деформированного упрочнения. Обкатывание проводят с применением смазочно-охлаждающих жидкостей, что уменьшает коэффициент трения, снижает температуру в месте контакта и повышает стойкость инструмента.

Поверхностное деформирование повышает плотность дислокации в упрочненном слое, измельчает субструктуру (величину блоков), а при обработке закаленных поверхностей уменьшает количество остаточного аустенита.

При ППД происходит увеличение поверхности, которому препятствуют нижележащие недеформированные слои. Как следствие этого, на поверхности образуются остаточные сжимающие напряжения, а в сердцевине — растягивающие (рис. 156, б). С повышением усилия обкатки Р величина остаточных напряжений сжатия на поверхности возрастает, достигая для стали 45ХНФА значения, превышающего 1000 МПа. Одновременно возрастают остаточные напряжения и по толщине упрочненного слоя. После алмазного выглаживания абсолютная величина остаточных напряжений выше, но на меньшей толщине, чем после обкатки роликами.

Упрочнение поверхности и образование сжимающих остаточных напряжений резко повышает предел выносливости (рис. 157). Обкатка (дробеструйная обработка) практически устраняет влияние концентраторов напряжений на предел выносливости. Предел выносливости обкатанных образцов с концентраторами напряжений достигает предела выносливости гладких образцов. После алмазного выглаживания предел выносливости повышается на 30— 50 %. Чем выше твердость стали, тем выше эффект от обработки ППД. Поверхностный наклеп создает реальные возможности применения высокопрочных сталей (после закалки и низкого отпуска)

251

для деталей с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений при действии значительных циклических нагрузок. Важно, что ППД повышает сопротивление коррозионной и контактной усталости.

ППД является эффективным методом локального упрочнения мест концентраций напряжений (рис. 158). Поверхностное пластическое деформирование повышает твердость поверхности (см. рис. 156, а), в результате чего возрастает сопротивление износу. ППД также способствует снижению шероховатости поверхности и созданию микронеровностей по форме, близкой к образующейся после приработки. ППД деталей, работающих в условиях трения и изнашивания, повышает износостойкость по сравнению со шлифованием в 1,5—2 раза. Одновременно возрастает сопротивление схватыванию и фреттинг-коррозии.

Вопросы для самопроверки

1.Какие Вы знаете методы ППД?

2.Зачем применяется ППД?

ГЛ А В А XIV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали). К

конструкционным сталям относятся и стали со специальными свойствами — износостойкие, пружинные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные и др.

252

Детали современных машин и конструкций работают в условиях высоких динамических нагрузок, больших концентраций напряжений и низких температур. Все это способствует хрупкому разрушению и снижает надежность работы машин.

Конструкционные стали должны обладать высоким пределом текучести σ0,2, являющимся основной характеристикой при расчетах деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью (δ, ψ), сопротивлением хрупкому разрушению (KCU, КСТ, К1с) и низким порогом хладноломкости (t50). Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости (σ-1), износу и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали.

Повышение прочности стали достигается твердорастворным (∆σтр), дислокационным (∆σд), дисперсионным (∆σду), зернограничным (∆σ3) и субструктурным (∆σс) упрочнением, получаемым путем термической, термомеханической, химико-термической и деформационной обработок, а также подбором состава стали. В табл. 41 показано, за счет каких механизмов происходит повышение прочности σТ низкоуглеродистых строительных сталей (<0,25 % С) с ферритно-перлитной структурой и машиностроительных сталей после закалки на мартенсит и отпуска. В таблице даны расчетные формулы для оценки вклада в упрочнение различных механизмов. Величина σТ определяется суммарным вкладом каждого механизма упрочнения:

где σ0 = 2·10-4 G.

В ферритно-перлитных низкоуглеродиетых сталях повышение σТ в основном обязано упрочнению феррита за счет ∆σтр, ∆σду и ∆σ3, а роль перлитной составляющей ∆σп и дислокационного упрочнения ∆σд сравнительно не велика. В сталях, закаленных на мартенсит, роль дислокационного упрочнения ∆σд и растворенного в мартенсите углерода велика. Предел текучести стали σТ колеблется в широких пределах ( от 2 до 2500 МПа и выше).

Повышение прочноети (σТ) обычно сопровождается понижением пластичности (δ, ψ), вязкости (КС, КСТ, К1с) и повышением порога хладноломкости (t50). Только измельчение зерна аустенита, вызывая повышение σ0,2, понижает порог хладноломкости (см. рис. 80), увеличивая температурный запас вязкости. Поэтому конструкционные стали должны быть мелкозернистыми. Мелкое зерно в значительной степени компенсирует отрицательное влияние других видов упрочнения на температурный порог хладноломкости.

1 Гольдштейн М. И. Пути повышения прочности и хладноломкости конструкционных сталей//Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987. - № 11. С. 6—11.

253

Конструкционная сталь должна иметь хорошие технологические свойства: хорошо обрабатываться давлением (прокатка, ковка, штамповка и т. д.) и резанием, не образовывать шлифовочных трещин, обладать высокой прокаливаемостью и малой склонностью к обезуглероживанию, деформациям и трещинообразованию при закалке и т. д. Строительные конструкционные стали должны хорошо свариваться всеми видами сварки.

