Общие принципы разработки конструкционных сталей

1) Решающая роль в составе конструкционных сталей отводится углероду. Он увеличивает прочность стали, но снижает пластичность и вязкость, повышает порог хладоломкости. Поэтому его содержание регламентировано и редко превышает 0,6 %.

2) Влияние на конструкционную прочность оказывают легирующие элементы. Повышение конструкционной прочности при легировании связано с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, измельчением зерна.

3) Применение упрочняющей термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Разделяют конструкционные стали по прочности – нормальной (средней) прочности - s_В до 1000 МПа; повышенной прочности - s_В до 1500 МПа; высокопрочные - s_В выше 1500 МПа. В основном различают конструкционные стали строительные, машиностроительные, в том числе специального назначения, а также коррозионностойкие и жаропрочные и жаростойкие.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ – к строительным относят стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также для арматуры железобетона. Занимают 2 место по объему производства в мире.

Строительные стали делят на 7 категорий прочности: С380/230 (в числителе – временное сопротивление разрыву при растяжении, в знаменателе - предел текучести) – стали нормальной прочности; С460/330 и С520/400 – строительные стали повышенной прочности; С600/450, С700/600 и С850/750 – стали высокой прочности. Аналогично арматурные стали делят на классы от А-I до А-VII

Дополнительные требования:

1) Важной характеристикой для строительных сталей является температура перехода из вязкого в хрупкое состояние – порог хладноломкости.

В зависимости от этой величины стали делятся: стали без гарантированной хладостойкости, хладостойкие до – 40 ^оС и стали «северного исполнения» (эксплуатируемые ниже – 40^оС)

2) Свариваемость – одно из главных требований к строительным сталям. Её критерием является углеродный эквивалент – обычно 0,45-0,48 %С.

С_экв=С+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14. Из-за этого содержанием углерода в низколегированных строительных сталях не выше 0,18 %С, причем чем больше ЛЭ, тем меньше углерода.

3) Стоимость – чем ниже, тем лучше, поэтому отсутствуют дорогие и дефицитные ЛЭ.

1) Углеродистые стали обыкновенного качества наиболее дешевые, обычно их используют в состоянии после горячей прокатки без дополнительной термической обработки, реже после термического упрочнения.

а) Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) бывают спокойными (сп), полуспокойными (пс) и кипящими (кп). Различие также проявляется в содержании кремния – сп – 0,12-0,30%; пс – 0,05-0,17%; кп – менее 0,07%. Кипящую сталь наиболее дешевая, но склонна к деформационному старению. Поэтому применяется только для неответственных изделий. Делят на группы:

А – с регламентированными механическими свойствами; хим. состав не нормируется. Чаще всего применяют для изготовления деталей, не требующих ковки, штамповки и т.д. То есть у конечного продукта свойства, как у стали после горячей прокатки.

Б – с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке.

В – регламентируется и состав и механические свойства.

Примеры сталей: ВСт3сп5 – сталь Ст3 спокойная, группы В, категории 5; Ст2кп – сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1; БСт5Гпс2 – сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2. Наиболее применима сталь Ст3 – от Ст4 до Ст6 хуже свариваются, от Ст0 до Ст2 – менее прочные. См. таблицу 1.

Таблица 1. Горячекатаные стали

Таблица 2 Эффект термоупрочнения

Марка стали Группа А (основные свойства) Группа Б (состав сокращенно) sВ, МПа sТ, МПа d, % С, % Mn, % Не менее Ст0   -   менее 0,23 - Ст1 320-420 -   0,06-0,12 0,25-0,50 Ст2 340-440     0,08-0,15 0,25-0,50 Ст3 380-490     0,14-0,22 0,40-0,65 Ст4 420-540     0,18-0,27 0,40-0,70 Ст5 500-640     0,28-0,37 0,50-0,80 Ст6       0,38-0,49 0,50-0,80

