Глава XVI. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

1. Механические свойства стали, влияние структуры и легирующих элементов

Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства. Материал, идущий на изготовление деталей, подвергающихся большим нагрузкам, должен хорошо сопротивляться таким нагрузкам и наряду с высокой прочностью обладать вязкостью, чтобы сопротивляться динамическим и ударным воздействиям. Другими словами, материал должен обладать прочностью и надежностью.

В деталях, испытывающих знакопеременные нагрузки, металл должен обладать высоким сопротивлением усталости, а трущиеся детали — сопротивлением износу. Во многих случаях требуется хорошее сопротивление коррозии, ползучести и другим постоянным воздействиям. Это значит, что детали должны быть долговечными.

Таким образом, детали машин должны быть изготовлены из прочного, надежного и долговечного материала.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Механические свойства стали зависят от ее структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

На механические характеристики стали влияют изменение содержания углерода, легирование, диспергирование структурных составляющих, измельчение зерна, наклеп. Упрочнение обычно ведет к уменьшению вязкости и пластичности.

Напомним, что: — пределы прочности и текучести характеризуют прочность; — относительные удлинения и сужение характеризуют пластичность; — ударная вязкость, порог хладноломкости (температура полухрупкости) показывают значения вязкости и характеризуют надежность конструкционного материала.

Износостойкость, коррозионная стойкость, выносливость (усталостная прочность), жаропрочность и некоторые другие показатели характеризуют долговечность.

Сталь превосходит другие сплавы по прочности, уступая по некоторым, обычно менее существенным, свойствам как плотность, коррозионная стойкость, коэффициент линейного расширения, демпфирующая способность; поэтому в подавляющем числе случаев она является основным конструкционным материалом.

При разработке составов конструкционных сталей и режимом их термической обработки нужно рассматривать в первую очередь

такие способы, при которых пластические и вязкие свойства уменьшаются в минимальной степени.

Простое увеличение углерода при феррито-перлитной структуре (нормализованное состояние) приводит к повышению прочности и порога хладноломкости. Максимальная прочность при такой структуре соответствует содержанию углерода примерно и достигает всего лишь тогда как порог хладноломкости лежит ниже лишь при содержании углерода не более

Таким образом, мы можем заключить, что предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с ферритоперлитной структурой составляет при этом сталь будет иметь

Если предъявить требования свариваемости, то содержание углерода должно быть снижено до (во избежание образования трещин в сварном шве и его охрупчивания); прочность при этом снизится до

Получение дисперсных структур в результате переохлаждения аустенита ведет к непрерывному повышению твердости и прочности; максимальную твердость (прочность) имеет мартенситная структура. При мартенситная структура имеет твердость около что соответствует прочности порядка Однако вязкость в этом случае недопустимо низкая, и должна быть повышена отпуском, правда, за счет снижения прочности.

Двойная обработка, при которой окончательная структура формируется не из аустенита, а из мартенсита, т. е. применение закалки с последующим отпуском позволяет широко изменять прочностные свойства от максимальных, соответствующих закаленному состоянию, до минимальных, соответствующих отожженному, и важно, что при этом пластические и вязкие свойства оказываются более высокие, чем при одинарной обработке (продукты распада аустенита).

Это наглядно видно из табл. 30. Например, если обрабатывать сталь для получения предела прочности то окажется, что в случае двойной обработки (закалка отпуск) а в случае одинарной (нормализация)

Это является результатом разного положения порога хладноломкости и меньшего содержания волокна в изломе (для закаленной стали и отпущенной -для нормализованной

Повышение при этом качества стали (отмечаем — качества, а не прочности) в результате двойной термической обработки — закалки и высокого отпуска — заставляет считать правильным название этого вида термической операции — улучшением (точнее термическим улучшением).

Тем не менее возможности термического улучшения далеко не безграничны.

Таблица 30. (см. скан) Механические свойства стали

Повышение прочности, за счет снижения температуры отпуска ведет к повышению порога хладноломкости и, следовательно, уменьшение доли волокна в изломе и уменьшение работы распространения трещины.

И все же прочность после высокого отпуска, равная на кажется конструкторам иногда недостаточной. Наиболее простой способ повысить прочность — снизить температуру отпуска что повысит прочность до однако, надежность (работа распространения трещины) снизится с 400—600 до Поэтому примененная к обычным маркам легированной стали обработка на высокую прочность требует весьма осторожного подхода.

Впрочем считается, что уровень достаточен для многих деталей машин, что допускает возможность применения обычных сталей с прочностью (после закалки и невысокого отпуска).

Реальный путь повышения надежности стали при высокой прочности — это сочетание ее мелкозернистости, № 10—12 зерна (применение и уменьшение содержания вредных примесей, (что достигается использованием чистой

Рис. 287. Зависимость работы распространения трещины (при нормальной температуре) от прочности стали: 1 — обычной чистоты; 2 — высокочнстой, мелкозернистой

шихты и вакуумирования). В этом случае при Сказанное подтверждают кривые, приведенные на рис. 287. Если, как было указано выше, достаточную надежность стали обеспечивает значение то она будет в обычной улучшенной стали при прочности не более а в высокочистой мелкозернистой стали при прочности

Рис. 288. Структура стали после закалки и высокого отпуска при различной исходной структуре, а — мартенсит; б — нижний бейнит; в — верхний бейнит

Отсюда следует, что высокий комплекс механических свойств свойствен продуктам отпуска мартенсита (или бейнита, поскольку нет, как указано выше, принципиальных различий между бейнитным и изотермическим мартенситным превращением); поэтому необходимо при закалке добиваться сквозной прокаливаемости.

Здесь важно, чтобы при закалке образовался не верхний, а нижний бейнит (см. рис. 217), так как после отпуска карбидная фаза из нижнего бейнита как и из мартенсита выделяется в виде дисперсных частиц (рис. 288, а, б), тогда как при исходной структуре верхнего бейнита карбиды при отпуске приобретают пластинчатую форму (рис. 288, в) и свойства оказываются невысокие.

Влияние легирующих элементов двояко: с одной стороны, они углубляют прокаливаемость и тем самым снижают порог хладноломкости, с другой стороны, они, растворяясь в феррите, повышают порог хладноломкости.

Поэтому легировать конструкционные стали надо в меру, когда превалирует первый фактор, но когда достигнута сквозная прокаливаемость, тогда первый фактор перестает действовать и такое избыточное легирование становится вредным (краткое изложение теории предельного легирования).

Исключение составляет никель, который понижает порог хладноломкости, хотя при полностью вязком разрушении, т. е. выше порога хладноломкости как и другие элементы понижает пластичность.