Легированные конструкционные стали

Конструкционные легированные стали (ГОСТ 4543—71) широко применяются для деталей машин и механизмов, работающих в условиях сложного нагружения, т. е. под действием статических, динамических, знакопеременных нагрузок или при их одновременном действии (автомобильная промышленность, сельскохозяйственное и транспортное машиностроение, строительство и т. д.).

Преимущества и недостатки конструкционных легированных сталей:

Основные марки конструкционных легированных сталей (например, 20Х2Н4А, 15ХСНД, 18Х2Н4ВА идр.) — это сложнолегированные стали, где наряду с основными элементами (Cr, Ni, Si, Мп), вводимыми в состав для упрочнения и повышения прокаливаемости, присутствуют специальные элементы (W, V, Ti, А1 и др.), которые способствуют образованию в структуре дисперсных упрочняющих частиц типа VC, VN, AIN, WC, NbC и комплексных интерметаллидных фаз, повышающих упрочнение стали.

Для обеспечения работоспособности деталей из легированных сталей необходимо, чтобы они обладали высокой конструктивной прочностью — совокупностью характеристик материала, соответствующих необходимым служебным свойствам изделия в условиях реальной нагрузки. Конструктивная прочность определяется надежностью и долговечностью материала и обеспечивается рациональным легированием с учетом последующего упрочнения стали термической или другой обработкой.

Надежность — свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Определяется пластичностью (8, %; |/, %); ударной вязкостью (KCU > 0,5 МДж/м²); температурным порогом хладноломкости Т₅₀ или Г_пх; вязкостью разрушения КС_{] живучестью р.

Долговечность — свойство материала сопротивляться постепенному разрушению в течение заданного времени. Определяется механическими свойствами — ст_т, а_в, пределом усталости, а _ь износостойкостью. Коррозионная стойкость и жаропрочность определяют работу детали в сложных условиях нагрева или в агрессивной среде.

Принцип рационального легирования — минимальное количество легирующих элементов в стали должно обеспечивать необходимые механические свойства, прокаливаемость, температурный порог хладноломкости.

Основное назначение легирующих элементов в конструкционных сталях:

• • Хром (до 2%) растворяется в феррите и аустените, упрочняя твердый раствор, увеличивает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске, способствует получению высокой и равномерной твердости в стали. При содержании хрома более 12% сталь становится коррозионностойкой.
• • Марганец (до 2%) растворяется в феррите, упрочняя твердый раствор и повышая свойства прочности, снижает красноломкость, увеличивает прокаливаемость. Однако марганец повышает порог хладноломкости, способствует росту зерна при нагреве, что может отрицательно сказаться на эксплуатационных свойствах стали. В специальных сталях количество марганца может быть увеличено до 14% (сталь Гатфильда).
• • Никель (до 4%) увеличивает прочность без снижения пластичности и вязкости, увеличивает прокаливаемость, снижает температурный порог хладноломкости. Однако никель — дорогой материал, и на практике стараются ограничить использование никелевых сталей из-за их стоимости.
• • Кремний (до 2%) растворяется в феррите, значительно упрочняя его и сохраняя при этом вязкость, повышает предел усталости, снижает чувствительность к надрезу, способствует повышению свариваемости, штампуемости. В сталь вводится в сочетании с другими элементами.
• • Молибден (0,3—0,45%) снижает склонность к отпускной хрупкости; повышает прокаливаемость, понижает температурный порог хладноломкости, увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность, устраняет склонность к внутреннему окислению при цементации в среде эндогаза. В специальных сталях его количество может быть увеличено.
• • Вольфрам (до 1,2%) снижает склонность к отпускной хрупкости II рода, увеличивает нрокаливаемость, упрочняет сталь, но снижает пластичность. Вольфрам измельчает зерно аустенита, повышает вязкость.
• • Ванадий, цирконий, титан, ниобий (0,15—0,30% каждого элемента) измельчают зерно, снижают температурный порог хладноломкости, уменьшают чувствительность к концентраторам напряжений. Но с увеличением их количества происходит снижение прокаливаемое™ и сопротивления хрупкому разрушению, что обусловлено увеличением количества карбидных частиц на границах зерна.
• • Бор в количестве 0,003—0,004% увеличивает ирокаливаемость (затрудняет образование центров кристаллизации перлита на границах аустенитного зерна), однако повышает температурный порог хладноломкости.
• • Присадки свинца и кальция улучшают обрабатываемость резанием.

