В.П. Перминов, В.А. Неронов         МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ



1. Конструкционные стали

Из миллиарда тонн материалов, ежегодно производимых на нашей планете, 99 % – материалы конструкционные. К основным металлическим конструкционным материалам относятся сплавы на основе железа, алюминия, меди, никеля, титана, магния, цинка. Технически чистые металлы в качестве конструкционных применяются редко.

К конструкционным сталям относят стали, которые применяются для изготовления конструкций и сооружений, деталей машин и механизмов. Конструкционные стали должны гарантировать надёжную работу материала при эксплуатации и обладать хорошими технологическими свойствами. Конструкционные стали могут быть как углеродистыми, так и легированными*.

Конструкционные стали подразделяют по химическому составу, качеству, степени раскисления, типу структуры, прочности и назначению, т. е. по самым разнообразным признакам. Единой системы классификации в настоящее время нет. Рассмотрим наиболее распространённые конструкционные стали, как это представляется в современной литературе.

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества. В зависимости от гарантируемых свойств стали обыкновенного качества согласно ГОСТ 380-71 подразделяли на стали следующих трех групп**:
· А – поставляемые промышленностью по механическим свойствам без уточнения химического состава. Стали этой группы обозначаются буквами Ст и цифрами 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 (Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст3Г, Ст4, Ст5, Ст5Г, Ст6. Буква Г указывает на повышенное содержание марганца в стали);
· Б – поставляемые с гарантированным химическим составом. Стали этой группы обозначаются аналогично сталям группы А, но с той разницей, что в начале марки ставится буква Б (БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт3Г, БСт4, БСт5, БСт5Г, БСт6);
· В – поставляемые с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт3Г, ВСт4, ВСт5, ВСт5Г).

Чем больше число в обозначении марки, тем больше содержание углерода и, следовательно, выше прочность (?В, ?0,2) и ниже пластичность стали (?, ?). Стали группы В обладают повышенным качеством и поставляются по особым техническим условиям.

В зависимости от степени раскисления и характера затвердевания металла в изложнице различают спокойную, полуспокойную и кипящую стали. Раскисление – процесс удаления из жидкого металла кислорода, находящегося в виде оксида FeO (традиционное название закись железа) и способствующего хрупкому разрушению при горячей деформации.

Кипящие стали раскисляют только марганцем (неполное раскисление). Поэтому
в этих сталях содержится повышенное количество закиси железа, которая при затвердевании металла частично взаимодействует с углеродом, образуя пузырьки CO. Всплывая
в верхнюю часть слитка и удаляясь из жидкого металла с увеличением объема, пузыри CO создают впечатление кипения стали, что и обусловило её название. Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием (полное раскисление). Эти стали содержат минимальное количество закиси железа и затвердевают ««спокойно» без газовыделения. Полуспокойные стали представляют стали промежуточного типа.

В верхней части слитка спокойной стали образуется усадочная раковина и околоусадочная рыхлость, удаляемые при прокатке обрезкой или обрубкой. В слитке кипящей стали за счёт большого количества газовых пузырей, компенсирующих уменьшение объёма металла при его застывании, усадочная раковина отсутствует.

При маркировке кипящую, полуспокойную и спокойную стали обозначают символами «кп», «пс» и «сп». Эти индексы добавляют после номера марки и буквы Г, например: Ст1кп, БСт5пс, ВСт3сп. Индекс «сп» может и не приводиться. Стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют. Углеродистые стали выпускают всех трёх типов, легированные – обычно спокойными. Углеродистые стали всех трёх групп используются для изготовления металлоконструкций и слабонагруженных деталей машин. Эти стали обычно содержат до 0,6 % C и могут иметь повышенное содержание серы и фосфора – до 0,05
и 0,04 % соответственно. Стали группы А термической обработке не подвергают. По ГОСТ 380-94 углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок: Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст3Гсп, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп.

Буквы Ст обозначают «Сталь», цифры – условный номер марки в зависимости от химического состава, буквы «кп», «пс», «сп» – степень раскисления («кп» – кипящая, «пс» – полуспокойная, «сп» – спокойная).

Углеродистые и легированные конструкционные качественные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не должно превышать 0,035 % каждого. Углеродистые качественные стали маркируют цифрами (числами) 08, 10, 15, 20, 25 и далее до 85, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Легированные конструкционные стали маркируются сочетанием цифр и букв, например: 35Х, 15ХФ, 20Х2М, 12ХН2. Первые две цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – легирующий элемент, а следующие за буквами цифры – примерное содержание соответствующего элемента в процентах. Если после буквы цифры нет, содержание легирующего элемента в стали не превышает 1,5 % (за исключением молибдена и ванадия, содержание которых в большинстве сталей составляет 0,1–0,3 %).

Приняты следующие обозначения легирующих элементов: А – азот, Б – ниобий,
В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М – молибден, Н – никель,
П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, X – хром, Ц – цирконий,
Ч – редкоземельный, Ю – алюминий.

Конструкционные стали высококачественные и особо высококачественные. По химическому составу стали высококачественные – это главным образом легированные стали. Содержание серы и фосфора в этих сталях не превышает 0,025 % каждого. При обозначении высококачественной стали в конце марки приписывается буква А. Например, сталь 34ХН3М – качественная, а сталь 34ХН3МА – высококачественная.

В особо высококачественных сталях содержание углерода и легирующих такое же, как и в соответствующих марках высококачественных сталей. Содержание серы и фосфора наименьшее – до 0,015 и 0,025 % соответственно. Особо высококачественные стали обозначаются буквой Ш в конце марки, например: 30ХГСШ.

Конструкционные цементуемые углеродистые и легированные стали. Эти стали содержат 0,1–0,25 % углерода. Небольшие детали, работающие на износ при малых нагрузках, т. е. в условиях, когда прочность сердцевины не оказывает существенного влияния на эксплуатационные свойства, изготовляют из углеродистых сталей марок 10, 15, 20. Тяжелонагруженные крупные детали, в которых кроме высокой твёрдости поверхности необходимо иметь прочную сердцевину, изготовляют из легированных сталей марок 12Х2Н4А, 18ХГТ, 18Х2Н4ВА и других. После цементации, закалки и низкотемпературного отпуска твёрдость поверхности составляет 60–64 НRС, а твёрдость сердцевины 30–40 НRС.

Широко используются хромистые, хромованадиевые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромомарганцевоникелевые стали, а также стали, легированные бором.

Цементация (и нитроцементация) применяется для упрочнения валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, зубчатых колёс и многих других деталей машин и механизмов.

Конструкционные улучшаемые углеродистые и легированные стали. К улучшаемым сталям относятся среднеуглеродистые стали (0,3–0,5 % C), подвергаемые закалке от 820–880 °С в масле (крупные детали – в воде) и высокотемпературному отпуску при 550–680 °С (улучшению). Углеродистые стали марок 40 и 45 используют для изготовления деталей небольших сечений и испытывающих небольшие напряжения. Легированные стали марок 45Х, 30ХГС, 40ХНМ и многих других, обладающих высокой прочностью и достаточно хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью, используют для изготовления деталей значительного сечения и работающих при высоких нагрузках.

Широкое применение нашли хромистые, хромомарганцевые, хромокремнемарганцевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и хромоникельмолибденованадиевые стали.

Улучшаемые стали используются для изготовления коленчатых валов, шатунов, клапанов, шпинделей, зубчатых колёс, валков горячей прокатки, муфт, дисков паровых турбин и других «ответственных» деталей. Высокая поверхностная твёрдость достигается закалкой токами высокой частоты.

Рессорно-пружинные стали. Указанные стали используют для изготовления рессор, пружин и упругих элементов различного назначения. Основные требования к этим сталям – высокое сопротивление малым пластическим деформациям (высокий предел упругости) и высокий предел выносливости при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. Стали должны обладать хорошей закаливаемостью и прокаливаемостью.

