Конструкционные стали и сплавы

Классификация сталей
Стали систематизируют по:
- химическому составу (углеродистые и легированные /хромистые, марганцовистые, хромоникелевые и т.д./);
- по качеству (обыкновенного качества /0,06% серы и фосфора/, качественные /0,03% S,P /, высококачественные 0,015% S,P – в конце марки стали ставится буква А (У13А)/, особовысококачественные /0,005% S,P в конце марки стали ставится буква Ш (30ХГС-Ш);
- способу раскисления (кипящие, полуспокойные, спокойные);
- назначению (конструкционные, инструментальные, стали с особыми свойствами);
- способу производства /конверторные, мартеновские, электростали/.

Конструкционная прочность – комплекс механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. Под условиями работы понимают статические, динамические и ударные нагрузки в контакте с различными средами. 1
Критерии конструкционной прочности выбирают в зависимости от условий работы.
1. При статической нагрузке критерием прочности является временное сопротивление σВ или предел текучести σТ, σ0,2; они характеризуют сопротивление материала пластической деформации.
2.При циклических нагрузках критерием является предел выносливости σR . Однако повышение прочности сопровождается повышением упругих деформаций: σR / Е = εупр. Модуль упругости Е является критерием жесткости материала:
Большой модуль упругости и коэффициент жесткости для станин, корпусов редукторов и т.п., если требуется сохранение размеров и формы;
Большой предел упругости и низкий модуль упругости для пружин, мембран и др. упругих элементов.
3. Для материалов, используемых в авиации, ракетостроении важное значении имеет масса деталей, критерием является удельная прочность σВ/(ρg) или Е/(ρg).
4. Важным критерием в работе материала является трещиностойкость (способность тормозить развитие трещины). Концентрации напряжений больше, если длиннее трещина и острее вершина. Пластичные материалы менее склонны к охрупчиванию, т.к. мелкозернистая структура с большим количеством границ зерен тормозит развитие трещины и движение дислокаций.
5. Для выбора материалов ответственного назначения учитывают такие критерии как ударная вязкость KCV (это подтверждается случаями внезапного хрупкого разрушения изделий, изготовленных из сталей высокой пластичности :подвесных мостов, рельсов, автомобильных осей, сосуды высокого давления, трубопроводы), температурный порог хладноломкости.

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Ее характеризует предел выносливости.
Циклическая долговечность и прочность зависят от структуры и напряженного состояния поверхностного слоя, качества поверхности и воздействия коррозионной среды, предел выносливости снижается с увеличением размеров деталей. 2
Износостойкость – свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию. Изнашивание – процесс постепенного разрушения поверхностного слоя материала путем отделения его частиц под влиянием сил трения. Результат изнашивания называется износом. Его определяют по изменению размеров образца (объемный или массовый износ). 3

Конструкционные стали обыкновенного качества
4 В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали обыкновенного качества поставляют трех групп - А, Б и В (по ГОСТ 380-71):
5 Группа А – стали поставляются по гарантируемым механическим свойствам после горячей деформации
Группа Б - стали поставляют с гарантируемым химическим составом. Подвергается термической обработке.
Группа В - стали поставляются по гарантируемым механическим свойствам и химическому составу. Свариваемые нагружаемые металлоконструкции.
Раскисление – удаление кислорода из стали. Кипящая – это сталь, раскисленная до 0,05%Si, 0,3-0,5% Mn. Полуспокойная – до 0,15%Si, 0,3-0,5% Mn. Спокойная – до 0,35%Si, до 0,8% Mn.
Например: Ст3кп, БСт4пс, ВСт5сп.

Марка %С
Ст0 до 0,23
Ст2 0,09-0,15
Ст3 0,14-0,22
Ст4 0,18-0,27
Ст5 0,28-0,37
Ст6 0,38-0,49
Ст0 – неответственные детали конструкций (подкладки, шайбы, кожухи и т.д.)
Ст2 – неотв. детали с повышенной пластичностью и глубиной вытяжки, малонагруженные элементы сварных конструкций, работающих при постоянных нагрузках
Ст4 – сварные, клепаные и болтовые соединения повышенной прочности
Ст5- слабонагруженные жд колеса, рельсы, шкивы и т.д.

Углеродистые стали качественные.
От сталей обыкновенного качества эти стали отличаются меньшим содержанием серы (не более 0,04%), фосфора (не более 0,035-0,04) и меньшим количеством неметаллических включений.
Маркируются 08...85. Число – содержание углерода в сотых долях процентов.
К качественным сталям относятся стали с повышенным содержанием марганца до 1%). Тогда в конце марки ставят букву Г (например, 15Г).
Низкоуглеродистые стали 05кп; 08кп; 10 и 10кп обладают малой прочностью и высокой пластичностью. Их применяют без термической обработки в горячекатаном состоянии для изготовления малонагруженных деталей небольшого размера (шайб, прокладок и др.), элементов сварных конструкций, деталей, изготавливаемых холодной деформацией.
Стали 15-25 – цементуемые стали (малонагруженные шестерни, втулки и т.д.).
Среднеуглеродистые стали 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. 6
Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75, 80, 85 используют в основном как рессорно-пружинные. В нормализованном состоянии эти стали также применяют для прокатных валков, шпинделей станков и других крупных деталей. Достоинствами углеродистых качественных сталей является дешевизна и технологичность.

