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.

Низкоуглеродистые легированные стали (табл. 8.4) используют в состоянии наибольшего упрочнения, т. е. после закалки и низкого отпуска со структурой (в зависимости от состава стали) низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные прочностные свойства этих структур сочетаются с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой трещины.

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

ТАБЛИЦА 8.4. (см. скан) Массовая доля элементов (%) в легированных конструкционных сталях (ГОСТ 4543-71)

наряду с твердой поверхностью имеют достаточно прочную и вязкую сердцевину, устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок. Работоспособность цементованных деталей зависит от свойств поверхностного слоя и сердцевины. При одинаковых свойствах цементованного слоя (определяются концентрацией в нем углерода) 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. Механические свойства низкоуглеродистых сталей без поверхностного упрочнения приведены в табл. 8.5. Механические свойства определены после двойной закалки I и II

ТАБЛИЦА 8.5. Режимы термической обработки в механические свойства иизкоуглероднстых сталей

(см. табл. 8.5) и низкого отпуска, т. е. термической обработки цементуемых деталей. При использовании этих сталей для деталей, от которых не требуется износостойкая поверхность, проводятся однократная закалка I и низкий отпуск.

Все стали, кроме приведенные в табл 8.4, относятся к перлитному классу.

Хромистые стали , а также содержащие дополнительно ванадий или бор 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. 8.5). Стали этой группы применяют для небольших деталей (сечением не более 25 мм), работающих при средних нагрузках.

К группе сталей повышенной прочности относятся комплексно-легированные, а также экономно-легированные стали с повышенным содержанием углерода

Хромоникелевые стали 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 (вольфрамовая) сталь наиболее высоколегирована и имеет высокие механические и эксплуатационные 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.

Рис. 8.9. Влияние температуры отпуска на механические свойства стали

Сталь относится к мартенситному классу, закаливается на воздухе и прокаливается практически в любом сечении. Ее применяют для крупных деталей особо ответственного назначения. Сталь из-за присутствия молибдена (вольфрама) слабо разупрочняется при отпуске (рис. 8.9). Ее используют также в улучшенном состоянии при больших статических и ударных нагрузках.

Недостатками среднелегированных сталей, содержащих являются высокая стоимость и усложненный цикл химико-термической обработки. В присутствии легирующих элементов точка для высокоуглеродистого цементованного слоя смещается значительно ниже поэтому после закалки в нем сохраняется до 60% остаточного аустенита. Стали необходимо обрабатывать холодом для того, чтобы вызвать превращение остаточного аустенита в мартенсит и обеспечить высокую твердость поверхности.

Хромомарганцевые стали с титаном и молибденом относятся к экономно-легированным и предназначены для замены хромоникелевых сталей. Вместо никеля они содержат марганец; титан и молибден

введены для измельчения зерна и снижения чувствительности к перегреву. Прокаливаемость сталей составляет 35-60 мм. В таких сечениях по прочности и твердости они превосходят хромоникелевые, но уступают им по вязкости. Эти стали применяют для деталей крупносерийного и массового производства (зубчатых колес автомобилей).

Среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) легированные стали (см. табл. 8.4) 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 также величины верхнего и нижнего порогов хладноломкости, сопротивление усталости.

ТАБЛИЦА 8.6. (см. скан) Термическая обработка и механические свойства улучшаемых легированных сталей

Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей характеристикой при выборе этих сталей. Кроме прокаливаемости в сталях важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости.

Механические свойства улучшаемых сталей определяются температурой отпуска, так как в зависимости от легирования разупрочнение при отпуске одних сталей идет быстрее, других - медленнее. Однако при обработке на одинаковую прочность (например, полученной подбором температуры отпуска) стандартные механические свойства, определяемые при растяжении, получаются достаточно близкими (табл. 8.6). Различие состоит в параметрах надежности, которые более чувствительны к изменению структуры и состава стали.

Хромистые стали (см. табл. 8.4) относятся к дешевым конструкционным материалам. С увеличением содержания углерода в них повышается прочность, но снижаются пластичность и вязкость, повышается порог хладноломкости (см. табл. 8.6). Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. Стали прокаливаются на глубину 15—25 мм и применяются для деталей небольшого сечения. Причем стали из-за невысокой вязкости рекомендуются для изделий,

работающих без значительных динамических нагрузок.

Хромокремнемарганцевые стали содержат по и называются хромансилями. Это дешевые стали, сочетающие хорошие технологические и механические свойства. Хромансили свариваются всеми видами сварки, хорошо штампуются, удовлетворительно обрабатываются резанием, прокаливаются в сечениях 30—40 мм. Их широко применяют в автомобилестроении: валы, сварные конструкции, детали рулевого управления.

Хромоникелевые стали обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 40—50 мм. Из-за присутствия никеля эти стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали а также относятся к глубокопрокаливающимся сталям, предназначенным для деталей с поперечным сечением 100 мм и более. Их комплексное легирование обусловлено тем, что применение чисто хромоникелевых сталей нецелесообразно, так как они имеют сильно выраженную склонность к отпускной хрупкости. Для ее устранения в деталях большого сечения недостаточно быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. Поэтому хромоникелевые стали легируют молибденом (вольфрамом).

Стали относятся к мартенситному классу, закаливаются на воздухе, обладают малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работают при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Кроме того, стали слабо разупрочняются при нагреве и могут применяться при температурах до Они предназначены для деталей наиболее ответственного назначения (валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали компрессорных машин, редукторов).

Недостатки этой группы сталей: высокая стоимость, пониженная обрабатываемость резанием, склонность к образованию флокенов.