Сталі, що поліпшуються

Конструкційними сталями, що поліпшуються, називають середньовуглецеві сталі, які містять 0,3-0,5% С та легуючі елементи в кількості не більше 5%. Сталі використовують після операції так званого поліпшення, яка складається із загартування та високого відпуску.Загартування таких сталей, як правило, проводять в олії. Температура відпуску складає 550-650⁰С. Після термічної обробки сталі, що поліпшуються, мають структуру сорбіту, який добре сприймає ударні навантаження.

Сталі, що поліпшуються, мають високу міцність, в'язкість, малу чутливість до концентраторів напруги та гарну прогартовуємість.

У випадку наскрізної прогартовуваності після однакової термічної обробки властивості різноманітних марок сталей майже однакові. Тому вибір тієї або іншої марки сталі, що поліпшується, у кожному окремому випадку обумовлюється прогартовуємістю сталі, перетином деталі та складністю її конфігурації, наявністю концентраторів напруги.

Сталі, що поліпшуються, можуть бути умовно розділені на 5 груп. Зі збільшенням номеру групи росте ступінь легування та розмір перетину, в якому досягається наскрізна прогартовуємість (таблиця 6.5).

Звичайний вміст кремнію в сталі, що поліпшується, складає 0,17-0,37%, марганцю 0,5-0,8%, фосфору та сірки менше 0,035%.

До групи I відносять вуглецеві сталі марок 35, 40, 45, які мають критичний діаметр D₉₅ до 10 мм, при якому досягається наскрізна прогартовуємість. У структурі цих сталей міститься не менше 95% мартенситу.

В групу II входять хромисті сталі марок 30Х, 40Х. Критичний діаметр D₉₅=15-20 мм. Недоліком сталі цієї групи є схильність до відпускної крихкості другого роду. Для них необхідне швидке охолодження після відпуску.

У групу III входять хромисті сталі, додатково леговані ще одним або двома елементами: 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ (D₉₅=20-25 мм). Для збільшення прогартовуваності в хромисті сталі додатково вводять марганець (40ХГ) та бор (40ХР); молібден (30ХМ) вводять для зниження відпускної крихкості.

Таблиця 6.5 – Характеристика конструкційних сталей, що поліпшуються,

після термічного оброблення (ГОСТ 4543-71)

Сталі, які належать до цієї групи, та мають високі властивості, називають, відповідно переліку легуючих елементів хромансилями (20ХГС, 30ХГС). Ці сталі добре зварюються при високій міцності s_В=1200 МПа та KCU=0.4 Дж/м². Їх недоліком є схильність до відпускної крихкості другого роду.

До групи IV відносять хромонікелеві сталі, які містять до 1,5% нікелю: 40ХН, 40ХНМ. Їх критичний діаметр D₉₅=40 мм. Ці сталі при низькій температурі експлуатації мають більший запас в'язкості, ніж сталі попередніх груп.

Групу V складають комплекснолеговані сталі, які містять 3-4% нікелю: 38ХН3М, 38ХН3МФА. Ці сталі відносяться до кращих марок сталей, що поліпшуються.

Критичний діаметр D₉₅ складає 100 мм та більше при низькій схильності до крихкого руйнування. Зі сталей цієї групи виготовляють складні по конфігурації деталі, які піддаються ударним навантаженням. Їх недоліком є схильність до флокеноутворення та труднощі при обробці різанням.

Високоміцні сталі

Високоміцними називають сталі з часовим опором більше 1500 МПа. Високоміцний стан може бути досягнутий при використанні середньо- та високовуглецевих комплекснолегованих сталей після загартування та низького відпуску. Однак при цьому знижується пластичність та в'язкість сталі, що може привести до крихкого руйнування деталей та конструкцій. Використання низьковідпущених високоміцних сталей можливе лише у тих випадках, коли за умовами роботи відсутні динамічні навантаження.

Сучасними напрямками досягнення високоміцного стану без зниження працездатності конструкцій є такі методи зміцнюючого обробки сталі, як термомеханічна обробка та використання таких нових високоміцних матеріалів, як мартенситостаріючі сталі (МСС) та ПНП-сталі (ПНП — пластичність, наведена перетворенням).

