Улучшаемые конструкционные стали

 

Химическийсостав и механические свойства улучшаемых конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543-71.

Этими сталями являются углеродистые и легированные стали с
содержанием углерода 0,3... 0,5 %.

В табл. 4 приведены марки сталей и режимы термообработки;
свойства в заготовках разных сечений; значения температуры верхнего и нижнего порога хладноломкости; прокаливаемость D₉₅(для
углеродистых сталей при закалке в воде, для легированных сталей
при закалке в масле). Знаком «+» обозначается чувствительность
стали к отпускной хрупкости и к флокенообразованию.

Улучшаемые стали условно разбиты на пять групп.

Первую группу составляют углеродистые стали. Ввиду малой
прокаливаемости высокие механические свойства при использовании этих сталейдостигаются в деталях малого сечения (до 10 мм)
при закалке в воде. Стали первой группы используют также в нормализованном состоянии.

Ко второй группе относятся стали, легированные преимущественно хромом или хромом и бором (для увеличения прокаливаемости). Эти стали имеют более высокую прокаливаемость и примерно
одинаковый с углеродистыми сталями уровень сопротивления хрупкому разрушению (сравните температурные пороги хладноломкости
по табл. 4).

Для повышения прокаливаемости хромистые стали (40ХГ,
40ХГР, ЗОХГС, 30XM, ЗОХГТ) подвергаются дополнительному легированию Mn, Si, Mo (Ti измельчает зерно). Эти стали относятся к
третьей группе. Как видно из табл. 4, стали, легированные Mn, имеют пониженный запас вязкости (более высокий порог хладноломкости).

Четвертую гpуппу составляют стали, в состав которых входит
1... 1,5 % Ni. Эти стали имеют повышенную прокаливаемость, низкое значение температуры хладноломкости и повышенную конструктивную прочность. Их рекомендуют для деталей сечением 40... 70 мм.

Стали пятой группы содержат 2... 3 % Ni и дополнительно легированы Mo, W для уменьшения обратимой отпускной хрупкости при высоком отпуске. Стали имеют высокую прокаливаемость и рекомендуются для деталей сечением более 70 мм.

Ниже предлагается решить ряд задач по выбору сталей для ответственных деталей, работающих или в условиях значительных растягивающих напряжений или при ударных нагрузках. При подборе режима отпуска необходимо принимать меры для предотвращения отпускной хрупкости.

 

Задача № 11. Какой материал рационально использовать для изготовления шатунов двутаврового сечения толщиной 10 мм, чтобы
обеспечить σ_т ≥ 70 кГ/мм², α_н ≥5 кГ • м/см²? Какова должна быть
термообработка деталей?

 

Ответ: 1) сталь 40; З.в + О при 600 ⁰C; 2) сталь 30XM; З.м +
+ О при 560 ⁰C; 3) сталь 40ХГР З.м + О при 570 ⁰C.

 

Задача № 12. Какой материал следует использовать для болтов
фланцевых соединений трубопроводов высокого давления? Сечение
болтов 20 мм, σ_т ≥ 60 кГ/мм², ψ= 40 %. Укажите режим термообработки деталей.

 

Ответ: 1) сталь 40ХГР; З.м + О при 540 м; 2) сталь 30XM; З.м +
+ О при 540 ⁰C; 3) сталь 40; З.в + О при 600 ⁰C.

 

Задача № 13. Какие стали можно охлаждать на воздухе от температуры отпуска 600 ⁰C?

 

Ответ: 1) 40ХНР, 40ХГ; 2) 4OХ, 40ХГР, ЗОХГС; 3) 45, 30XM.

 

Ниже приводятся основные критерии, которыми следует руководствоваться при выборе стали для конкретного назначения. Высокие значения α_т и α_в характеризуют лишь одну сторону конструктивной прочности - сопротивление материала деформированию. Наряду с высоким α_т, материал должен иметь также высокое сопротивление хрупкому разрушению S_от.Изменение σ_т и σ_в стали в сторону повышения влечет за собой уменьшение S_оти повышение
порога хладноломкости. Склонность к хрупкому разрушению зависит также от коэффициента жесткости нагружения. Легирование, упрочняя материал, может содействовать хрупкому разрушению, вследствие этого не рекомендуется стремиться к использованию сталей чрезмерно легированных. Так как легирование увеличивает прокаливаемость, то для деталей, работающих в условиях действия ударных нагрузок или больших растягивающих напряжении, следует ограничиваться такой степенью легирования, которая обеспечит при закалке получение мартенсита по всему сечению деталей
(необходимые значения D_95, D_99,9). Для деталей, работающих в
условиях действия изгиба или среза без ударного действия нагрузок,
можно ограничиться получением по сечению структуры 90М на
глубину, равную 1/2 радиуса детали. Таким образом, основным
критерием при выборе марки стали является значение D₉₅ или D₅₀.
Так как разные стали могут иметь одинаковую прокаливаемость, то
предпочтение следует отдать стали, которая имеет более низкий
порог хладноломкости.