Строительные стали (09Г2С, 15Г2СФ, 15ХСНД, 08Г2МФБ и т. д.) предназначены для использования в виде листов, сортового и фасонного проката без термической обработки у потребителя в капитальном строительстве, для труб, газопроводов, в судостроении, для металлоконструкций и в других отраслях машиностроения. Поставляются в горячекатанном состоянии с феррито-перлитной структурой (ГОСТ 19 281—89).

Автоматные стали обладают высокой обрабатываемостью резанием, и предназначены для массового изготовления деталей из них на металлорежущих станках-автоматах. Автоматные стали маркируются буквой А, а далее следует цифра, показывающая процент углерода в стали (А12, А20, А35Е, АС40). Селеносодержащие стали имеют в марке букву Е, стали со свинцом — букву С. При повышенном содержании марганца (до 1%) в марке ставится буква Г.

Основные требования: хорошая обрабатываемость резанием, т. е. получение легко отделяемой, короткой и ломкой стружки. По сравнению с обычными углеродистыми сталями, в автоматных сталях повышенное содержание серы (до 0,3%) и фосфора (до 0,05%). У автоматных сталей, содержащих РЬ, Са, S и другие элементы, скорость резания увеличивается на 25—50%, а стойкость инструмента в 2—3 раза.

Конструкционные машиностроительные стали предназначены для изготовления деталей машин и механизмов. Классифицируются по составу (низколегированные, среднелегированные), обработке (цементуемые, улучшаемые), назначению (рессорно-пружинные, подшипниковые и г. д.).

Цементуемые стали (ГОСТ 1050—88) — низкоуглеродистые (до 0,25%) низкои среднелегированные стали — ГОСТ 4543–71. Количество легирующих элементов (марганец, хром, кремний, никель с добавками молибдена, ванадия, титана, бора) должно обеспечивать требуемую прокаливаемость, прочностные свойства и контактную выносливость. Свойства стали определяет последующая термическая обработка (твердый поверхностный слой HRC 58—62 и вязкая сердцевина HRC 30—35) (табл. 9.4). Термическая обработка — цементация или нитроцементация с последующей одинарной или двойной закалкой и низким отпуском (возможна закалка с нагрева под цементацию).

Улучшаемые стали (ГОСТ 4543—71) — среднеуглеродистые (до 0,5% С), низкои среднелегированные стали (табл. 9.5). Основные легирующие элементы — хром, никель, марганец, кремний, добавки ванадия, вольфрама, титана, молибдена, бора. Требования — высокая конструктивная прочность, прокаливаемость, низкий температурный порог хладноломкости, высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Термическая обработка на структуру сорбит отпуска — закалка при температуре 820—880 °С в масло и высокий отпуск с 550—650 °С. Для деталей, которым требуется повышенная твердость поверхности, проводится закалка ТВЧ с низким отпуском.

Применение: шатуны, ступицы, валы, тяги, штанги толкателей, пальцы, валы карданные, втулки, и др. детали, работающие в условиях сложного нагружения при динамических нагрузках.

Рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14 959—79) — среднеуглеродистые (0,5—0,8% С), низкои среднелегированные стали. Применение: рессоры и пружины различного назначения в разных областях машиностроения. Основные требования — высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости о_упр), стойкость к релаксации напряжений, высокий предел выносливости <�т_! при достаточной пластичности, способность сопротивляться хрупкому разрушению, прокаливаемость (табл. 9.6). Не допускается остаточная деформация. Термическая обраСостав и свойства некоторых цементуемых сталей.

Таблица 95

Свойства улучшаемых сталей.