Этими свойствами обладают углеродистые стали, содержащие более 0,5–1,0 % С (например, стали 65, 85), а также стали, легированные кремнием, марганцем, вольфрамом, ванадием, хромом и другими элементами (стали марок 50С2, 60С2А, 70С3А, 60С2ХФА, 65С2ВА и др.). Стали подвергают закалке от 830–850 °С в масле (в случае больших сечений – в воде) и отпуску при температуре 400–520 °С.

После закалки по всему объёму должна быть мартенситная структура. Присутствие остаточного аустенита, продуктов эвтектоидного или промежуточного превращений ухудшает пружинные свойства.

Шарикоподшипниковые стали. Сталь, предназначенная для изготовления подшипников качения (наружные и внутренние кольца, шарики и ролики), должна обладать высокой твёрдостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. Основная сталь, используемая для этой цели, – сталь ШХ15, где число, делённое на 10, означает среднее содержание хрома в процентах (0,95–1,05 % С, 1,30–1,65 % Сr).

Термическая обработка подшипниковой стали заключается в следующем. Сначала сталь подвергают отжигу, который обеспечивает получение однородной структуры мелкозернистого перлита с твердостью НВ 178–207, обладающего удовлетворительной обрабатываемостью резанием и достаточной пластичностью при холодной штамповке шариков
и роликов. После этого кольца, шарики и ролики подвергают закалке от 840–860 °С в масле для получения структуры мартенсита и низкому отпуску при 150–170 °С (HRC 61–65).

Износостойкие стали. В качестве износостойкой стали широкое применение нашла высокомарганцовистая сталь 110Г13Л, содержащая 0,9–1,3 % С и 11,5–14,5 % Mn. Из нее изготавливают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, ковши экскаваторов, щёки дробилок и другие детали машин и механизмов, работающих в условиях абразивного изнашивания, высоких давлений и ударных нагрузок.

После литья структура стали 110Г13Л состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe,Mn)3С, выделяющихся по границам зёрен и снижающих прочность и вязкость стали. Литые изделия подвергаются закалке с нагревом до 1 100 °С и охлаждением в воде. При такой термообработке карбиды растворяются и сталь приобретает более устойчивую аустенитную структуру.

Характерной особенностью стали 110Г13Л является её способность сильно упрочняться под действием холодной деформации. При ударных нагрузках происходит деформационное упрочнение аустенита и образование ?-мартенсита с ГПУ-решёткой, что приводит к высокой износостойкости. В условиях чистого абразивного изнашивания и при небольших ударных нагрузках мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали невысокая.

Фосфор, образующий по границам зёрен хрупкую фосфидную эвтектику, придает стали хладноломкость. Поэтому при использовании этой стали в районах севера содержание фосфора не должно превышать 0,02–0,03 %.

При циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании высокой стойкостью обладает литая сталь 60Х5Г10Л, также претерпевающая при эксплуатации мартенситное превращение. В условиях изнашивания при кавитационной эрозии применяют стали 3ОХ10Г10, ОХ14АГ12 и ОХ14Г12М, испытывающие при эксплуатации частичное мартенситное превращение (судовые гребные винты, лопасти гидротурбин и гидронасосов и другие детали).

Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочностью называют свойство материалов сопротивляться деформированию и разрушению под действием механических нагрузок в области высоких температур. Жаропрочные стали*** и сплавы характеризуются высоким сопротивлением ползучести, длительной прочностью, большим сопротивлением знакопеременным нагрузкам и жаростойкостью (окалиностойкостью).

Рабочие температуры жаропрочных сталей составляют 500–750 °С, причём при температурах до 600 °С обычно используют стали на основе ?-твёрдого раствора, а при более высоких температурах – на основе аустенитного ?-твёрдого раствора.