Високоміцні мартенситостаріючі сталі характеризуються високими значеннями міцності у сполученні з високою в'язкістю та пластичністю (s_В=2000 МПа, s_0,2=1200 МПа). Небезпека крихких руйнувань зменшується завдяки мінімальному вмісту вуглецю (не більше 0,03%).

Зміцнення сталей досягається сполученням двох механізмів зміцнення: мартенситного g↔a перетворення, яке супроводжується фазовим нагартуванням, та старіння мартенситу. Основним легуючим елементом є нікель, вміст якого складає 17-26%. Для більш ефективного протікання процесу старіння мартенситу сталі додатково легують титаном, алюмінієм, молібденом, ніобієм, а також кобальтом.

Широке розповсюдження має сталь 03Н18К9М5Т, яка містить: не більше 0,03% C, 17-19% Ni, 7-9% Co, 4-6% Mo, 0,5% Ti.

Сталь 03Н18К9М5Т піддають гартуванню на повітрі при 800-850⁰С. Після гартування сталь має структуру безвуглецевого мартенситу з наступними властивостями: s_В=1200 МПа, s_0,2=1000 МПа, d=20%, y=75%, KCU=2,0 МДж/м². В загартованому стані сталь добре оброблюється тиском, різанням та добре зварюється.

Мартенситостаріюча сталь зміцнюється при старінні, тобто відпуску при температурі 450-500⁰С. Зміцнення при старінні зв'язане з виділенням із мартенситу дисперсних часток інтерметалідів типу Ni₃Ti, Fe₂Mo, Ni₃(Ti, Al). Якщо інтерметалідні фази знаходяться на стадії передвиділення, коли вони ще когерентно зв'язані з твердим розчином та мають дуже малі розміри, то у цьому випадку досягається найбільше зміцнення. Легування кобальтом збільшує ефект старіння. Механічні властивості після старіння: s_В=2000 МПа, s_0,2=1800 МПа, d=12%, y=50%, KCU=0,50 МДж/м². При високій міцності сталь зберігає високий опір крихкому руйнуванню. В'язкість руйнування К_1С мартенситостаріючих сталей складає 50-70 МПа*м^1/2. При тому ж значенні межі текучості в'язкість руйнування звичайних легованих сталей не перевищує 30 МПа*м^1/2. При температурі -196⁰С сталь має наступні властивості: s_В=2400 МПа, d=10%, KCU=0,30 МДж/м². Сталь 03Н18К9М5Т теплостійка до 450⁰С.

Мартенситостаріючі сталі використовують в літакобудуванні, ракетобудуванні, тобто в тих галузях, в яких важлива питома міцність, а також в кріогенній техніці, де вони знайшли застосування завдяки високій пластичності та в'язкості при низьких температурах.

Високоміцні ПНП-сталі відносяться до класу аустенітних.Одна з марок, що використовується, містить: 0,3% С, 8-10% Cr, 8-10% Ni, 4% Mo, 1-2.5% Mn, до 2% Si. Після гартування від 1000⁰С-1100⁰С та отримання при кімнатній температурі аустенітної структури (точки М_д та М_Н знаходяться нижче 0⁰С) сталь піддають деформації при 450-600⁰С. При деформації відбувається нагартування аустеніту, виділення з нього вуглецю та легуючих елементів з утворенням дисперсних карбідів (дисперсне зміцнення). Внаслідок збіднення аустеніту цими елементами точка М_д зміщується в область позитивних температур, а точка М_н залишається нижче кімнатної температури. В результаті такого оброблення ПНП-сталі здобувають високу міцність (s_В=1800 МПа, s_0,2=1400 МПа) при високій пластичності (d=30%).

Висока пластичність обумовлена різницею температурних рівней початку мартенситного перетворення М_н та початку утворення мартенситу деформації М_д. Завдяки тому, що ПНП-сталі мають точку М_н нижче, а М_д вище кімнатної температури, то при випробуваннях на розтягування відбувається локалізація деформації, аустеніт тільки на цій ділянці перетворюється в мартенсит та зміцнюється, внаслідок чого деформація зосереджується в сусідніх об'ємах. Перетворення аустеніту в мартенсит не дає локалізуватися деформації, шийка в зразку при випробуваннях на розтягування не утворюється, завдяки чому реалізується висока пластичність сталі.

Поиск по сайту: