Легированные и конструкционные стали

1. Тема 4 ПРОМЫШЛЕННЫЕ СТАЛИ

4.1 Конструкционные углеродистые и легированные стали
Легированными называют стали, в которые для получения
требуемых свойств специально вводят легирующие элементы.
В основу классификации легированных сталей заложены четыре
принципа: равновесная структура (после отжига), структура после
охлаждения на воздухе (после нормализации), состав и назначение
сталей.
По типу равновесной структуры стали подразделяются на
доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и
ледебуритные.
По структуре после нормализации стали делятся на три класса:
перлитный, мартенситный и аустенитный.
По химическому составу легированные стали делятся на:
хромистые, марганцовистые, хромоникелевые,
хромоникельмолибденовые.
По общему количеству легирующих элементов легированные
стали подразделяются на: низколегированные (до 2,5 % легирующих
элементов), легированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные
(более 10 %).
По качеству легированные стали подразделяются на
качественные (содержание серы до 0,04% и фосфора до 0,035 %),
высококачественные (до 0,025 % S и до 0,025 % P) и особо
высококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % P) .

2.

По назначению стали подразделяют на конструкционные,
инструментальные и с особыми свойствами (автоматные, пружинные,
шарикоподшипниковые, износостойкие, коррозионностойкие,
теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические.
В качестве легирующих наиболее часто используют следующие
элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu,
B и некоторые другие.
В результате легирования изменяются физические, механические и
технологические свойства стали. Изменение свойств стали при ее
легировании определяется влиянием легирующих элементов, как на
свойства фаз, так и на условия протекания фазовых превращений.
По влиянию на положение точек полиморфного превращения
железа, легирующие элементы можно разделить на две группы:
1) Элементы, понижающие температуру А3 и повышающие А4, т. е.
расширяющие область существования аустенита ( -фазы) и сужающие
область феррита ( -фазы). К числу таких элементов относятся Ni и Mn. На
рис. 51, а) приведена диаграмма, характерная для сплавов железа с
легирующими элементами этой группы. Из диаграммы видно, что если
концентрация легирующего элемента превышает концентрацию,

3.

соответствующую точке b, то во всей области температур сплавы
будут иметь структуру аустенита. Такие сплавы называют аустенитными.
Если концентрация легирующего элемента находится между точками а и b,
то в сплавах происходит частичное превращение аустенита в феррит.
Такие сплавы называют полуаустенитными или ферритноаустенитными. К числу элементов, расширяющих область существования
аустенита, относятся также Сu, C и N.
Рис. 51. Схемы диаграмм состояний железа с легирующими элементами:
а – открытая область -область; б – закрытая -область.

4.

2) Легирующие элементы, которые повышают точку А3 и снижают А4.
Это приводит к замыканию области существования аустенита ( -фазы) как
это показано на рис. 51, б. При содержании легирующего элемента выше
концентрации, отмеченной точкой а на оси абсцисс, сплавы во всей
температурной области правее а имеют кристаллическую решетку феррита
( -фазы). Такие сплавы называются ферритными. При меньшей
концентрации легирующего элемента сплавы называются
полуферритными или аустенитно-ферритными. К числу легирующих
элементов второй группы относятся Cr, W, Mo, V, Si, Al. К этой же группе
относятся B, Zr,и Nb, которые способствуют сужению -области даже при
небольших содержаниях этих элементов. Но вследствие малой
растворимости в железе ранее, чем полностью замыкается -область,
образуются двухфазные сплавы.
При введении в сталь одновременно нескольких легирующих
элементов их влияние на существование - и -областей не всегда
суммируется. Например, хром при введении его одновременно с никелем не
сужает, а расширяет -область.
Легирующие элементы обычно повышают предел прочности феррита,
не изменяя в заметной степени пластических характеристик. Исключение
составляют лишь марганец и кремний, которые при их содержании более
2,5 %, снижают пластичность феррита.

5.