Для изготовления сравнительно мало нагруженных деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах до 500–580 °С и подверженных ползучести, используют низкоуглеродистые стали перлитного класса, легированные хромом, молибденом и ванадием (16М, 15ХМ, 12Х1МФ и др.). Эти элементы повышают температуру рекристаллизации феррита и затрудняют диффузионные процессы, повышая тем самым жаропрочность стали. Перлитные стали обычно подвергают нормализации и отпуску при 600–750 °С, что обеспечивает получение тонкопластинчатого перлита (сорбита) и более высокую длительную жаропрочность по сравнению с закалкой и высоким отпуском, приводящим к формированию зернистого сорбита. Для изготовления деталей и узлов газовых турбин и паросиловых установок (лопатки, турбинные диски и роторы, клапаны автомобильных и авиационных двигателей) применяют мартенситные и мартенситно-ферритные сложнолегированные стали, например: 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ, 40Х9С2 (сильхром), 40Х10С2М, 18Х12ВМБФР. В состав этих сталей входят хром, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, бор и другие элементы, которые, повышая температуру рекристаллизации, образуя карбиды и фазы Лавеса – Fe2W (Fe2Mo), увеличивают жаропрочность. Рабочие температуры некоторых сталей могут достигать 600–620 °С. Для получения оптимальной жаропрочности высокохромистые стали подвергают закалке на мартенсит и отпуску. Структура сталей после отпуска – сорбит и троостит.

Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем перлитных и мартенситно-ферритных сталей. Из них изготавливают детали, работающие при 500–750 °С. Стали содержат большие количества хрома, никеля и марганца, дополнительно легируются молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором, что в совокупности обеспечивает их высокую жаропрочность.

По способу упрочнения аустенитные стали делят на три группы:

· стали со структурой твёрдых растворов, содержащие сравнительно небольшое количество легирующих элементов и не упрочняемые старением, например: 09Х14Н16Б, 09Х14Н18В2БР, 09Х14Н19В2БР. Эти стали применяют после закалки от 1 100–1 160 °С
в воде или воздухе;

· стали со структурой твёрдых растворов и карбидным упрочнением (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и др.). Упрочняющими фазами являются как первичные карбиды, так и вторичные, выделяющиеся из твёрдого раствора;

· стали со структурой твёрдых растворов и интерметаллидным упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р и 10Х11Н23Т3МР. Упрочняющими фазами в этих сталях являются интерметаллиды Ni3Аl, Ni3Ti, Ni3(Ti,Al), Ni3Nb и др.

Аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают закалке с температур 1 050–1 200 °С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при температуре 600–850 °С. Высокая температура закалки необходима для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в аустените и получения после охлаждения высоколегированного твёрдого раствора с относительно небольшой твёрдостью. Во время старения из твёрдого раствора выделяются дисперсные фазы, упрочняющие сталь. Иногда применяют двойную закалку и двойное старение.

К группе жаропрочных сплавов относятся сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Сплавы на никелевой основе, называемые нимониками, предназначены для изготовления деталей с длительным сроком эксплуатации при 650?850°С. Высокая жаропрочность формируется при старении закалённых сплавов в процессе выделения интерметаллидной ?-фазы, т. е. Ni3(Ti,Al), или фазы Ni3Al. Широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР и ХН70ВМТЮ.


* Легированные стали - стали, содержащие в своем составе специально введенные легирующие элементы или повышенное количество кремния или марганца – более 0,5–1,0 %. – Прим. авт.

** В новом ГОСТ 380-94 такого подразделения нет. Во избежание возможных вопросов у пытливого читателя, просматривающего литературу разных лет, представляется целесообразным кратко привести «устаревшую» информацию. Межгосударственный стандарт ГОСТ 380-94 введен в действие непосредственно
в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 1998 г. Марки углеродистой стали обыкновенного качества по новому ГОСТ приведены ниже. – Прим. авт.

***  К жаропрочным сталям относят сплавы на основе железа, если его содержание превышает 50 %. –Прим.авт.


© Сибирская государственная геодезческая академия (СГГА), 2007