7Легированные стали
Обозначение легирующих элементов в марке стали
В марке стали число вначале марки обозначает содержание углерода в сотых долях процента, число за буквой означает содержание легирующего элемента в целых процентах (исключение составляет шарикоподшипниковая, быстрорежущая сталь).
Если за буквой ничего не стоит, значит содержание легирующего элемента ~1%. Если за буквой стоит 1, значит, содержание легирующего элемента – 1-1,5%.
30Х2В5 – 0,3% С, 2% хрома, 5% вольфрама.
55Г1С3А – 0,55%С, до 1,5% марганца, 3% кремния, высококачественная (0,03% серы и фосфора)
Хром – Х
Никель – Н
Марганец – Г
Кремний – С
Вольфрам - В
Ванадий – Ф
Молибден - М
Титан - Т
Медь - Д
Алюминий - Ю
Кобальт – К
Ниобий - Б
Цирконий - Ц
Азот - А
Бор - Р

Углерод – повышает порог хладноломкости (при 0,4%-0оС), повышает твердость, снижает пластичность и вязкость.
Хром – повышает твердость и временное сопротивление за счет образования карбидов, более 13% повышает коррозионную стойкость, повышает прокаливаемость,
Никель - не снижает ударную вязкость, сильно снижает температуру перехода в хрупкое состояние (порог хладноломкости). 1% → -60 оС.
Марганец – повышает предел текучести, делая сталь чувствительной к перегреву, раскислитель.
Кремний – сильно повышает предел текучести, предел упругости после среднего отпуска, раскислитель.
Молибден, цирконий, ниобий, ванадий, вольфрам – измельчители зерна.
Молибден – снижает отпускную хрупкость при 500 оС, повышает твердость и прочность за счет труднорастворимых карбидов.
Вольфрам, ванадий - повышают твердость и прочность за счет труднорастворимых карбидов, повышают теплостойкость.
Титан - повышает теплостойкость, прочность за счет труднорастворимых карбидов и интерметаллидов.

8Улучшаемые стали - стали, подвергаемые термическому улучшению - закалке и высокому отпуску, обеспечивающим получение структуры: сорбит отпуска. Сильно повышается предел текучести.
Примеры: 30-45, 40Х, 40Г2, 40ХГТР, 30ХГС (хромансил) и др. Эти стали обладают высокой конструкционной прочностью и используют для изготовления зубчатых колес, валов, осей, втулок и пр. Сталь 38ХН3ВА имеет прокаливаемость более 100 мм. Для устранения отпускной хрупкости хромоникелевые стали легируют Mo, W. Недостатки: высокая стоимость и пониженная обрабатываемость резанием.

9Цементуемые стали - стали, подвергающиеся цементации, с содержанием 0,1-0,25 % С, что дает возможность получать вязкую сердцевину и высокую твердость поверхности детали HRC 60-64, а сердцевины HRC 30-35. Эти стали для деталей, работающих на поверхностный износ (шестерни, втулки, валики, оси, шпильки и др.). Термообработка: цементация, закалка в воде и низкий отпуск. Примеры цементируемых сталей: хромоникелевые, хромомарганцевые и др. – 10-25, 15Х, 15ХФ, 20ХН, 12XH3А; 20ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 20ХНТ, 20ХНР и др.

10Пружинно-рессорные стали: 65, 85, 65Г, 60С2, 70СЗА, 50ХФА, 60СГ, 60С2ХА, 65С2ВА и др. Кремнистые стали склонны к обезуглероживанию, трудно поддаются резанию.
После навивки в холодном или горячем состоянии пружины подвергают среднему отпуску для снятия внутренних напряжений, повышения предела упругости и стабилизации размеров. Легирующими элементами являются Si, Мn, Сr, V, W, которые повышают предел упругости пружин и рессор.
Сталь 50ХФА применяют для ответственных пружин, работающих при высоких температурах (до 300 0С), многократных переменных нагрузках. Она обладает высокой прокаливаемостью и не склонностью к росту зерна при высоких температурах.

Шарикоподшипниковые стали
При работе подшипника материал колец, шариков и роликов подвергается воздействию высоких удельных нагрузок переменного характера; раздавливающей нагрузке, износу от трения качения или скольжения, химическому износу, абразивному износу. Основные требования, предъявляемые к шарикоподшипниковой стали - это высокая прочность, износостойкость, высокое качество поверхности – отсутствие макро- и микровключений. Это конструкционные стали с содержанием ~ 1 %С и наличием хрома (как основного легирующего элемента в десятых долях) и др.: ШХ6 (0,6%С, кольца до 25 мм), ШX12 (кольца до 40 мм), ШХ15 (прокаливаемость до 25 мм), ШХ15СГ (прокаливаемость до 65 мм) и др. Термическая обработка включает операции диффузионного отжига, закалки, обработки холодом для устранения остаточного мартенсита и низкого отпуска. Структура: скрытокристаллический мартенсит с равномерно распределенным мелким избыточным карбидом.

Высокопрочные стали (30ХГСН2А, 40ХН2МА, 30ХГСА, 39ХН3МА, 03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ)- получают из среднеуглеродистых легированных сталей, применяя закалку с низким отпуском или изотермическую закалку получением структуры нижнего бейнита. Их используют в качестве конструкционных и путем подбора химического состава получают σв ≈ 1700-1900 МПа.
Мартенситостареющие стали : Н18К9М5Т, Н18К12М5Т2 и др. - группа высокопрочных сталей, отличающихся от других конструкционных сталей способом легирования и термической обработки. Эти стали используют для работы от -196°С до 450°С.
Механические свойства σВ = 2200-2400 МПа, σТ = 1500-1800 МПа, ε = 12-15%, ψ = 40-55 %, ударная вязкость 0,6-1,0 МДж/м2.