Но именно они сильнее всего упрочняют феррит. Введение
легирующих элементов, за исключением никеля и хрома, значительно
снижает ударную вязкость стали и повышает предел хладноломкости.
Легирование никелем до 4 % и хромом до 1,5 % приводит к повышению
ударной вязкости и снижению предела хладноломкости.
Легирующие элементы повышают прочность аустенита при
нормальной и повышенной температурах. Упрочнение аустенитных сталей
легко достигается также в результате пластической деформации, т. к. они
имеют ГЦК кристаллическую решетку.
Легирующие элементы, как и железо, способны образовывать
карбиды. По типу взаимодействия с углеродом, растворенные в железе
легирующие элементы делятся на графитизирующие – Si, Al, Cu;
нейтральные – Co, Ni, которые в стали не образуют карбидов, но и не
вызывают графитизации; карбидообразующие – Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti
(элементы расположены в порядке устойчивости их карбидов по отношению
к карбиду железа).
Если в стали имеется несколько легирующих элементов, то сначала
образуется наиболее устойчивый карбид. Если таких карбидообразующих
элементов, как Mn, Cr, Mo, W в стали мало, то они собственных карбидов не
образуют, а растворяются в цементите: (Fe,Mn)3C или (Fe,Cr)3C и т. д.
Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа, хром –
только 25 % (ат.), молибден лишь около 3 % (ат.), а вольфрам всего
0,8-1,0 % (ат.). Если содержание Cr, Mo и W в стали выше этих
концентраций, то при наличии в стали углерода эти элементы образуют
специальные карбиды типа (Cr,Fe)7C3, (Cr,Fe)23C6, Fe3Mo3C, Fe2Mo2C, Mo6C
и т. д. Такие элементы, как Ti, V, Nb и Zr, в цементите практически не
растворяются, а образуют свои специальные карбиды.

6.

Легированные стали всегда выпускают качественными и
высококачественными. Поэтому в маркировке имеются, как правило,
двухзначные цифры, стоящие первыми и обозначающие содержание
углерода в сотых долях процента. Для высокоуглеродистых марок
инструментальных сталей используют однозначные цифры, указывающие
содержание углерода в десятых долях процента (более 0,7 % С).
Легирующие элементы обозначают буквами: А – азот; Б – ниобий; В –
вольфрам; Г – марганец: Д – медь; Е – селен; К – кобальт; Л – бериллий; М
– молибден; Н – никель; П – празеодим; Р – бор; С – кремний; Т – титан; У –
углерод; Ф – ванадий; Х – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные
элементы; Ш – магний; Ю – алюминий.
Цифры, стоящие после букв, обозначают примерное содержание
легирующего элемента в целых процентах. Если же цифра в маркировке
отсутствует, то это означает, что содержание элемента может достигать 11,5 %. Для элементов, сильно действующих на свойства (N, B, V), их
присутствие в стали указывают в маркировке, даже если их содержание
составляет сотые или тысячные доли процента.
Марки высококачественных сталей имеют в конце букву А, а
особовысококачественные – две буквы А. В инструментальных
легированных сталях и сплавах с особыми физическими свойствами,
которые всегда высококачественные или особовысококачественные, буква
А не указывается. Буква Ш в конце марки означает, что сталь получена
методом электрошлакового переплава и относится к категории
особовысококачественных. Примеры маркировки: 12Х2МФА, 15Х2НМФАА,
30ХГС-Ш, 12Х2МВ8ФБ, 12Х25Н16Г7АР, 15Х6СЮ.

7.

Некоторые конструкционные и инструментальные стали имеют в
начале марки букву, характеризующую область применения: А –
автоматные стали; Ш – шарикоподшипниковые стали; Р – быстрорежущие
стали; Е – стали для постоянных магнитов. У сталей, применяемых для
литья, в конце марки указывается буква Л.
Цементуемые легированные стали
Для получения высокой твердости (HRC 58-62), контактной
выносливости и предела усталости при изгибе, после химико-термической
обработки цементованный слой должен иметь высокую закаливаемость и
прокаливаемость. Прокаливаемость сердцевины должна обеспечить
высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, и
твердость HRC 30-34.
Для обеспечения требуемой прокаливаемости слоя и сердцевины и
минимальной деформации при закалке для изготовления деталей,
работающих на износ в условиях знакопеременных и ударных нагрузок
(распределительные валы, толкатели, зубчатые колеса), используют
закаливаемые в масле или на воздухе низколегированные
низкоуглеродистые (не более 0,3 % С) стали. К таким материалам относятся
хромистые стали (15Х, 20Х), хромомарганцевые стали (18ХГТ, 20ХГР,
25ХГТ, 30ХГТ), хромоникелевые стали (12ХН3А, 12Х2Н4А),
хромомарганцевоникелевые стали (15ХГН2ТА) и
хромоникельмолибденовые стали (18Х2Н4МА).

8.

Улучшаемые легированные стали
Улучшению, закалке и высокому отпуску (500-600 С) на структуру
сорбита подвергают стали, содержащие 0,3-0,5 % С и не более 5 %
легирующих элементов.
Улучшаемые стали предназначены для изготовления ответственных
деталей машин (валов, штоков, шатунов), работающих в условиях
циклических у ударных нагрузок, концентрации напряжений, а в некоторых
случаях при пониженных температурах. Поэтому они должны иметь
высокий предел текучести в сочетании с высокой пластичностью,
вязкостью, малой чувствительностью к надрезу. Большое значение для
этих сталей имеет порог хладноломкости, предел выносливости и другие
параметры конструктивной прочности.
Высокий комплекс механических свойств возможен только при
сквозной прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей
характеристикой этих сталей. Кроме прокаливаемости важно обеспечить в
сталях мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости.
К сталям, прокаливающихся в сечениях до 25-35 мм относятся 30Х,
40Х, 40ХФА; в сечениях до 50-75 мм – 40ХГТР, 30ХГС, 40ХН; в сечениях
до 75-100 мм – 30ХН3А, 40ХН2МА; в сечениях более 100 мм –
36Х2Н2МФА, 38ХН3МФА.

9.

Рессорно-пружинные легированные стали
Рессорно-пружинные легированные стали предназначены для
изготовления упругих элементов общего назначения. Особенности работы
пружин, рессор и других деталей пружинного типа состоит в том, что при
значительных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В
связи с этим стали должны обладать высоким сопротивлением малым
пластическим деформациям, а также высоким пределом выносливости.
Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием
углерода (0,5-0,7 % С), которые подвергают закалке и среднему отпуску
(420-520 С) на троостит.
Небольшие пружины простой формы изготавливают из стали,
поставляемой в термически обработанном состоянии. Для крупных пружин,
требующих больших усилий при навивке, сталь используют в отожженном
состоянии. Термообработке подвергают готовые изделия, полученные
горячей навивкой.
Все легированные рессорно-пружинные стали относятся к перлитному
классу. Основными легирующими элементами в них являются Si и Mn, а в
сталях более ответственного назначения – Cr, V, Ni. Легирование (кроме Si
и Mn) мало влияет на предел упругости – главное свойство этих сталей.
Более существенно оно проявляется в повышении релаксационной
стойкости, прокаливаемости, предела выносливости. Релаксация опасна
тем, что в результате перехода части упругой деформации в пластическую
упругие элементы после разгрузки изменяют размеры и форм и теряют свои
эксплуатационные свойства. Легированные стали, имея повышенную
релаксационную стойкость, обеспечивают более длительную и надежную
работу машин и приборов.

10.

Для рессор из полосовой стали 3-16 мм, пружинной ленты толщиной
0,08-3 мм и для витых пружин из проволоки толщиной 3-16 мм
применяются стали 60С2 (60С2А) и 50ХГ (50ХГА). Для
тяжелонагруженных пружин и рессор ответственного назначения
используют стали 70С3А, 60С2ХА, 60С2Н2А, 65С2ВА. Для ответственных
пружин и рессор, работающих при повышенной температуре (до 300 С) и
многократных переменных нагрузках применяют стали 50ХФА и 50ХГФА.
Коррозионностойкие стали
Коррозией называют разрушение металлов под воздействием
окружающей среды. При этом металлы часто покрываются продуктами
коррозии. В результате воздействия внешней среды механические
свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии
видимого изменения внешнего вида поверхности.
Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на
металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее
производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием
электролитов (кислот, щелочей и солей). К электрохимической коррозии
относится также атмосферная и почвенная коррозия. Существует
несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден, то
наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой
скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что
является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и
охватывает только некоторые участки поверхности.