Таблица 9.6

Свойства некоторых рессорно-пружинных сталей

Пружины из марганцовистой, кремнистой стали могут работать при температурах до 200 °С; из стали 50ХФА — до 300 °C.

ботка: закалка (820—870 °С) в масло, отпуск при 400—520 °С на структуру троостит отпуска (троостомартенсит).

На работоспособность пружин большое влияние оказывает состояние поверхности. Окисление, обезуглероживание поверхности, грубые риски, задиры и др. поверхностные дефекты не допускаются, так как снижают предел выносливости. Срок службы рессор может быть повышен гидроабразивной и дробеструйной обработкой (поверхностный наклеп). При этом на поверхности создаются напряжения сжатия, способствующие повышению предела выносливости ст ,.

Износостойкие шарикоподшипниковые стали по ГОСТ 801–78 имеют особую маркирову: после букв ШХ (П1 — шарикоподшипниковая, X — хромистая) указывают среднее содержание хрома в десятых долях процента. Например, 111X15 — высокоуглеродистые (0,9—1,1% С) хромистые стали (0,4—2,0% Сг), дополнительно легированные марганцем и кремнием для увеличения прокаливаемое™ (табл. 9.7). Применяются для изготовления роликои шарикоподшипников, валов, деталей дорожных машин рабоХимический состав и твердость некоторых шарикоподшипниковых сталей.

Таблица 9.7

тающих в условиях истирающего износа (трения качения, трения скольжения).

Основные требования: высокая твердость, износостойкость, сопротивление контактной усталости в сочетании с хорошей вязкостью. Рабочая структура: мартенсит отпуска с равномерно распределенными карбидами типа (Fe, Cr)₃C. Термическая обработка — закалка с температуры 840— 860° С в масло, нагретое до 60 °C, отпуск при 150—170 °С. Присутствие в структуре неметаллических включений, пористости и карбидной полосчатости может привести к выкрашиванию в зоне контакта рабочих поверхностей.

Износостойкая сталь Гатфильда (110Г13 или 110Г13Л) — высокоуглеродистая (0,9—1,3% С), высоколегированная (11,5−14,5% Ми; 0,3−1,0% Si; менее 0,05% S и 0,12% Р) сталь аустенитного класса (ГОСТ 2176—77) для работы в условиях изнашивания при больших ударных нагрузках и ударноабразивного износа (траки гусеничных машин, щеки дробилок, зубья ковша экскаваторов, крестовины трамвайных и железнодорожных путей и т. д.).

Термическая обработка — закалка с нагревом до 1100 °C, охлаждение в воде. При нагреве избыточные карбиды (Fe, Мп)₃С, Мп₃С, присутствующие в структуре литой стали по границам зерен и снижающие ее прочность и вязкость, растворяются в аустените. После охлаждения в воде сталь имеет аустенитную структуру.

В процессе работы высокие удельные нагрузки (выше предела текучести о_т) вызывают интенсивный наклеп, что приводит к росту твердости и износостойкости при сохранении хорошей вязкости.

К высокопрочным сталям относятся стали с пределом прочности ст_в более 1500 МПа при удовлетворительной пластичности и вязкости. Применение — корпуса двигателей, стволы артиллерийского и стрелкового оружия, катапульты самолетов, шасси, гидрокрылья, корпуса подводных лодок, в ракетной технике, в приборостроении для упругих элементов. Это дорогостоящие стали.

По способу упрочнения высокопрочные стали подразделяют на мартенситные низкоотпущенные и мартенситностареющие сплавы железа с никелем.

Среднеуглеродистые легированные стали типа ЗОХ5М2СФ, 40ХГСНМФ, ЗОХГСН2А (хромансиль) используются после закалки и низкого отпуска или изотермической закалки на структуру нижнего бейнита. Прочность таких сталей зависит от содержания углерода (0,3% С — а_в = 1800 МПа; 0,4% С — <�т_в = 2000 МПа). Повышают прочность этих сталей термомеханической обработкой (ВТМО и НТМО) или получением сверхмелкого зерна (14—15 баллов) при скоростной аустенизации методами сверхскоростного нагрева и очень коротких выдержек. В сверхмелкозернистых сталях при определенных температурах и скоростях нагружения можно получить очень высокие значения б, %, — явление сверхпластичности.

