Конструкционные стали

Конструкционные– это сплавы наиболее обширной группы, предназначенные для изготовления строительных сооружений, деталей машин и механизмов в машиностроении и приборостроении, обладающие высокими механическими и индивидуальными физико-химическими свойствами. Они в свою очередь делятся на строительные и машиностроительные, к которым относятся цементируемые, термоулучшаемые и высокопрочные.

Цементируемые – это стали насыщенные углеродом. Первоначально это были малоуглеродистые сплавы, содержащие 0,1 - 0,3 % С.

Термоулучшаемыми называют среднеуглеродистые конструкционные стали (0,3 - 0,5 % С), подвергаемые закалке и последующему высокотемпературному отпуску. Углеродистые улучшаемые сплавы (Ст 35, 40, 45 и 50) обладают небольшой прокаливаемостью (до 10 мм).

Для повышения механических свойств при изготовлении деталей сечением более 25 – 30 мм в состав сплавов добавляют легирующие элементы.

Легированные стали обладают высокой прокаливаемостью, более мелким зерном, их критическая скорость закалки меньше, следовательно, ниже закалочные напряжения, выше устойчивость против отпуска. Отсюда их основное преимущество перед углеродистыми конструкционными - лучший комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении достаточной вязкости и пластичности, ниже порог хладноломкости и т.п.

Основным легирующим элементом в конструкционных сталях является хром, содержание которого обычно составляет 0,8 - 1,1 %; марганца в сталях до 1,5 %; кремния 0,9 - 1,2 %; молибдена 0,15 - 0,45 %, никеля 1,0 - 4,5 %. Общая сумма легирующих элементов не превышает 3,0 – 5,0 %.

Все перечисленные элементы, кроме никеля, увеличивая прочность сплава, понижают его пластичность и вязкость. Повышение прокаливаемости материала (в сечении до 40 мм) достигается добавлением в хромистые стали около 1,0 % Мn. Хромомарганцевые сплавы, называемые хромансиль, легированы хромом, кремнием и марганцем, т. е. не содержат дефицитных легирующих элементов. Недостаток этих сталей - склонность к отпускной хрупкости и к обезуглероживанию поверхности при нагреве. Для уменьшения влечения хромистых сплавов к отпускной хрупкости вводят 0,15 - 0,25 % Мо. Никель оказывает положительное влияние на свойства стали, особенно увеличивая ее прочность, не понижая пластичность и вязкость. Кроме того, он снижает порог хладноломкости. Поэтому сплавы, содержащие никель, особенно ценны как конструкционный материал. Несколько уменьшая глубину цементованного слоя, он в то же время увеличивает глубину закаленного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Никель положительно влияет и на свойства в сердцевине изделия. Кроме названных элементов, в конструкционные стали для измельчения зерна вводят около 0,1 % V, Ti, Nb и Zr. В цементируемые сплавы титан внедряют только для измельчения зерна. При большем его содержании он уменьшает глубину цементованного закаленного слоя и прокаливаемость. Для уменьшения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно легируют Ti или Zr. Дополнительное легирование их ванадием (0,1 - 0,2 %) способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость. В последние годы с целью повышения прочности для цементируемых деталей применяют стали, легированные бором (0,002 - 0,005 %). Он, увеличивая прокаливаемость, способствует росту зерна при нагреве. Молибден и вольфрам вводят в состав сплавов также для уменьшения склонности к отпускной хрупкости.

Большинство легированных конструкционных сталей относятся к перлитному классу.

Сплавы, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки достигают s_в = 180 - 200 кгс/мм², называют высокопрочными.

Высокопрочное состояние может быть получено несколькими способами. Один из таких методов является легирование среднеуглеродистых сталей (0,4 - 0,5 % С) хромом, вольфрамом, молибденом, кремнием и ванадием. Эти элементы затрудняют разупрочняющие процессы при нагреве до 200 – 300 °С. При этом образуется мелкое зерно, что в свою очередь понижает порог хладноломкости, увеличивает сопротивление хрупкому разрушению. Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть достигнута и за счет применения термомеханической обработки (ТМО).

Мартенситностареющие стали (МСС). Термин – «мартенситностареющая» означает, что сталь этого класса приобретает тот или иной уровень прочности в результате превращения аустенита в мартенсит (1- ый этап упрочнения) и последующего старения мартенсита (2- ой период). Высокопрочные МСС отличаются от легированных углеродистых прежде всего тем, что они практически не содержат углерода. Следствием этого является: а) мартенсит после закалки имеет ОЦК; б) упрочнение наступает в результате распада мартенсита с образованием в a-твердом растворе (феррите) избыточной интерметаллидной фазы. Они сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием и специальной термической обработкой. Их достоинства - высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации. Они относятся к высоколегированным сплавам. Основным легирующим элементом является никель (10 – 26 %). Кроме того, различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7 – 9 % Со; 4,5 - 5,0 % Мо; 5 – 11 % Сг; 0,10 - 0,35 % А1; 0,15 - 1,60 % Ti; иногда 0,3 - 0,5 % Nb; менее 0,2 % Si и Mn; менее 0,01 % S и P. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов. В таких сталях стремятся получить минимальную концентрацию углерода (0,03 %), так как он, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сплава. Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе.

Износостойкие стали. Износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. К таким относят графитизированные и высокомарганцовистые стали. Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до 1,75 %) и кремния (до 1,6 %). Кремний вводят как графитизирующий элемент. После термической обработки структура стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых включений графита. При неабразивном износе графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Кроме того, эти стали обладают антивибрационными свойствами. Высокомарганцовистые стали, содержащие около 1 % С и 12 – 13 % Мn, обозначают так: Г13 (1,2 % С; 13 % Мn; менее 0,5 % Si) и Г13Л (1,2 % С; 12 % Мn и около l % Si). Буква Л означает, что сталь литая. Она имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn)₃С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вязкость и прочность сплава.