Углеродистые конструкционные стали

Вывод: В сталях аустенитного и ферритного класса при нагреве (охлаждении) нет перехода через критические точки ? их нельзя упрочнить с помощью Т.О.

М
Коробление
Закалочные напряжения
Трещины
НЕТ! А твёрдость есть!

Примечание:
Классификация по равновесной структуре (стали доэвтектоидные, эвтектоидная, заэвтектоидные) называется классификацией по Обергофферу;
Классификация по равновесной структуре (стали перлитные, аустенитные, ферритные, мартенситные) называется классификацией по Гийе;
§ 2. Углеродистые конструкционные стали
§ 2.1. Влияние углерода на свойства сталей
Пример:

ухудшается надёжность «-»
хуже технологичность «-»
? цена дешевле (!) «+»
(~70 % от всех конструкционных сталей – это стали углеродистые)

§ 2.2. Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества
в среднем 0,06 % С * N
Маркировка: Б или В Ст одна цифра
все с низкой прочностью (300-600 МПа)
может быть; Б – для поковок; В – для сварки
номер по ГОСТу
, гвозди и др.

§ 2.3. Углеродистые конструкционные качественные стали
маркировка
две цифры
(содержание углерода в сотых долях процента
(40 ? 0,37-0,45 % С ) ).

Итог по § 2: углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные являются дешёвыми, имеют широкий диапазон свойств, однако закаливаются в воде или соляном растворе (следовательно, имеют коробление), имеют небольшую прокаливаемость (до 12 мм); поэтому применяются для некрупных, несложных и неответственных деталей машин.
§ 3. Легированные конструкционные стали
§ 3.1. Влияние легирующих элементов на свойства сталей
Fe Cr Mo Nb V Zr Ti
TiC
(HB (2900))
химическое сродство к углероду

все Л.Э. при растворении в Fe способствуют повышению его твёрдости
все Л.Э., кроме Ni и Cr (до 1,5 %) снижают ударную вязкость, а значит ухудшают надёжность
примечание: Л.Э. не добавляют, чтобы увеличить твёрдость стали, проще добавить
десятые доли углерода

все Л.Э., кроме Ni повышают порог хладноломкости
все Л.Э., кроме Co, смещают линии «С-образной» диаграммы вправо, поэтому все легированные стали закаливаются в масле (уменьшение коробления и возникновения трещин), а некоторые и на воздухе.
сильнее всего смещают Ni, Cr, а ещё сильнее комбинация Ni+Cr (!)

? некоторые Л.Э. затрудняют рост зёрен
добавление 0,01-0,03 % карбидообразующих элементов (Mo, W, V, Nb, Zr, Ti) делают сталь природно мелкозернистой
? некоторые Л.Э. затрудняют распад мартенсита при отпуске
? некоторые Л.Э. устраняют обратимую отпускную хрупкость
особенно сильно Si, Mo, W
можно, сохраняя твёрдость, полнее снять закалочные напряжения
добавка ~ 0,3 % W или Mo

Итоги: - легированные стали дороже, но при правильном выборе легирующих элементов такие стали всегда прочнее, надёжнее (!) и технологичнее.
- обычное количество Л.Э.:

- маркировка легированных сталей
две цифры буквы+цифры _____________
среднее содержание углерода в сотых долях
37, 20, 18, ...
показатель качества:
качественная - ____
высококачественная - _А_
особовысококачественная - ВДП, ЭШП, ЭЛП
самое главное –
Пример, сталь 40ХН2МА:
- 0,4 % С;
- Cr до 1 %;
- Ni до 2 %;
- Mo до 1 %;
- высококачественная
уметь прочитать сталь !

§ 3.2. Низколегированные стали нормальной и повышенной прочности
15Х – до 20 мм
18ХГТ – до 60 мм
25ХГМ- до 60 мм
20ХН3А – до 100 мм
38Х2Н4МА – >100 мм + М класс
40Х – до 20-25 мм
30ХГСА – до 40 мм
40ХН2МА – до 100 мм
38ХН3МА – >100 мм + М класс
38Х2МЮА – до 70 мм

Итоги: 1) по марке низколегированной стали можно выявить следующую дополнительную информацию:
? по содержанию углерода: - уровень прочности;
- типичную Т.О.;
- типичное применение;
по подбору Л.Э.: - уровень прокаливаемости;
- температуру эксплуатации (с Ni – пониженные, c Mo,W, V – немного повышенные);
- цену (с Ni – дорого);
по показателю качества: - уровень надёжности;
- цену;

Сталь 35ХМА:
повышенной прочности; типичное Т.О. – улучшение; типичное применение – валы, оси и др.; прокаливаемость – до 40-50 мм; можно использовать при незначительно повышенных температурах; высококачественная; относительно дорогая (нет Ni).
Что видно в марке стали?
ВСЁ !
? инженерный взгляд на марку стали
2) низколегированные стали нормальной и повышенной прочности закаливаются в масле, а некоторые на воздухе, имеют глубокую прокаливаемость; поэтому применяются для средних и умеренных (больше средних) нагрузок для сложных, ответственных изделий разного сечения (в том числе и массивных)
Авто сделаем, трактор сделаем, а шасси на аэробус или ИЛ96, а броню, а корпус подводной лодки, а сосуды для сжиженных газов сделаем? – Нет!

