Стали. 
Прикладная механика

Сталь — сплав железа Fc с углеродом С, в котором углерода менее 2%; плотность стали р = 7,8 т/м3. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные.

Углеродистые стали. Их подразделяют на стали общего применения и качественные. Стали общего применения обозначаются Ст 2, Ст 3, … по мере возрастания прочности; в обозначениях качественных сталей на первое место в записи ставится двузначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. По содержанию углерода стали делятся на малоуглеродистые (С 0,6%), например Сталь 65 (?в = 750 МПа). Содержание углерода определяет основные механические характеристики. С увеличением количества углерода возрастает прочность, но снижается пластичность.

Легированные стали. Для придания сталям высокой прочности или других специальных свойств (теплостойкости, износостойкости, коррозионной стойкости и др.) в них добавляют легирующие элементы, которые обозначаются буквами: В — вольфрам, Г — марганец, М — молибден, Н — никель, Р — бор, С — кремний, Т — титан, X — хром, Ф — ванадий, Ю — алюминий. Содержание элемента в процентах указывается цифрой после буквы; если цифра нс проставлена, то содержание легирующего элемента составляет менее 1%.

Их применяют для изготовления деталей высоконагруженных ответственных механизмов, к которым предъявляются требования повышенной прочности или специальных свойств.

Хромистые стали (20Х, 40Х, 15ХА, 38ХА). Они имеют повышенные характеристики прочности и износостойкости при относительно невысокой стоимости. При содержании хрома свыше 13% (2X13, 4X13) стали являются коррозионностойкими.

Хромоникелевые стали (12ХНЗА, 12Х2Н4А). Эти стали сочетают в себе повышенную прочность и износостойкость с высокой вязкостью, которая является характеристикой сопротивления ударным воздействиям. Добавки молибдена или вольфрама (18Х2Н4ВА, 40ХНМА, 25ХНВА) повыша ют механические характеристики. Они применяются для ответственных деталей, например валов редукторов, зубчатых колес, болтов, шпилек. Однако они имеют повышенную стоимость из-за содержания в них более дорогих легирующих элементов (Ni, Mo, W).

Хромокремнемарганцевые стали (20ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА). Такие стали не содержат дорогих легирующих добавок и обладают повышенной прочностью при относительно высокой технологичности. Они используются в сварных конструкциях и при обработке деталей резаньем.

Хромоалюминиевые стали (38Х2ЮА) и с добавлением молибдена (38Х2МЮА). Их используют для азотируемых деталей.

Борированные стали (20ХГР, 27ХГР, 20ХГНР) с содержанием бора 0,001−0,003% применяют в деталях, работающих при трении скольжения. В узлах трения образуется самосмазывающаяся пленка, что повышает износостойкость в 10−20 раз.

Обработка стали. Качество стали зависит от содержания вредных примесей, и для их снижения применяют специальные виды плавок (электрошлаковый и электронно-лучевой переплавы, плазменно-дуговую плавку и др.) и в результате получают высококачественные стали, в конце обозначения которых ставится буква А. Углеродистые качественные и легированные стали подвергают термической обработке, которая состоит из трех стадий: нагрева до требуемой температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения с заданной скоростью. К основным видам термической обработки сталей относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Детали, испытывающие максимальные напряжения на поверхности (изгиб, кручение, контактные напряжения), для повышения сопротивления усталости подвергают поверхностному упрочнению. Существуют следующие методы поверхностного упрочнения: механический, термический, химико-термический, лазерная закалка, ионная имплантация.

Механический метод. При механическом упрочнении в результате пластического деформирования тонкого поверхностного слоя создаются остаточные напряжения сжатия, которые вычитаются из растягивающих напряжений от внешних нагрузок, сопротивление усталости возрастает в 1,4−2,0 раза. Для тел вращения поверхностный наклеп создается обкаткой на токарных станках, в деталях произвольной формы — обдувкой дробью на дробометных машинах.

Термический метод. В основном применяется закалка ТВЧ, при которой токами высокой частоты разогревается и упрочняется тонкий поверхностный слой, а сердцевина детали остается вязкой. Толщина упрочняемого слоя составляет 0,5−1,0 мм, поверхностная твердость — HRC 50−55, сопротивление усталости повышается в среднем в 1,5 раза.