11.

Эту местную коррозию подразделяют на точечную, коррозию пятнами
и язвами. Очаги коррозии являются концентраторами напряжений.
Наиболее опасна так называемая межкристаллитная коррозия,
распространяющаяся по границам зерен вследствие более низкого их
электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков
быстро развивается по границам зерен, вглубь, резко снижая при этом
механические свойства. Кроме того, различают коррозию под напряжением,
которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и,
обычно, напряжений растяжения. Этот вид коррозии приводит к
коррозионному растрескиванию, т. е. образованию в металле тонкой сетки
трещин при воздействии коррозионной среды и напряжений
.
Составы нержавеющих сталей, устойчивых против электрохимической
коррозии, устанавливаются в зависимости от среды, для которой они
предназначены. Эти стали можно разделить на два основных класса :
1) хромистые стали, имеющие после нормализации ферритную,
мартенситно-ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную
структуру;
2) хромоникелевые стали, имеющие после нормализации аустенитную,
аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную структуру (феррита
более 10 %).

12.

Хромистые стали с содержанием хрома обладают
устойчивостью против коррозии в атмосферных усло 13 % виях,
слабых растворах кислот и солей, других агрессивных средах.
Стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13),
содержащие 13 % Cr и 0,2-0,4 % С обладают повышенной
твердостью и используются для изготовления деталей, работающих
на износ, упругих элементов и режущего инструмента. Эти стали
склонны к коррозионному растрескиванию.
Стали мартенситно-ферритного (12Х13) и ферритного (03Х13, 12Х17,
08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28) класса более стойки против коррозионного
растрескивания, но имеют склонность к межкристаллитной коррозии,
обладают меньшей твердостью и большей пластичностью,
удовлетворительно свариваются. Для предотвращения межкристаллитнолй
коррозии нержавеющие стали дополнительно легируют титаном. Эти стали
используются главным образом для деталей, работающих в окислительных
средах (азотной кислоте), в водных растворах аммиака, сероводороде и
других агрессивных средах, на заводах пищевой и легкой промышленности.
Хромоникелевые нержавеющие стали обладают более высокой
коррозионной стойкостью по сравнению с хромистыми сталями в
атмосферных условиях, в органических кислотах и в серной кислоте, но
более дороги из-за наличия дефицитного никеля.

13.

Стали аустенитного класса (12Х18Н9, 12Х18Н9Т) обладают высокой
пластичностью и вязкостью, хорошо свариваются, подвергаются холодной
обработке давлением, но имеют невысокую прочность. Аустенитные
хромоникелевые стали широко используются в конструкциях,
изготавливаемых из листового материала штамповкой и сваркой (обшивки,
оболочки, емкости, трубопроводы) в машино-, приборо-, и судостроении,
химической и пищевой промышленности, архитектуре и быту. Стали
аустенитного класса являются самыми коррозионностойкими из всех
нержавеющих сталей.
Для уменьшения стоимости аустенитных нержавеющих сталей никель
заменяют марганцем. Например, стали 10Х14Г14Н3, 10Х14Г14Н4Т
применяют в слабоагрессивных средах для оборудования пищевой
промышленности.
Стали аустенитно-ферритного класса (12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т)
используются как заменители аустенитных сталей, так как, обладая теми же
механическими свойствами и достаточно высокой коррозионной стойкостью
в окислительных средах, они более технологичны и содержат меньше
дефицитного никеля.
Стали аустенитно-мартенситного класса (09Х15Н8, 09Х15Н8Ю)
используют в тех случаях, когда наряду с высокой коррозионной стойкостью
требуется повышенная прочность.

14.