Марка стали Вид проката Режим термоупрочнения sВ sТ d y МПа % Ст3сп Швеллер № 19 С прокатного нагрева с самоотпуском 440/640 340/470 28,5/15,2 56,5/53,5 Ст3пс Уголок 200´200´16,5 410/580 240/380 33,5/15,5 57/56,5 Ст3кп Лист 16 мм 420/550 260/360 32,5/21,5 - Ст5сп Арматура № 14 Электронагрев с самоотпуском при 400 ^оС 610/1120 390/1050 24,7/9,8 - Ст5сп То же, при 500 ^оС 610/920 390/630 24,7/14,7 - Ст5сп То же при 600 ^оС 610/790 390/630 24,7/20 - Ст5сп То же при 700 ^оС 610/670 390/470 24,7/21,7 -

б) Термоупрочненные углеродистые стали (ГОСТ 14637-79, арматурная сталь по ГОСТ 10884-81) – сущность метода термического упрочнения совпадает с ВТМО – горячая прокатка в аустенитном состоянии, затем ускоренное охлаждение, при котором образуются более низкотемпературные продукты распада аустенита, чем при медленном охлаждении. После горячей прокатки и медленного охлаждения структура листа по сечению, что на поверхности, что в центре образует ферритно-перлитную структуру. При термоупрочнении в центре частично подавляется выделение избыточного феррита, а перлит получает более дисперсное строение – псевдоэвтектоид (иногда даже бейнит). В поверхностных слоях возможно образование мартенсита, однако из-за высокой М_н в сталях с низким содержанием углерода происходит самоотпуск мартенсита (распад мартенсита). Таким образом, закалки на мартенсит при термоупрочнении не происходит. Кроме того, обычно скорости охлаждения при термоупрочнении ниже, чем критическая скорость, необходимая для закалки на мартенсит. Обычно при термоупрочнении прочность стали возрастает в 1,3-1,5 раза при сохранении высоких значений пластических свойств. См. таблицу 2. При оптимизации режима обработки обеспечивает, кроме роста прочности, снижение порога хладноломкости и снижение склонности к деформационному старению.

2) Низколегированные стали. Сущность легировании – упрочнение по различным механизмам – упрочнение a-твердого раствора (твердорастворное упрочнение) – желательно Mn, Si, Ni, P; упрочнение за счет образования перлита – C, Mn, Ni, Cr, Mo; дисперсионное упрочнение – V, Nb, Ti, (Al, N); зернограничное упрочнение – V, Nb, Ti (Al, N);

деформационное упрочнение (при последующей обработке). Для феррито-перлитных сталей доминируют подчеркнутые механизмы.

а) Строительные стали повышенной прочности (s_Т£400 МПа) поставляются в горячекатаном состоянии с феррито-перлитной структурой (ГОСТ 19281-73 и ГОСТ 19282-73). У данного класса сталей предел текучести в 1,25-1,6 раз выше чем у стали ВСт3сп. Ударная вязкость для данных сталей гарантируется при Т = – 40 ^оС, у некоторых при –70 ^оС.

09Г2С, 17ГС, 15ХСНД, 10ХНДП – доминирует твердорастворное упрочнение; 14Г2, 17ГС – «перлитное» упрочнение; 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б – дисперсионное упрочнение. Примеры сталей и их свойств см. таблицу 3. Свойства «горячего» проката очень сильно зависят от толщины листа (см. таблицу 4).

Иногда стали этой группы поставляют в нормализованном состоянии или после термоулучшения (закалка+высокий отпуск). Нормализация приводит к большей стабильности механических свойств, улучшению характеристик пластичности, ударной вязкости и хладостойкости по сравнению с горячекатаным состоянием.