Мартенситно-старсющис стали — практически безуглеродистые стали (менее 0,03% С), основной легирующий элемент — никель (Н18К9МТ, Н18К12М5Т2, Н16К4М5Т2Ю, Н18К14М5Т). Упрочняют стали закалкой на структуру безуглеродистого никелевого мартенсита и его последующего старения с выделением интерметаллидных фаз типа NiTi, Ni₃Ti, Ni₃TiAl, (Ni, Fe) Al, (Fe, Ni, Co), Mo, NiAl, Ni₃Al, (Ni, Fe) Al, Fe₂Mo и др. Хром, вводимый в сплавы Fe—Ni — Ti (Al), повышает сопротивление коррозии.

Мартенситно-стареющие стали обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладноломкости при ст_в = 2000 МПа. Они имеют высокую конструктивную прочность в интервале температур от криогенных (-196 °С) до 500 °C.

Коррозией (рис. 9.4) называют разрушение металла вследствие химического или электрохимического воздействия окружающей среды.

Общая сумма прямых коррозионных потерь по минимальной оценке составляет до 4,0% валового национального продукта. Гораздо труднее поддаются подсчету косвенРис. 9.4. Коррозия — это разрушение металла при его физико-химическом или химическом взаимодействии с окружающей средой.

ные потери. Замена прокорродировавшей трубы нефтеперегонной установки стоит несколько сотен долларов, но недовыработка продукции за время простоя может принести убыток до 20 000 долл, в час. Замена поврежденного коррозией котла на электростанции мощностью 300 МВт может привести к недовыработке электроэнергии на 60 000 долл, в день.

В основе процессов коррозии лежит явление окисления, которое может осуществляться механизмами химического или электрохимического взаимодействия с внешней (коррозионной) средой (рис. 9.5).

Коррозия металлов является химической, если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Химическая коррозия металлов возможна в любой коррозионной среде, однако чаще всего она наблюдается в тех случаях, когда коррозионная среда не является электролитом (газовая коррозия, кор;

Рис. 9.5. Виды коррозионных разрушений:

сплошная коррозия: 1 — равномерная; 2 — неравномерная; 3 — структурноизбирательная; местная коррозия: 4 — пятнами; 5 — язвами; 6 — точками; 7 — межкристаллитная; 8 — транскристаллитная; 9 — подповерхностная розия в неэлектропроводных органических жидкостях). Скорость ее чаще всего определяется диффузией частиц.

Коррозия металлов через поверхностную пленку продуктов коррозии металла и окислителя является электрохимической, если образующийся катион вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды; окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. Такой процесс возможен в тех случаях, когда в окружающей среде существуют два тина реагентов, из которых одни (сольватирующие или комплексообразующие) способны соединяться устойчивыми связями с катионом металла без участия его валентных электронов, а другие (окислители) могу т присоединять валентные электроны металла, не удерживая около себя катионы.

Коррозионностойкими сталями (ГОСТ 5632—72) называют стали (хромистые и хромоникелевые), обладающие высоким сопротивлением электрохимической коррозии. Основными легирующими элементами коррозионностойких сталей (кроме Si, Al, Mo, W, Nb, Ti, V, Мп, Со, Си) являются хром и никель.

Применяют в самолетостроении, машиностроении, судостроении, химиической промышленности — обшивки, трубопроводы, емкости и т. д. для изделий, подвергающихся холодной штамповке и сварке, так как обладают высокой пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются. Однако эти стали имеют невысокую прочность.

Хромистые коррозионностойкие стали (табл. 9.8) содержат 13—30% Сг, содержание углерода не превышает 0,4%, так как в хромистых сталях образуются карбиды (Cr, Fe)₂₃C_fi, (Cr, Fe)₇C₃, (Cr, Fe)₃C, которые снижают коррозионную стойкость стали.