Штамповые стали используют при изготовлении специального
инструмента штампов и пресс-форм.
Штампами называют инструменты, изменяющие форму материала
без снятия стружки. Стали, используемые для изготовления штампового
инструмента, должны обладать высоким сопротивлением пластической
деформации и износостойкостью, а в некоторых случаях (при разогреве) и
повышенной теплостойкостью. При больших размерах штампов стали
должны иметь высокую прокаливаемость и незначительно изменять свой
объем при закалке.
Для изготовления штампов холодного деформирования наиболее
часто применяют высокохромистые стали (Х12Ф1, Х12М, 4ХВ2С, 5ХВ2С).
Их подвергают закалке с 1100-1170 С и однократному или многократному
отпуску. После термообработки эти стали имеют твердость 42-54 HRC.
Для штамповки легких металлов используют обычно стали с вязкой
сердцевиной (малопрокаливающиеся), такие как У10, 11ХВ, 7ХГНМ и др.
Для деформирования более прочных металлов применяют
низколегированные инструментальные стали, а для пуансонов, работающих
в условиях больших нагрузок – быстрорежущие стали.
Для вырубных и отрезных штампов нужны износостойкие стали с
повышенным содержанием карбидов (Х12ВМ, Х12Ф4М и др.).
Стали для слесарно-монтажного инструмента отличаются
износостойкостью, повышенной вязкостью и высоким сопротивлением
смятию рабочих кромок. Для гаечных ключей используют сталь 40ХВА, для
молотков – 50ХФА, отверток – 50 и 50ХФ, плоскогубцев –У7, У8 или 7ХФН.

15.

Стали для штампов горячего деформирования должны обладать
еще высокой разгаростойкостью, низким коэффициентом теплового
расширения, окалиностойкостью, теплопроводностью и прокаливаемостью.
Под разгаростойкостью понимают устойчивость к образованию
поверхностных трещин, вызываемых объемными изменениями в
поверхностном слое при резкой смене температур.
В соответствии с указанными требованиями для штампов горячей
обработки давлением применяют легированные стали, содержащие
0,3-0,6 % С, которые после закалки подвергают отпуску при 550-680 С на
структуру троостита.
Для небольших штампов (со стороной 200-300 мм) применяют стали
5ХНВ, 4ХСМФ; при средних размерах (300-400 мм) – стали 5ХНСВ, 5ХГМ;
для более крупных штампов – 5ХНМ, 27Х2НМФ и 30Х2НМФ.

16.

Строительные стали могут выплавляться в мартеновских печах
или бессемеровских (кислых) и томасовских (основных) конверторах.
Строительные стали по химическому составу разделяются
на углеродистые и низколегированные.
К углеродистым строительным сталям относятся:
1) мартеновская, содержащая не более 0,37 % С; 0,3-0,8 % Mn;
до 0,35 % Si; до 0.055 % S; до 0,05 % P;
2) конверторная, содержащая 0,3 % С; 0,25-0,8 % Mn; до 0,35 % Si;
до 0.06 % S; до 0,085 % P.
К низколегированным относятся стали, содержащие не более
0,25 % С и легирующих элементов в сумме не более 3 %. Основными
легирующими элементами являются Mn, Si, Cr, Ni, Cu, Ti, V.
Углеродистые строительные стали подразделяются на три
группы:
1) Группа 1 – сталь обыкновенного качества, поставляемая только по
механическим свойствам;
2) Группа 2 - сталь обыкновенного качества, поставляемая по
химическому составу; она может быть спокойной и кипящей;
3) Группа 3 – сталь повышенного качества, поставляемая по
химическому составу и механическим свойствам; она содержит
наименьшее количество S и P.

17.

Углеродистые строительные стали маркируются порядковым номером
в зависимости от содержания углерода и способа выплавки. Буква перед
маркой указывает способ производства ( Б – бессемеровская, М –
мартеновская). В строительной технике чаще всего применяют стали марок
М09, Б16кп, Б23, Б33.
Стали М26 и М31 являются основным материалом для несущих
металлических конструкций, мостовых ферм, для арматуры в железобетоне.
Хорошо сваривается без трещин и хрупкости в зоне сварки. Имеет высокий
предел текучести и прочности, легко поддается механической обработке.
Сталь марок М18 и М21 применяют для изготовления арматуры
железобетонных конструкций. Стали марок М09кп и М12 кп – для
изготовления заклепок. Всевозможные листовые конструкции –
газгольдеры, резервуары и трубопроводы изготавливают из М09кп, М12кп,
М18кп и М18. Данные марки сталей не склонны к хрупкому разрушению и
старению после наклепа. Сварные конструкции мостов изготавливают из
сталей М16С, а клепанные – из М27. Кровельные материалы (кровельное
железо) изготавливают из стали марки М09кп и поставляют в виде
оттожженных листов толщиной 0,38 – 0,82 мм. Стремление к снижению веса
строительных конструкций, уменьшению их сечений, применение сталей с
более высокими физико-механическими свойствами, повышенной
коррозионной стойкостью и пониженной чувствительностью к хладноломкости и старению вызвали необходимость замены углеродистых на
низколегированные сталей.

