заметному измельчению зерна и обусловливает дополнительное зернограничное упрочнение

Уровень свойств сталей зависит от сочетания легирующих элементов и микродобавок. Наиболее широкое распространение получила сталь 16Г2АФ. После нормализации она имеет мелкое зерно (10-20 мкм), высокую прочность в сочетании с низким порогом хладноломкости.

Особую группу среди высокопрочных строительных сталей образуют малоперлитные (5-10% перлита) стали с карбонитридным упрочнением при низком содержании углерода. Наибольшее применение получили 09Г2ФЮ и

09Г2ФБ. Сталь 09Г2ФБ содержит, %: до 0,12 С; 0,05 Nb; 0,08 V и до 0,015 N.

Следствием снижения концентрации углерода является повышенная ударная вязкость и пластичность, низкий порог хладноломкости этих сталей. Основное их назначение — магистральные нефте- и газопроводные трубы большого диаметра (до 1420 мм) северного исполнения.

ЛЕГИРОВАННЫЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Назначение легирования Легирующие элементы вводлят с целью повышения конструкционной

прочности сталей, что достигается при их использовании в термически упрочненном состоянии — после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. В связи с этим обеспечение необходимой прокаливаемости — первостепенное назначение легирования. Прокаливаемость стали определяется ее химическим составом. Все легирующие элементы, кроме кобальта, повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость.При комплексном легировании высокие механические свойства можно получить практически в сечении любого размера, поэтому комплексно-легированные стали применяют для крупных деталей сложной формы. Возможность менее резкого охлаждения при закалке таких деталей уменьшает в них напряжения и опасность образования трещин.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Влияние легирующих элементов на механические свойства стали зависит от ее структурного состояния, которое определяется термической обработкой. Рассмотрим это влияние для двух структурных состояний стали.

1. После закалки на мартенсит и низкого отпуска свойства легированной стали определяются концентрацией углерода в мартенсите. Чем она выше, тем больше прочность и твердость, ниже ударная вязкость, выше

склонность к хрупкому разрушению стали. Максимальное упрочнение достигается уже при 0,4 % С (рис. 9.7). При большей концентрации углерода показатели прочности становятся нестабильными из-за хрупкого разрушения стали, о чем свидетельствуют низкие значения ударной вязкости.

Карбидообразующие элементы (Сг, Мо, W, V) увеличивают прочность связи атомов углерода с атомами твердого раствора, снижают термодинамическую активность (подвижность) атомов углерода, способствуют увеличению его концентрации в мартенсите, т.е. упрочнению. Некарбидообразующие элементы (Ni, Si, Сu, Со), наоборот, увеличивают термодинамическую активность атомов углерода, снижая тем самым концентрацию углерода в твердом растворе. Особенно активно действует никель, предупреждая излишнюю хрупкость мартенсита.

2. После закалки и высокого отпуска (улучшения) структура стали представляет собой сорбит — ферритно-карбидную смесь с зернистой формой карбидной фазы. Высокие механические свойства сорбита обусловлены влиянием легирующих элементов на прочность феррита, а также дисперсность и количество карбидной фазы.

Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного (нормализованного) феррита (рис. 9.8, a) Si, Mn, Ni, т.е. элементы, имеющие отличную от Fea кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo, V и Сг, решетки которых изоморфны Fea.

Упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, большинство легирующих элементов снижают его ударную вязкость, особенно если их концентрация выше 1 % (рис. 9.8, б). Исключение составляет никель.

Большинство легирующих элементов измельчает зерно, что способствует повышению работы развития трещины и снижению порога хладноломкости.

Таким образом, для обеспечения высокой конструкционной прочности количество легирующих элементов в стали должно быть рациональным.

Хром вводят в количестве до 2 %. Растворяясь в феррите и цементите, он оказывает благоприятное влияние на механические свойства стали, что

предопределило его широкое применение в конструкционных сталях. Никель — наиболее ценный и в то же время наиболее дефицитный

легирующий элемент. Его добавляют в количестве от 1 до 5 %.

Марганец вводят в количестве до 1,5% и используют нередко как заменитель никеля. Он заметно повышает предел текучести стали, однако делает ее чувствительной к перегреву, поэтому для измельчения зерна вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы.

Кремний — некарбидообразующий элемент, количество которого ограничивают 2 %. Кремний сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании Si свыше 1 %.

Молибден и вольфрам — дорогие и остродефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью находятся в карбидах. Основная цель введения 0,2 - 0,4 % Мо и 0,8 - 1,2 % W — уменьшение склонности к отпускной хрупкости второго рода, улучшение свойств комплекснолегированных сталей в результате измельчения зерна, повышения стойкости к отпуску, увеличения прокаливаемости.

Ванадий и титан — сильные карбидообразователи. Их добавляют в небольшом количестве (до 0,3 % V и 0,1 % Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание этих элементов (так же, как Мо и W) недопустимо, из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды снижают прокаливаемость и, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению.

Бор добавляют в микродозах (0,002-0,005%) для увеличения прокаливаемости. Микролегирование бором эквивалентно введению 1 % Ni; 0,5 % Сr или 0,2 % Мо.

Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности

Из сталей нормальной и повышенной прочности наибольшее применение в машино- и приборостроении имеют низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеуглеродистые (улучшаемые) стали, содержащие, как правило, в сумме не более 5 % легирующих элементов.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей — цементуемые (нитроцементуемые) детали (зубчатые колеса, кулачки и т.п.), работающие в условиях трения. После насыщения поверхности углеродом, закалки и низкого отпуска низкоуглеродистые стали наряду с твердой поверхностью (58-63 HRC) имеют достаточно прочную и вязкую сердцевину, устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок. Работоспособность цементованных деталей зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины. При одних и тех же свойствах цементованного слоя работоспособность деталей повышается по мере увеличения предела текучести и твердости сердцевины. При недостаточном уровне этих свойств под цементованным слоем происходит пластическая деформация, которая вызывает его преждевременное разрушение.

Благоприятное сочетание прочности, пластичности и вязкости, а также высокая хладостойкость (порог хладноломкости лежит в области отрицательных температур) обусловливают применение низкоуглеродистых сталей и без поверхностного упрочнения.

Хромистые стали 15Х, 20Х, а также содержащие дополнительно ванадий (15ХФ) или бор (20ХР), образуют группу дешевых сталей нормальной прочности. Для уменьшения коробления их закаливают не в воде, а в масле. В результате они приобретают структуру троостита или бейнита и упрочняются несколько меньше (см. табл. 9.8). Стали этой группы применяют для небольших деталей (сечением не более 25 мм), работающих при средних нагрузках.

К группе сталей повышенной прочности относятся комплексно-леги- рованные, а также экономно-легированные стали с повышенным содержа-

нием углерода (0,25-0,30%).

Хромоникелевые стали 12ХНЗА, 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А применяют для крупных деталей ответственного назначения. После закалки в масле эти стали в сечениях до 100 мм имеют структуру низкоуглеродистого мартенсита в смеси с нижним бейнитом, которая обеспечивает сочетание высокой прочности и вязкости.

Хромоникельмолибденовая (хромоникельвольфрамовая) сталь 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА) наиболее высоколегирована и имеет высокие механические свойства.

В этой стали отсутствует перлитное превращение, а температурный интервал бейнитного превращения практически сливается с мартенситным, поэтому при любом, даже очень медленном охлаждении получается структура мартенсита (или смеси мартенсита и бейнита). Отжиг для нее

неприменим. В качестве смягчающей операции проводят высокий отпуск на сорбит.

Сталь 18Х2Н4МА относится к мартенситному классу, закаливается на воздухе и прокаливается практически в любом сечении. Ее применяют для крупных деталей особо ответственного назначения. Сталь 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА) из-за присутствия молибена (вольфрама) слабо разупрочняется при отпуске (рис. 9.9). Ее используют также в улучшенном состоянии при больших статических и ударных нагрузках.

Среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) легированные стали (см. табл. 9.7) приобретают высокие механические свойства после термического улучшения

— закалки и высокого отпуска (500 - 650 ° С) на структуру сорбита. Улучшение этих сталей в отличие от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этих сталях, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах.

Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы деталей машин, работающих не только при статических, но и в условиях циклических и ударных нагрузок (валы, штоки, шатуны и др.), концентрации напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах. При выборе стали кроме предела текучести, вязкости, чувствительности к надрезу

важное значение имеют верхний t в и нижний t в пороги хладноломкости,

сопротивление усталости.

Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х (см. табл. 9.7) относятся к дешевым конструкционным материалам. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость, повышается порог хладноломкости этих сталей (см. табл. 9.9). Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. Стали прокаливаются на глубину 15 - 25 мм, их применяют для производства деталей небольшого сечения. Причем стали

45Х, 50Х из-за невысокой вязкости рекомендуются для изделий, работающих без значительных динамических нагрузок.

Хромокремнемарганцевые стали ЗОХГСА, 35ХГСА содержат по 1 % Сг, Мn и Si и называются хромансилями. Это дешевые стали, сочетающие хорошие технологические и механические свойства. Хромансили свариваются всеми видами сварки, хорошо штампуются, удовлетворительно обрабатываются резанием, прокаливаются в деталях сечением 30 - 40 мм. Их широко применяют в автомобилестроении (валы, сварные конструкции, детали рулевого управления).

Легированные высокопрочные стали

В лучших низко- и среднеуглеродистых сталях после типичной для них термической обработки прочность, оцениваемая временным сопротивлением, ограничивается значениями ниже 1500 МПа. При σв > 1500 МПа эти стали имеют высокую чувствительность к концентраторам напряжений и эксплуатационно ненадежны.

Развитие техники, стремление к созданию машин наименьшей массы требуют применения высокопрочных сталей, имеющих σв > 1500 МПа. Для предупреждения хрупкого разрушения таким сталям необходим определенный запас вязкости (KCU не менее 0,2 МДж/м2). Кроме того, расчет рабочих напряжений в деталях из этих сталей необходимо вести не только по значению σ0,2, но и по предельно допустимому размеру дефекта с использованием критерия К1С. При использовании высокопрочных сталей важно также соблюдение определенных требований к конструированию деталей и технологии обработки их поверхности. При проектировании необходимо избегать конструктивных концентраторов напряжений, а при изготовлении не допускать на поверхности глубоких рисок, царапин, обеспечивать минимальную ее шероховатость.

Высокопрочное состояние в сочетании с достаточно высоким сопроти-