Таблица 3. Состав и мех.свойства (не менее) низколегированных строительных сталей повышенной прочности в горячекатаном состоянии (толщина листа до 20 мм, * - до 10 мм)	Таблица 4. Предел текучести стали 09Г2С в зависимости от толщины листа
Марка стали Содержание основных элементов, % sВ sТ d, % KCU, МДж/м^2, при Т, ^оС С Si Mn другие МПа +20 - 40 - 70 09Г2 £0,12 0,17-0,37 1,4-1,8 -       - 0,30 - 09Г2С 0,5-0,8 1,3-1,7 -     0,6 0,35 0,3 10Г2С1 0,8-1,1 1,3-1,65 -     0,6 0,30 0,25 14Г2 0,12-0,18 0,17-0,37 1,2-1,6 -     - 0,30 - 17ГС 0,14-0,20 0,4-0,6 1,0-1,5 -       - 0,35 - 15ГФ 0,12-0,18 0,17-0,37 0,9-1,2 0,05-0,12V       - 0,30 - 15Г2СФ 0,4-0,7 1,3-1,7 0,05-0,10V       - 0,35 - 10Г2Б * 0,17-0,37 1,2-1,6 0,02-0,05Nb       - 0,30 - 15ХСНД 0,4-0,7 0,4-0,7 0,6-0,9 Cr 0,3-0,6 Ni 0,2-0,4 Cu     - 0,30 0,3 10ХНДП * £0,12 0,17-0,37 0,3-0,6 0,5-0,8 Cr 0,3-0,6 Ni 0,07-0,12 P 0,08-0,15 Al       - 0,40 -	Толщина проката, мм sТ, МПа (не менее)     5-9   10-20   21-32   33-60   61-80   Более 80
Таблица 5. Мех.свойства (не менее) низколегированных сталей повышенной прочности после термоулучшения
Марка стали Толщина проката, мм sВ, МПа sТ, МПа d, % KCU, МДж/м^2, при Т, ^оС - 40 - 70 14Г2 10-32       0,4 0,3 10Г2С1 10-40       0,5 09Г2С 10-32 33-60       0,5 0,5 15Г2СФ 10-32       0,4

Термоулучшение низколегированных сталей отличается от термоупрочнения низкоуглеродистых сталей. Закалка проводится со специального, а не прокатного нагрева, закалка проводится с протеканием распада с образованием мартенсита (или бейнита) и затем проводится высокий отпуск. В результате формируется дисперсная сорбитная структура. Свойства сталей после термоулучшение см. таблицу 5.

Из сравнения таблиц 3 и 5 видно, что термоулучшение (закалка+высокий отпуск) повышает прочность низколегированных сталей до 20-25% и увеличивает уровень и температуру стабильности ударной вязкости. Причем, сталь 15Г2СФ после термоулучшения может быть отнесена к сталям высокой прочности.

б) высокопрочные стали -(s_Т=450-750 МПа в сочетании с малой склонностью к хрупкому разрушению). Проблема – при повышении прочности снижается хладноломкость. Методы борьбы – карбонитридное упрочнение; термообработка; контролируемая прокатка; создание малоперлитных и бейнитных сталей.

Экономия металла при замене низколегированной стали составляет 15-30%, углеродистой 30-50%. Применяют для изготовления сварных конструкций, ответственных сооружений (мосты, доменные печи, магистральные газопроводы, телемачты).

Малоперлитная сталь 09Г2ФБ – до 0,1%С, 0,04-0,08%V, 0,02-0,05 %Nb и до 0,015 %N. Структура состоит из феррита, 5-10% перлита и дисперсных выделений карбонитридов ванадия и ниобия в феррите. Затем сталь подвергают контролируемой прокатке с температурой окончания прокатки 800-850 ^оС и степенью обжатия 15-20%. Свойства s_В³560 МПа, s_Т³460 МПа; KCU (при -15 ^оС)=0,9 МДж/м²; KCU (при -60 ^оС)=0,6 МДж/м². Применяют для магистральных труб газопроводов северного исполнения. Контролируемая прокатка эффективна для всех сталей с карбонитридным упрочнением (см. табл. 6).