Основные направления повышения конструктивной прочности стальных деталей. Как можно заключить на основе анализа
табл. 3, 4 и рис. 12, максимальные прочностные свойства (σ_т до
150 кГ/мм² при достаточной вязкости, α_н= 5 кГ • м/см²), могут быть
достигнуты у среднеуглеродистых сталей в улучшенном состоянии
и у низкоуглеродистых сталей закалкой и низким отпуском. Дальнейшее повышение предела текучести может быть легко осуществлено при использовании сталей с более высоким содержанием углерода, в закаленном и низкоотпущенном состоянии, однако пластичность и вязкость деталей из таких материалов очень низка, в связи с чем при работе возникает опасность хрупкого разрушения (детали становятся ненадежными в работе).

В настоящее время существует в основном два направления для
повышения конструктивной прочности стальных деталей:

создание новых высокопробных сплавов;

использование новых методов упрочняющей обработки сталей.

Высокопрочные мартенситно-стареющие сплавы. В настоящее
время высокопрочными сплавами принято считать сплавы, имеющие σ_в >180... 200кГ/мм² при удовлетворительной пластичности и вязкости.

Такие сплавы относятся к типу мартенситно-стареющих (американское название марэджинг).

При создании этих сплавов, во-первых, использовали способность
к упрочнению легированного феррита при закалке, в результате чего
образуется безуглеродистый легированный мартенсит, имеющий S_от ≈ 150 кГ/мм², σ_т ≈ 50... 70 кГ/мм², α_н ≈ 6... 10 кГ∙ м/см².

Высокая прочность легированного мартенсита объясняется измельчением блочной структуры при закалке, а также блокировкой
дислокаций атомами легирующих элементов, образующих атмосферы вокруг дислокаций. Отсутствие углерода предотвращает большие внутренние напряжения и хрупкость. Однако предел текучести
σ_т легированного мартенсита далеко не достигает σ_т многих углеродистых сталей в термически обработанном состоянии. Поэтому состав сплава подбирается так, чтобы в нем были элементы, образующие интерметаллические фазы при старении закаленного сплава, которые эффективно блокируют дислокации.

В качестве современных дисперсионно твердеющих сплавов используются сплавы системы Fe-Ni состава: 17...25%Ni; 8... 10 % Со; 0,3... 1,5 % Ti; 0,1... 0,3 % Al (% С ≤ 0,03) и др. (например, марка Н18К9М5Т).

Термообработка мартенситно-стареющего сплава заключается в
нагреве его при 820... 840 ⁰C. При этом происходит аустенизация
(при выдержке образуется однородный аустенит). При закалке сплава образуется легированный безуглеродистый мартенсит. Нагрев после закалки при 430...480 ⁰C приводит к выделению дисперсных фаз типа Ni₃M и к значительному упрочнению сплава σ_т = 200... 210 кГ/мм², σ_в = 220... 230 кГ/мм², при сохранении высокой пластичности δ = 10 %, ψ = 50 % и вязкости α₁₁ = 8 кГ • м/см². Температурный порог хладноломкости сплава ниже -150 ⁰C. Прокаливаемость мартенситно-стареющих сплавов весьма высокая, деформация
при термообработке стабильная. В закаленном состоянии сплав хорошо сваривается. После сварки сплав подвергается повторному
старению, вследствие чего свойства сварного шва практически не
отличаются от свойств основного металла.

Исключительно высокие механические и технологические свойства мартенситно-стареющих сплавов создают возможность их использования для очень ответственных деталей (в ракетостроении, в авиации и др.).

Для получения высоких свойств пластичности и вязкости эти
сплавы должны быть чистыми от углерода, серы, азота, кислорода
для предотвращения образования карбидов, сульфидов, нитридов,
которые резко снижают пластичность и способность к перераспределению напряжений в участках их концентрации.

Другим направлением, позволяющим существенно повысить
прочность стальных деталей, является термомеханическая обработка
(TMO): высокотемпературная (BTMO); низкотемпературная (HTMO).

 

Задача № 14. В чем заключается сущность технологии TMO?

 

Ответ: 1) при TMO производится нагрев стали до аустенитного состояния, деформация металла в аустенитном состоянии, закалка и низкий отпуск; 2) при TMO осуществляется закалка деформированной стали.

 

BTMO подвергаются углеродистые и низколегированные стали при степени обжатия 25...50%. HTMO в основном подвергаются средне- и высоколегированные стали при высоких степенях обжатия (70....90%).

BTMO практически устраняет развитие обратимой отпускной хрупкости, уменьшает необратимую отпускную хрупкость, резко повышает ударную вязкость, сильно понижает температурный порог хладноломкости и уменьшает чувствительность к трещи нообразованию при термообработке.