§ 3.3. Высокопрочные конструкционные легированные стали
?главное
?удержать
?надёжность Пути два.
Путь № 1 – комплексное легирование
? удержать распад мартенсита при отпуске;
? удержать мелкое зерно;
? очистить границы
высококачественная
___А___
Например, 40ХН2СВА
40ХН5МФА

Путь № 2 – мартенсито-стареющие стали
Идея: ? углерод исключить (8 «-»);
? Ni max (10-20 %);
? для создания высокой прочности использовать Mo, Ti и Al, которые имеют разную растворимость в γ-Fe и α-Fe («как бы искусственно созданная переменная растворимость»)
Т.О.: закалка + старение
обработка давлением, резание

Сталь 03Н18К9М5Т
- углерода очень мало (может и не быть 00 – супер очистка от углерода);
- очень много Ni;
- много элементов упрочнителей;
- всегда ВДП (никто не пишет)
Итоги: мартенсито-стареющие стали:
а) при очень высокой прочности исключительно надёжны; не чувствительны к концентраторам; не имеют хладноломкости;
б) исключительно технологичны: хорошо обрабатываются механически; закаливаются на воздухе; имеют неограниченную прокаливаемость (> 500 мм); не имеют коробления и не изменяют размеры;
в) исключительно дорогие (как Ti сплавы);
г) применяются для силовых высокоточных тяжелонагруженных изделий сложной формы и ответственного назначения (спецболты для космонавтики, корпуса подводных лодок, гребные винты подводных лодок, сосуды для сжиженных газов).

§ 3.4. Стали для циклического нагружения и методы их обработки
Анализ явления усталости (более детальный)
1. Особенности работы детали при циклическом нагружении
N миллионов циклов
- при циклическом нагружении детали дислокации «скользят» в сторону поверхности в разных системах скольжения; в результате на поверхности формируются микронеровности, самые глубокие из которых становятся зародышами трещин.
- чтобы трещины не возникали, необходимо «заблокировать» все дислокации, т.е. материал
? появление трещины
должен быть прочным.

распространение трещин
- чтобы трещина не распространялась,
Парадокс № 2:
Материал вынослив к циклическому нагружению тогда, когда он
Найдутся ли такие материалы ?
- Конечно, найдутся.
.материал должен быть пластичным; тогда в вершине трещины пройдёт ПД, трещина затупится и дальше не пойдёт
одновременно и прочен и пластичен !

2. Требования к структуре и свойствам сталей для циклического нагружения

3. Используемые стали и методы их обработки
типичные детали: валы, оси и др. (циклические+ударные нагрузки);
типичные стали: улучшаемые
углеродистые
30,35,40,45
(«-»: закалка в воде – коробление; маленькая прокаливаемость)
легированные
40Х (до 25 мм)
40ХН (до 40 мм)
40ХН2МА (до 100 мм+без отпускной обратимой хрупкости (есть Mo))
- убрать лишние концентраторы;
- при механической обработке сделать min шероховатость;
- дополнительно упрочнить поверхность;
- на поверхности создать остаточные напряжения сжатия.
как сделать сразу?

Итог: такая дополнительная обработка увеличивает цену, однако долговечность возрастает в 1,5-2 (иногда в 3) раза, такая обработка «как бы нейтрализует вред от концентраторов».

§ 4. Конструкционные материалы с высокими упругими свойствами (пружинные материалы)
§ 4.1. Требования к структуре и свойствам пружинных материалов
? Пружина должна восстановить форму и размеры после нагружения и разгрузки
Пружина может восстановить форму и размеры только в пределах заранее оговорённого допуска на остаточную деформацию.
грубая регистрация точная регистрация
(десятые доли процента) (тысячные доли процента)

при большой разнице в нагрузках должна быть небольшая разница в деформациях
силовые пружины
высокий Е
при небольшой разнице в нагрузках должна быть ощутимая разница в деформациях
измерительные пружины (для УЧЭ – упруго-чувствительных элементов)
низкий Е
? Пружина должна обеспечивать определённую деформацию при определённых нагрузках

? при работе пружин необходимо предельно уменьшить все неупругие дефекты
Итоги:

Для упругой деформации пружины необходимо при нагружении исключить любые перемещения дефектов (!), поэтому главное требование к структуре любого пружинного материала – максимальное закрепление дефектов.
Как закрепить ? -
Смотря какой материал.
§ 4.2. Пружинные материалы общего назначения
т.е., материалы для силовых пружин.
Е – высокий ? материалы – стали (Е = 210 000 МПа)
типичные стали:
углеродистые (прокаливаемость до 10-12 мм)
60, 65, 70, 60Г, 65Г, 70Г,...
легированные
60С2 (до 18 мм),
60С2ХА, 50ХФА, 55СГФ (до 50-80 мм)
- повышенное количество углерода;
- очень небольшое легирование;
- нет Ni

§ 4.3. Пружинные материалы специального назначения
т.е. материалы для пружин УЧЭ
низкий Е
коррозионная стойкость
электропроводность
немагнитность
1-ый вариант латуни Cu+Zn бронзы Cu+Sn, Cu+Si

2-ой вариант бериллиевые бронзы Cu+Be

III глава «Износостойкие материалы»
~ 80 % всех выходов из строя деталей – в узлах трения из-за износа.
§ 1. Работа металла в зоне трения и пути повышения износостойкости
«зона трения» - трущиеся поверхности деталей контактируют по микронеровностям; в зоне терния:

А. механическое изнашивание
R – радиус микронеровности;
h – зацепление микронеровностей;
R – большое; h – мало;
в зоне контакта упругая деформация ? износа нет
R – меньше; h – больше;
в зоне контакта – ПД, т.е. наклёп ? выкрашивание
R – маленькое; h – большое;
в зоне контакта – микрорезание (абразивными частицами) ? катастрофический износ