18.

Химический состав низколегированных сталей для строительства
включает от 0,12 до 0,35 % С, от 0,4 до 0,9 % Si, от 0,4 до 1,6 % Mn, от 0,3
до 0,9 % Cr.
К таким с талям относятся: 15ХСНД, 18Г2С, 25Г2С, 30ХГ2С, 12ХГ.
Сталь марки 15ХСНД предназначается для сварных и клепанных
конструкций сооружений.
Стали марок 18Г2С, 25Г2С, 30ХГ2С применяются для арматуры
железобетонных конструкций, для сварных газопроводных труб большого
диаметра.
Сталь марки 12ХГ применяется для изготовления шпунтовых свай.

19.

• 4.2 Жаропрочные стали
Жаропрочностью называется способность материала длительно
сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных
температурах.
При длительном нагружении при высоких температурах
поведение материала определяется диффузионными процессами.
Для этих условий характерны процессы ползучести и релаксации
напряжений.
Ползучесть представляет собой медленное нарастание
пластической деформации под действием напряжений, меньших
предела текучести. Ползучесть приводит к релаксации
(постепенному уменьшению) напряжений в предварительно
нагруженных деталях.
Критериями жаропрочности являются предел ползучести и
предел длительной прочности.
Пределом ползучести называется напряжение, под
действием которого материал деформируется на определенную
величину за определенное время при заданной температуре. В
обозначении предела ползучести указывают температуру, величину
деформации и время, за которое она возникает. Например,

20.

1550
100000 100
означает, что под действием напряжения 100 МПа за 100 000 ч при
температуре 550 С в материале появится пластическая деформация 1 %.
Пределом длительной прочности называют напряжение, которое
вызывает разрушение материала при заданной температуре за
определенное время. В обозначении предела длительной прочности
указывают температуру и время разрушения. Например,
600
10000
130
означает, что при температуре 600 С материал выдержит действие
напряжения 130 МПа в течение 10 000 часов. Предел длительной
прочности всегда меньше предела прочности, определяемого при
кратковременных испытаниях при той же температуре. Основной путь
повышения жаропрочности – создание в материалах крупнозернистой
структуры с однородным распределением мелких частиц упрочняющих
фаз внутри зерен и на их границах. Для получения оптимальной структуры
в жаропрочных сталях используют комплексное легирование, и по
химическому составу эти материалы сложнее обычных легированных
сталей и сплавов.

21.

Упрочняющими фазами в жаропрочных сталях служат карбиды.
Эффективность упрочнения определяется свойствами частиц и их
распределением. Чем они мельче и чем ближе находятся друг от друга, тем
выше жаропрочность.
Для упрочнения границ в жаропрочные стали и сплавы вводят малые
добавки (0,1-0,01 %) легирующих элементов, которые концентрируются по
границам зерен. Особенно часто в этих целях используют бор, церий и
другие редкоземельные металлы.
Дополнительными мерами повышения жаропрочности служат:
1) термомеханическая обработка для получения структуры полигонизации;
2) увеличение прочности межатомных связей в сталях, когда благодаря
легированию ОЦК решетка заменяется ГЦК решеткой;
3) создание анизотропной структуры направленной кристаллизацией.
Ниже 450 С вполне пригодны обычные конструкционные стали и нет
необходимости заменять их жаропрочными сталями. При температурах 450700 С используются перлитные, мартенситные и аустенитные
жаропрочные стали с жаропрочными свойствами –
550
550
10000
80 220 МПа и 1/100000
30 90 МПа.