 

Таблица 6 Состав, свойства и термообработка высокопрочных сталей с карбонитридным упрочнением

Марка стали	Содержание основных элементов, %	Термообработка	sВ	sТ	d, %	KCU, МДж/м^2, при Т, ^оС
С	Si	Mn	N	V	другие	МПа	- 40	- 70
14Г2АФ	0,12-0,18	0,3-0,6	1,2-1,6	0,015-0,025	0,07-0,12	-	нормализация				0,4	0,3
14Г2АФД	0,15-0,25 Cu
16Г2АФ(наиболее применяемая)	0,14-0,20	0,3-0,6	1,3-1,7	0,015-0,025	0,08-0,14	-				0,4	0,3
16Г2АФД	0,15-0,25 Cu
18Г2АФпс	0,18-0,22	0,4-0,7	1,3-1,7	0,015-0,030	0,08-0,15	-	Нормализация или термоупрочнение				0,4	0,3
18Г2АФДпс	0,15-0,25 Cu
12Г2СМФ	0,09-0,15	0,4-0,7	1,3-1,7	0,015-0,030	0,07-0,15	0,15-0,25 Мо	термоупрочнение				0,35	-
12ГН2МФАЮ	0,09-0,16	0,4-0,6	0,9-1,3	0,020-0,030	0,05-0,10	1,4-1,7 Ni, 0,15-0,25 Mo, 0,05-0,10 Al	термоупрочнение				-	0,3

 

Низкоуглеродистые бейнитные стали. Типичный пример 08Г2МФБ (менее 0,08 %С, ~1,6 %Mn, ~0,2 %Mo, ~0,06 %V, ~0,05 %Nb). Легирование приводит к тому, что в данных сталях высокая устойчивость преохлажденного аустенита, который после контролируемой прокатки распадается с образованием промежуточных бейнитных структур – из-за низкого углерода это фактически игольчатый феррит. Свойства s_В³600 МПа, s_Т³470 МПа; KCU (при -15 ^оС)=0,9 МДж/м²; KCU (при -60 ^оС)=0,65 МДж/м². Применяют для магистральных труб газопроводов северного исполнения.

в) арматурные стали горячекатаные изготавливают по ГОСТ 5781-82, а термомеханически и термически упрочненные - по ГОСТ 10884-81.

Стали классов AI, AII, AIII используют для ненапряженных конструкций, а более высокопрочные стали классов AIV и выше применяют для армирования предварительно напряженного железобетона. Причем: горячекатаные стали удовлетворяют требования классов от AI до AV. По мере увеличения класса прочности возрастает степень легирования сталей. Чаще всего арматуру подвергают термоупрочнению с прокатного нагрева сталей, т.е. аналогично строительным сталям. Достигается эффект ВТМО, образуется мелкозернистая структура с дисперсной феррито-карбидной смесью. Это обеспечивает получение сталей классов AVI и AVII. Примеры сталей смотри таблицу 7.

Таблица 7 – Свойства арматурных сталей (в скобках в упрочненном состоянии, без скобок – в горячекатаном)

Класс стали	sВ, МПа	sТ, МПа	d5, %	Рекомендованные стали
горячекатанные	Термомеханически или термически упрочненные
A-I				ВСт3сп; ВСт3пс; ВСт3кп; Ст3сп; Ст3пс; Ст3кп	-
A-II				ВСт3сп; ВСт3пс; 18Г2С; 10ГТ	-
A-III	600 (600)	400 (450)	14 (14)	35ГС; 25Г2С	БСт5сп; БСт5пс
A-IV	900 (800)	600 (600)	6 (9)	80С; 20Х2ГЦ	25Г2С; 10Г2С; 20ХГС2; 08Г2С
A-V	1050 (1000)	800 (800)	7 (7)	23Х2Г2Т	20ГС; 10Г2С; 20ГС2; 08Г2С; 20ХГС2
A-VI	(1200)	(1000)	(6)	-	20ГС; 20ГС2; 20ХГС2
A-VII	(1400)	(1200)	(5)	-	20ГС2; 20ХГС2; 23Х2Г2Т