После высокотемпературного нагрева, например при сварке, стали становятся склонны к межкристаллитной коррозии, так как часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом, образуя карбиды, концентрация хрома в твердом растворе становится меньше 12%, и сталь в этом месте начинает корродировать.

Хромистые коррозионностойкие стали имеют высокую коррозионную стойкость во влажной атмосфере, водопроводной и речной воде, азотной кислоте, в пищевых кислотах и других агрессивных средах.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали (08Х18Н9, 08Х18Н9Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т) содержат 0,08−0,20% С;

Таблица 9.8

Химический состав и свойства некоторых хромистых сталей.

18% Сг и 9—10% Ni. В зависимости от содержания Сг и Ni подразделяются на стали аустенитного и аустенито-мартенситного классов.

При высоких температурах эти стали имеют более высокие механические свойства и кислотосгойкость, чем хромистые стали. Обладают высокой коррозионной стойкостью против атмосферной коррозии, в серной, соляной и органических кислотах, и других агрессивных средах. Стали не упрочняются термической обработкой, но для повышения коррозионной стойкости закаливаются с температуры 1000—1070 °С в воду для получения структуры аустенит.

Жаропрочность — это способность сталей и сплавов длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при работе в условиях высокой температуры. Характеристики жаропрочности — ползучесть и предел длительной прочности. Сроки службы жаропрочных сплавов составляют от 1—2 ч (ракеты) до сотен (авиационные турбины) и даже тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

Ползучесть — непрерывная деформация и разрушение металлов иод действием постоянно приложенных напряжений при высокой температуре. Сопротивление ползучести характеризуется условным пределом ползучести — напряжением, которое вызывает за установленное время при данной температуре заданное удлинение или заданную скорость деформации.

Пример: предел ползучести cr'⁰⁰o_t2/iooo показывает, что допускается деформация 0,2% за 1000 ч при рабочей температуре 700 °C. Наиболее важный вид ползучести — медленная ползучесть, возникающая при работе в интервале температур (0,4—0,7)Г_Г1Л материала.

Предел длительной прочности — напряжение, которое вызывает разрушение образца через заданный промежуток времени при постоянной высокой температуре.

Пример: предел длительной прочности а'^о0_1Ооо — при температуре 700 °C и заданном напряжении разрушение произойдет через 1000 ч.

Характеристики жаропрочности определяются путем специальных испытаний на ползучесть и длительную прочность. Эти понятия тесно связаны между собой, и разделить их не представляется возможным. Испытания на ползучесть и длительную прочность проводятся на одних и тех же установках (рис. 3.8). Жаропрочность стали зависит от ее состава и структуры.

При работе в условиях ползучести происходят два процесса — пластическая деформация под воздействием нагрузки (упрочнение) и рекристаллизация (разупрочнение) при нагреве. Поэтому легирование жаропрочных сталей проводят:

• • элементами, снижающими скорость диффузии и повышающими температуру плавления сплава, т. е. повышающими температуру рекристаллизации — тугоплавкими металлами W, Mo, Cr, V и др.;
• • элементами, способными при высоких температурах образовывать фазы, препятствующие движению дислокаций и не обладающие склонностью к коагуляции (укрупнению) — образующими карбиды (Cr, Mo, Ti, V, W и др.) и интерметаллидные фазы (Ni, Ti, Al, Си, Мо и др.).

Основу структуры жаропрочных сплавов составляют сложные по составу твердые растворы и упрочняющие фазы — карбиды, нитриды или интерметаллиды. Гетерогенная структура формируется при термической обработке — закалке с последующим старением для выделения упрочняющих фаз. Жаропрочные стали должны иметь крупнозернистую структуру, т. е. меньшую протяженность границ, что снижает вероятность разрушения. Деформация и разрушение при высоких температурах проходят по границам зерна (там, где много дефектов кристаллического строения — вакансий, дислокаций и др.). Поэтому по границам легко проходит элементарный акт скольжения при пластической деформации при наличии нагрузки. Таким образом, при низких температурах границы тормозят движение дислокации, а при высоких способствуют разупрочнению.