22.

К перлитным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 12ХМФ
и 25Х2М1Ф с максимальной рабочей температурой 580 С, легированные
карбидообразующими химическими элементами, такими как хром,
молибден и ванадий. Эти стали используются главным образом в
котлостроении.
Мартенситные стали предназначены для изделий, работающих при
температурах до 600 С, и от перлитных сталей отличаются повышенной
стойкостью к окислению в атмосфере пара или топочных газов. К
мартенситным жаропрочным сталям относятся такие стали, как 15Х5М,
15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ и 40Х10С2М (сильхром), с повышенным
содержанием хрома. Сильхромы характеризуются повышенной
жаростойкостью в среде горячих выхлопных газов и используются для
изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания.
Аустенитные жаропрочные стали по жаропрочности превосходят
перлитные и мартенситные стали и используются при температурах от 600
до700 С. Основными легирующими элементами являются хром и никель,
для образования карбидов вводят Mo, Nb, Ti, Al, W и др. Примеры
аустенитных жаропрочных сталей: 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М,
10Х11Н20Т3Р.

23.

4.3 Инструментальные стали
Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные
стали, обладающие высокой твердостью (HRC 60-65), прочностью и
износостойкостью и применяемые для изготовления различного
инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали,
структура которых после закалки и низкого отпуска состоит из мартенсита и
избыточных карбидов.
Одной из важных характеристик инструментальных сталей является
теплостойкость, т. е. устойчивость против отпуска при нагреве инструмента
в процессе работы.
По теплостойкости применяемые материалы подразделяют на
следующие группы:
1) углеродистые и низколегированные стали с теплостойкостью
до 200 С;
2) высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью
до 600-640 С;
3) твердые сплавы с теплостойкостью до 800-1000 С
(ВК3, ВК4, Т30К4, ТТ8К6 и т. п.);
4) сверхтвердые материалы с теплостойкостью до 1200 С
(алмаз – до 800 С, кубический нитрид бора).

24.

Углеродистые стали (ГОСТ 1435-74) производят качественными
У7, У8, У9, …, У13 и высококачественными У7А, У8А, У9А, …, У13А. Буква
"У" в марке означает, что это углеродистая сталь, а цифра – среднее
содержание углерода в десятых долях процента. Их подвергают неполной
закалке и низкому отпуску.
Из-за низкой прокаливаемости (10-12 мм) углеродистые стали
применяют для мелких инструментов с поперечным сечением до 25
мм с незакаленной сердцевиной, у которых режущая часть
приходится на поверхностный слой (метчики, развертки,
напильники и т. п.).
Низколегированные инструментальные стали (ХВ4,
9ХС, ХВГ, ХВСГ) содержат до 5 % легирующих элементов, которые
вводят для увеличения закаливаемости, прокаливаемости,
уменьшения деформаций и опасности растрескивания
инструментов.
По структуре низколегированные стали относятся к
заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают
неполной закалке и низкому отпуску.

25.

Низколегированные стали применяют для инструментов, работающих
при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрев свыше 200-260
С. В отличие от углеродистых сталей они меньше склонны к перегреву и
позволяют изготовлять инструменты больших размеров и более сложной
формы.
К быстрорежущим сталям относят высоколегированные стали,
предназначенные для изготовления инструментов высокой
производительности. Высокая теплостойкость этих сталей обеспечивается
введением большого количества вольфрама совместно с другими
карбидообразующими элементами – молибденом, хромом и ванадием.
Быстрорежущие стали обозначают буквой Р, цифра после которой
указывает содержание основного легирующего элемента вольфрама в
процентах (ГОСТ 19265-73). Например, Р18, Р9 и Р6М5.
Быстрорежущие стали подвергают закалке с 1270-1290 С и
трехкратному отпуску при 550-570 С или обработке холодом и
однократному отпуску при 550-570 С.
Твердые сплавы изготавливают методами порошковой металлургии.
Порошки карбидов вольфрама, титана, тантала смешивают с порошком
кобальта, играющего роль связки, прессуют и спекают при 1400-1550 С.
При спекании кобальт растворяет часть карбидов и плавится. В результате
получается твердый материал, состоящий на 80-95 % из карбидных частиц,
соединенных связкой. Увеличение количества кобальта снижает твердость,
но повышает прочность и вязкость.
Твердые сплавы производят в виде пластин, которые напаивают на
держатели из углеродистой стали. Применяют для изготовления резцов,
сверл, фрез. Инструмент сочетает высокую твердость (HRC = 74-76) и
износостойкость с высокой теплостойкостью.