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ – конструкционные стали, предназначенные для изготовления различных деталей машин, механизмов и отдельных видов изделий

Способы классификации – по составу (углеродистые, легированные); по обработке (улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситно-стареющие и др.), по назначению (пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.д)

Рассмотрим углеродистые качественные стали ГОСТ 1050-74 и углеродистые стали обыкновенного качества ГОСТ 380-71.

Низкоуглеродистые стали 05 кп, 08, 10, 10 пс обладают малой прочностью высокой пластичностью. Применяются без термической обработки для изготовления малонагруженных деталей, в основном методом холодной штамповки – шайб, прокладок и т.п. Стали 10,15, 20 и 25 используют как цементуемые.

Среднеуглеродистые стали 35, 40, 45, а также легированные марганцем 30Г, 40Г и 50Г (0,7-1,0% марганца для повышения прокаливаемости - критический диаметр до 25-30 мм) применяются после нормализации, термического улучшения, поверхностной закалки. В нормализованном состоянии по сравнению с низкоотпущенным обладают большей прочностью, но меньшей пластичностью. После термического улучшения наблюдается наилучшее сочетание механических свойств. После поверхностной закалки обладают высокой поверхностной твердостью и сопротивлением износу. Высокоуглеродистые стали 60, 65, 70, 75 используются как рессорно-пружинные после среднего отпуска. В нормализованном состоянии – для прокатных валков, шпинделей станков.

Достоинства углеродистых качественных сталей – дешевизна и технологичность. Но из-за малой прокаливаемости эти стали не обеспечивают требуемый комплекс механических свойств в деталях сечением более 20 мм. Примеры сталей и их свойств см. таблица 8.

Таблица 8 Свойства и состав углеродистых сталей после нормализации

Марка стали	% С	sВ, МПа	sТ, МПа	d, %	y, %	KCU^+20, МДж/м^2
	0,05-0,10					-
	0,07-0,14					-
	0,12-0,19					-
	0,17-0,24					-
	0,27-0,35					0,8
	0,37-0,45					0,6
	0,47-0,55					0,4
	0,57-0,65					-
	0,67-0,75					-

Цементуемые стали. (См. таблицу 9) Используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35 %). С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации.

Цементуемые углеродистые стали (ГОСТ 1050-74)15, 20, 25 используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках (втулки, валики, оси, шпильки и др.). Твердость на поверхности составляет 60…64 HRC, сердцевина остается мягкой.

Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71) применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки).

 

Таблица 9. Состав и свойства (не менее) цементуемых конструкционных сталей (свойства указаны с т/о без проведения цементации)

Марка	С	Mn	Cr	Ni	Прочие	1 закалка или нормализация, ^оС	2-я закалка	Отпуск	sВ,	sТ,	d,	y,	KCU, МДж/м^2
МПа	%
15Х	0,12-0,18	0,3-0,9	0,7-1,0	£0,3	-	880 в(м)	770-820 в(м)	180 вз (м)					0,7
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	0,03-0,09 Ti	880-950 вз	870 м	200 вз (м)					0,8
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05	0,001-0,005 B	880 м	-					0,8
30ХГТ	0,24-0,32	0,8-1,1	1,0-1,3	0,03-0,08 Ti	880-950 вз	850 м	200 в(м)					0,6
15ХФ	0,12-0,18	0,3-0,8	0,8-1,1	0,06-0,12 V	880 в(м)	760-810 в(м)	180 вз(м)					0.8
20ХН	0,17-0,23	0,45-0,75	1,0-1,4	-	860 в(м)	180 в(м)					0,8
12ХН3А	0,09-0,16	0,6-0,9	2,75-3,15	-	180 вз(м)					0,9
20ХГНР	0,16-0,23	0,7-1,0	0,7-1,0	0,8-1,1	0,001-0,005 B	930-950 м	780-830 м	200 вз(м)					0,9
18Х2Н4МА	0,14-0,20	0,3-0,8	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo	950 вз	860 вз	200 вз					0,8

 

Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.