Химико-термические методы. К ним относятся цементация и азотирование. Цементация — самый распространенный метод, применяемый для таких деталей, как зубчатые колеса, кулачки, ваты, специальные роликовые подшипники, от которых требуются высокая поверхностная твердость, износостойкость, усталостная прочность и контактная выносливость. Цементированию подвергаются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода до 0,25%. В результате насыщения стали углеродом получают цементированный слой толщиной 0,8−2,5 мм и поверхностной твердостью HRC 56−62. После цементации сталь подвергают закалке и низкому отпуску, при этом сердцевина имеет достаточную прочность и высокую вязкость.

Азотирование (насыщение поверхности азотом) повышает коррозионную стойкость в атмосферных условиях и их поверхностную твердость. Перед азотированием сталь подвергают закалке и высокому отпуску, после азотирования изделие шлифуют. Толщина азотируемого слоя 0,3−0,5 мм. Азотированная сталь обладает высокой износостойкостью и усталостной прочностью.

Лазерная закалка. Ее применяют для упрочнения поверхностных слоев. Она заключается в том, что под действием излучения расплавляется очень тонкий слой и быстро затвердевает, получая новые свойства. Преимущество лазерной обработки по сравнению с традиционными методами состоит в возможности обработки ограниченных участков деталей на заданную глубину, в том числе труднодоступных мест деталей сложной конфигурации.

Ионная имплантация. Метод заключается в бомбардировке поверхности детали ионами различных химических элементов (углерода, азота, бора, титана), которая приводит к изменению структуры и химического состава поверхностного слоя, а также обеспечивает повышение микротвердости и выносливости в несколько раз. Применяют ее для повышения стойкости режущего инструмента.

В табл. 4.1 приведены марки, механические характеристики и область применения некоторых марок углеродистых и легированных сталей.

Таблица 4.1

Марка стали.	Термообработка.				НВ,. (HRC).	Примеры применения.
45, 45Л.	Нормализация.					Стаканы подшипников качения, штифты, болты, винты, шпильки, гайки, валы, полумуфты и др.
	Термоулучшение.
	Закалка, средний отпуск.
	Закалка токами высокой частоты (ТВЧ).				(52).
	Закалка, средний отпуск.					Пружины, рессоры, диски и др.
65 Г.						То же и пружинные шайбы, стопорные кольца.
10,10A.	Нормализация.					Отгибные шайбы, шплинты, регулировочные прокладки, заклепки,.
15, 15А.						гнутые детали.
20, 20А.	Нормализация.					Гнутые, сварные и штампованные детали, крепежные детали.
45Л.	Нормализация.					Станины, корпусы, муфты, водила, рычаги и др.
38ХА.	Закалка, высокий отпуск.					Зубчатые колеса, червяки, звездочки, валы и оси, водила.
15ХА.	Закалка, низкий отпуск.					Ходовые винты, кулачки, пальцы, вилки, болты, винты, гайки и др.
	Цементация, закалка, низкий отпуск.				(56).
30ХГСА.	Нормализованная.					Клепаные и тонкостенные узлы из листов труб, качалки, рычаги, оси, валы, стаканы подшипников, зубчатые колеса и др.
	Термоулучшение.
	Поверхностная закалка, ТВЧ, высокий отпуск.
	Закалка, низкий отпуск.				(50).
20XН3A.	Закалка, высокий отпуск.					Высокоответственные и высоконапряженные детали, испытывающие вибрационные и динамические нагрузки, обладающие повышенной термостойкостью и прокаливаемостью.
	Цементация, поверхностная закалка, низкий отпуск.				(56).
12ХНЗA.	Термоулучшение.
	Закалка, низкий отпуск.
	Цементация, закалка, низкий отпуск.				(56).
18X2. Н4МА.	Закалка, высокий отпуск.
	Закалка, низкий отпуск.
	Цементация, закалка, низкий отпуск.
	Азотация после закалки и высокого отпуска.				(58).
38X210.	Закалка, отпуск.					Азотируемые и силовые детали, работающие на износ и выносливость.
	Азотирование.				(50).
38Х 2МЮА	Закалка, отпуск.
	Азотирование.				(50).