26.

В зависимости от состава карбидной основы, спеченные
твердые сплавы выпускают трех групп.
1) Вольфрамовую группу составляют сплавы системы WC-Co.
Они маркируются буквами ВК и цифрой, показывающей содержание
кобальта в процентах – ВК3, ВК10, ВК15 и т. п.
2) Титано вольфрамовую группу образуют сплавы системы TiCWC-Co. Они маркируются буквами Т, К и цифрами, показывающими
содержание карбидов титана и кобальта в процентах – Т15К6,
Т5К12 и т. п. Обладают более высокой теплостойкостью
(900-1000 С), которая повышается по мере увеличения карбидов
титана.
3) Титано-тантало-вольфрамовую группу образуют сплавы
системы TiC-TaC-WC-Co. Цифра в марке после букв ТТ обозначает
суммарное содержание карбидов титана и тантала, а после буквы К
– количество кобальта (ТТ17К2, ТТ10К8, ТТ20К9). От предыдущей
группы эти сплавы отличаются большей прочностью и лучшей
сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются
для наиболее тяжелых условий резания (черновая обработка
стальных слитков и поковок)

27.

• 4.4 Износостойкие стали
Необходимым условием обеспечения износостойкости при
большинстве видов изнашивания является высокая твердость
поверхности. При работе в условиях больших давлений и ударов
наибольшей работоспособностью обладают аустенитные стали с низкой
исходной твердостью, но способные из-за интенсивного деформационного
упрочнения (наклепа) формировать высокую твердость поверхности в
условиях эксплуатации.
Наибольшей износостойкостью при абразивном изнашивании
обладают материалы, структура которых состоит из частиц твердой
карбидной фазы и удерживающих их высокопрочной матрицы. Такие
материалы обычно используют в виде наплавочных. Они представляют
собой сплавы с высоким содержанием углерода (до 4 %) и
карбидообразующих элементов (Cr, W, Ti). В их структуре может быть
до 50 % специальных карбидов, увеличение количества которых
сопровождается ростом износостойкости.
Структуру матричной фазы регулируют введением марганца или
никеля. Она может быть мартенситной, аустенитно-мартенситной и
аустенитной.
Для деталей, работающих без ударных нагрузок, применяют сплавы с
мартенситной структурой. К ним относятся сплавы типа У25Х38,
У30Х23Г2С2Т (Детали, работающие при значительных ударных
нагрузкцифры, стоящие после буквы "У", показывают содержание углерода
в десятых долях процента). ах (зубья ковшей экскаваторов, пики отбойных
молотков и др.), изготовляют из сплавов с аустенитно-мартенситной
(У37Х7Г7С) или аустенитной (У11Г13, У30Г34) матрицей.

28.

Для обеспечения устойчивости к усталостному виду изнашивания,
которому обычно подвергаются детали подшипников качения,
используются высокоулеродистые хромистые подшипниковые стали, такие
как ШХ4, ШХ15, ШХ15ГС и ШХ20ГС. Они содержат примерно 1 % углерода
(ГОСТ 801-78), цифра означает массовую долю хрома в десятых долях
процента.
Трение с высокими давлениями и ударным нагружением
характерно для работы траков гусеничных машин, крестовин
железнодорожных рельсов, ковшей экскаваторов и других деталей. Их
изготавливают из высокомарганцовистой аустенитной стали 110Г13Л,
содержащей примерно 1,1 % С и 13 % Mn. Высокая износостойкость этой
стали обусловлена способностью аустенита к сильному деформационному
упрочнению. В условиях ударного воздействия твердость этой стали
возрастает с НВ = 2000 МПа до НВ = 6000 МПа. Сталь плохо
обрабатывается резанием, поэтому детали получают литьем.