Дополнительное легирование хромистых сталей ванадием (сталь 15ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость.

Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки, оказывает положительное влияние на свойства сердцевины. Хромоникелевые стали 20ХН, 12ХН3А применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Одновременное легирование хромом и никелем, который растворяется в феррите, увеличивает прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементованного слоя. Стали мало чувствительны к перегреву. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевых сталей и позволяет проводить закалку крупных деталей с охлаждением в масле и на воздухе.

Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение.

Хромомарганцевые стали применяют вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ).

С целью повышения прочности применяют легирование бором (0,001…0,005 %) 20ХГР, но бор способствует росту зерна при нагреве.

Азотируемые стали. Высокая твердость и износостойкость при азотировании обеспечивается нитридами или карбонитридами легирующих элементов. Наиболее широко применяется сталь 38Х2МЮА, кроме неё изготовлены стали 30Х3ВА, 30ХН2ВФА, 40ХНВА, 20Х3МВФА и др. Изготавливают шпиндели, опоры качения, гильзы, ходовые винты. Стали 28Х2Н4ВА, 38ХН3МА, 30Х3ВА, 20ХГН2МФ применяют для изготовления деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок. Примеры в таблице 10.

После азотирования образуется слой с нитридными или карбонитридными выделениями, толщиной 0,015-0,030 мм. Этот слой отличается высокими коррозионной стойкостью, твердостью, пределом прочности и текучести, повышается усталостная прочность стали.

 

Таблица 10 Состав и свойства (не менее) конструкционных азотируемых сталей

Марка	С	Cr	Ni	Mo(W)	Прочие	Термообработка	sВ,	sТ,	d,	y,	KCU, МДж/м^2
Закалка, ^оС	Отпуск, ^оС	МПа	%
30Х2МЮА	0,35-0,45	1,35-1,65	-	0,15-0,25	0,7-1,1 Al	920-940 м(в)	625-650					0,9
38Х2ВФЮА	0,35-0,42	1,5-1,8	-	(0,2-0,4)	0,1-0,8 V	900-950 м	600-650				0,9
30ХН2ВФА	0,27-0,34	0,3-0,6	2,0-2,45	(0,6-0,8)	0,4-0,7 Al	850-870 м	540-620				1,0
30Х2НВФА	1,35-1,75	0,7-1,0	0,1-0,18 V	900-920 м	520-540					0,8
30Х3ВА	2,3-2,7	-	870-890 м	580-620					1,0
40ХНМА	0,37-0,44	0,3-0,6	0,7-1,0	0,7-1,0	0,06-0,12 V	840-860 м	600-620				1,0

 

Улучшаемые стали. Стали, подвергаемые термическому улучшению (закалке с отпуском), широко применяют для изготовления различных деталей, работающих в сложных напряженных условиях (при действии разнообразных нагрузок, в том числе переменных и динамических). Стали приобретают структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки. Важное значение имеет сопротивление хрупкому разрушению.(см. таблицу 11).

Улучшению подвергаются среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,30…0,50 %.

Улучшаемые углеродистые стали 35, 40, 45 дешевы, из них изготавливают детали, испытывающие небольшие напряжения (сталь 35), и детали, требующие повышенной прочности (стали 40, 45). Но термическое улучшение этих сталей обеспечивает высокий комплекс механических свойств только в деталях небольшого сечения, так как стали обладают низкой прокаливаемостью. Стали этой группы можно использовать и в нормализованном состоянии.

Детали, требующие высокой поверхностной твердости при вязкой сердцевине (зубчатые колеса, валы, оси, втулки), подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты. Для снятия напряжений проводят низкий отпуск.