Рабочие температуры жаропрочных сталей 500—750 °С. При температурах до 600 °C используются стали на основе феррита (a-твердого раствора), а при более высоких — на основе аустенита (у-раствора), который обладает большей жаропрочность ю.

Стали перлитного класса (котельные — 16 М, 12X1МФ, 15ХМ, 25X1 МФ со структурой после нормализации — легированный феррит и перлит, а после закалки — мартенсит или мартенсит и бейнит) применяются для узлов энергетических установок (рабочая температура не выше 600 °С). Содержат элементы, затрудняющие диффузию и повышающие температуру рекристаллизации феррита — 0,5—1,5% Сг, 0,25−0,35% Мб, 0,15−0,3% W.

Мартенситно-ферритные стали (18Х12ВМБФР и 15Х12ВНФБ) используют для деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок. В структуре содержат до 10% феррита. В состав сталей кроме 11—13% Сг входят W, V, Mo, Nb, которые повышают температуру рекристаллизации из-за образования карбидов и фазы Лавеса Fe2W, Fe2Mo. Упрочняются закалкой с 1030—1060 °С (масло), старение при 650—750 °С.

Мартенситные (клапанные) стали для выпускных клапанов автомобильных и тракторных двигателей внутреннего сгорания называются сильхромами. Состав сильхромов: 6—14% Сг, 1—3% Si, дополнительное легирование Mo, Ni, W, Сг, Si, повышающее температуру окалинообразования до 850—900 °С, что обеспечивает хорошую сопротивляемость газовой коррозии.

Жаропрочные стали аустенитного класса содержат большое количество никеля (марганца), а для жаростойкости — хрома. Для достижения высокой жаропрочности дополнительно легируют молибденом, ванадием, вольфрамом, ниобием, бором. Рекомендуют для работы при 500—750 °С.

Аустенитные жаропрочные стали со структурой у-твердого раствора — 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР. Из них изготовляют пароперегреватели и трубопроводы силовых установок, установок сверхвысокого давления, работающих при температурах 600—700 °С.

Аустенитные стали с карбидным упрочнением (структура аустенит + карбиды Ме₂зС₆, МеС — 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС) используют для клапанов турбин авиационных двигателей, крепежных деталей в газои турбостроении, деталей газовых турбин, работающих при температурах до 800 °C.

Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением для работы при температурах 850—950 °С имеют пониженное содержание углерода (менее 0,1%), повышенное содержание никеля (25—37%) и добавки титана, алюминия, бора. Основная упрочняющая у-фаза — Ni3Ti, Nb (TiAl). Возможно образование карбидов типа МеС (TiC).

Сплавы на железоникелевой основе (ХНЗЗВТЮ, ХН38ВТ, 06ХН28МДТ, ХН60Ю) имеют в своем составе суммарное количество никеля и железа более 65% (1:1,5), дополнительно легированы хромом (14—45%), а также вольфрамом, алюминием, титаном, молибденом, медыо. Основная структура — твердый раствор хрома и других элементов в Fe—Ni основе. Рабочая температура сплавов — 750—1100 °С. Благодаря высокому содержанию хрома обладают высокой коррозионной и жаростойкостью. Применяются для изготовления крепежных деталей газовых и паровых турбин, дисков и лопаток турбин.

Сплавы на основе никеля — нимоники — ХН77ТЮР, Н55ВМТКАЮ. Основные легирующие элементы: никель — > 55%, хром — до 20%, титан — 1,0—2,8%, алюминий — 0,55— 5,5%. Для повышения жаропрочности — дополнительное легирование молибденом, вольфрамом, кобальтом, бором. Используют только в термически обработанном состоянии — закалка с 1050—1150 °С, старение при 500—600 °С. Упрочнение происходит за счет выделения при старении интерметаллидов Ni₃TiAl, NiTi, Ni₃Al. Применение — лопатки турбин, сопла, крепежные детали турбин, кольца, турбинные диски, работающие при 650—850 °С.