Улучшаемые легированные стали. Улучшаемые легированные стали применяют для более крупных и более нагруженных ответственных деталей. Стали обладают лучшим комплексом механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладоломкости.

Хромистые стали 30Х, 40Х, 50Х используются для изготовления небольших средненагруженных деталей. Эти стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым.

Повышение прокаливаемости достигается микролегированием бором (35ХР). Введение в сталь ванадия значительно увеличивает вязкость (40ХФА).

Хромокремнистые (33ХС) и хромокремниймарганцевые (хромансил) (25ХГСА) стали обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. Стали хромансилы обладают высокой свариваемостью, из них изготавливают стыковочные сварные узлы, кронштейны, крепежные и другие детали. Широко применяются в автомобилестроении и авиации.

Хромоникелевые стали 45ХН, 30ХН3А отличаются хорошей прокаливаемостью, прочностью и вязкостью, но чувствительны к обратимой отпускной хрупкости. Для уменьшения чувствительности вводят молибден или вольфрам. Ванадий способствует измельчению зерна.

Стали 36Х2Н2МФА, 38ХН3ВА др. обладают лучшими свойствами, относятся к мартенситному классу, слабо разупрочняются при нагреве до 300…400 ^oС. из них изготавливаются валы и роторы турбин, тяжелонагруженные детали редукторов и компрессоров.

Таблица 11 - Состав и свойства (не менее) конструкционных улучшаемых сталей

Марка	С	Mn	Cr	Ni	Прочие	Термообработка	sВ,	sТ,	d,	y,	KCU, МДж/м^2
Закалка, ^оС	Отпуск, ^оС	МПа	%
4Х	0,36-0,44	0,3-0,8	0,8-1,1	£0,3	-	860 м	500 в(м)					0,6
40ХФА	0,37-0,44	0,10-0,18 V	880 м	650 в(м)					0,9
35ХАФ	0,32-0,38	2,0-2,6	0,02-0,04	0,09-0,15 V, 0,02-0,06 Al	940 м	600 в(м)					0,6
40Г2	0,26-0,35	1,4-1,8	£0,3	£0,3	-	880 м	600 вз					-
30Г2	0,36-0,44	-	860 м	650 вз					-
40ХГТР	0,38-0,45	0,7-1,0	0,8-1,1	0,03-0,09 Ti, 0,001-0,005 B	840 м	550 в(м)					0,8
35ХГФ	0,31-0,38	0,95-1,25	1,0-1,3	0,06-0,12 V	870 м	630 в(м)					0,8
38ХС	0,34-0,42	-	1,3-1,6	1,0-1,4 Si	900 м	630 м					0,7
30ХГСА	0,28-0,34	0,8-1,1	0,8-1,1	0,9-1,2 Si	880 м	540 в(м)					0,5
30ХМА	0,26-0,33	-	0,15-0,25 Mo	880 м	540 в(м)					0,9
30Х3МФ	0,27-0,34	-	2,3-2,7	0,2-0,3 Mo, 0,06-0,12 V	870 м	620 в(м)					1,0
40ХН	0,36-0,44	0,3-0,8	0,45-0,75	1,0-1,4	-	820 в(м)	530 в(м)					0,7
30ХН3А	0,27-0,33	0,6-0,9	2,75-3,15	-	820 м	530 в(м)					0,8
30ХН2МА	0,27-0,34	1,25-1,65	0,2-0,3 Mo	860 м	530 вз					0,8
40ХН2МА	0,37-0,44	0,15-0,25 Mo	850 м	620 в(м)					0,8
18Х2Н4МА	0,14-0,20	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 Mo	860 м	550 м					1,2
30ХН3МФА	0,33-0,40	1,20-1,50	3,0-3,5	0,35-0,45 Mo, 0,10-0,18 V	850 м	600 вз					0,8