Стали выплавляют в мартеновских печах, электропечах, а также в конверторах с продувкой кислородом сверху1. К потребителю стали поставляют в виде заготовок и сортовой горячекатаной, калиброванной и шлифованной стали (листы, полосы, фасонные профили и др.).

Стали, применяемые в строительстве, поступают без термической обработки или после термоупрочнения с прокатного нагрева (см. с. 257); термической обработке у потребителя эти стали не подвергаются. Стали на машиностроительные предприятия поставляются металлургическими заводами без термической обработки, после отжига или высокого отпуска. На машиностроительных заводах детали машин проходят термическую обработку для получения заданных свойств. Нередко их подвергают на металлургических заводах рафинированию жидким синтетическим шлаком (Ш) в ковше, а также электрошлаковым переплавом (ЭШ). В некоторых случаях проводятся вакуумно-дуговой переплав (ВД) и выплавка в вакуумных индукционных печах (ВИ). Использование этих методов рафинирования стали снижает загрязненность ее неметаллическими включениями (оксидами, сульфидами, силикатными включениями и т. д.), вредными примесями (S) и газами, уменьшает количество дефектов (волосовины и пористость).

Повышение чистоты металла обеспечивает получение более высокой конструктивной прочности стали, главным образом благодаря увеличению работы развития трещины КСТ и трещиностойкости K1с. Однако порог хладноломкости, определяемый по виду излома, в результате применения новых методов рафинирования изменяется мало. Прочность и пластичность после переплавов практически не меняются, но уменьшение неметаллических включений и их глобуляризация снижают анизотропию свойств пластичности и вязкости. При выборе режима термической обработки следует иметь в виду, что уменьшение содержания в приграничных объемах зерна примесей и неметаллических включений повышает склонность стали, полученной Ш, ЭШ, ВД и ВИ, к росту зерна аустенита при нагреве. Нередко стали поставляют с регламентированными прокаливаемостью, величиной зерна, долей вязкой составляющей в изломе, ударной вязкостью при — 60 °С и т. д.

1 В современных мартеновских печах (садка 800 т) выплавляется в сутки ~2500 т стали, а в конверторах (садка 350 т) — до 5000 т.

255

I. УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Углеродистые конструкционные втали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества (ГОСТ 380—88). Углеродистую сталь обыкновенного качества изготовляют следующих марок:

Буквы «Ст» в марке стали обозначают «сталь», цифры — условный номер марки (с увеличением номера возрастает в стали содержание углерода), кроме того, ГОСТ предусматривает стали с повышенным содержанием марганца (0,8—1,1 %) — СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.

В зависимости от условий и степени раскисления различают стали: 1) спокойные «сп» (Ст1cп, Ст2сп, СтЗсп, Ст4сп, Ст5сп, Ст6сп); 2) полуспокойные «ПС» (Ст1пс, Ст2пс, СтЗпс, Ст4пс, Ст5пс, Ст6пс); 3) кипящие «кп» (Сткп, Ст2кп, СтЗкп, Ст4кп). В их составе разное массовое содержание кремния и кислорода: в спокойных 0,15—0,3 % Si и ~0,002 % О2; в полуспокойных 0,05— 0,15 % Si и —0,01 % О2 и в кипящих — не более 0,05 % Si и ~0,02 % О2. Спокойные стали получают полным раскислением стали ферромарганцем, ферросилициумом, алюминием в печи, а затем в ковше. Они застывают спокойно без газовыделения. Кипящие стали раскисляют только ферромарганцем и до затвердевания в них содержится повышенное количество FeO. При застывании в изложнице FeO взаимодействует с углеродом стали, образуя СО, который выделяется в виде пузырьков, создавая впечатление, что металл кипит.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. В процессе выплавки они меньше очищаются от вредных примесей. Массовая доля серы должна быть не более 0,05 %, фосфора — не более 0,04 % и азота — не более 0,008 %.

Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (σΒ) и текучести (σ0,2) и снижается пластичность (δ, ψ). Наиболее распространенная сталь СтЗсп имеет σΒ = 380÷ 490

МПа, σ0,2 = 210÷250 МПа и δ = 25÷22 %, а Ст5сп σΒ = 500÷640

МПа, σ0,2 = 240÷280 и δ = 20÷17. Чем больше толщина проката,

тем ниже σΒ, σ0,2, δ и ψ.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепаных и болтовых кон-

256

струкций, реже для изготовления малонагруженных деталей машин (валы, оси, зубчатые колеса и т. д.).

Кипящие стали (Ст1кп, Ст2кп, Ст3кп), содержащие повышенное количество кислорода, имеют порог хладноломкости на 30— 40 °С выше, чем стали спокойные (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп и др.). Поэтому для ответственных сварных конструкций, а также работающих при низких климатических температурах применяют спокойные стали (Ст1сп, Ст2сп, Ст3сп).

С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Стали, предназначенные для сварных конструкций, должны обладать малой чувствительностью к термическому старению, а стали, подвергаемые холодной правке и гибке, — малой склонностью к деформационному старению.

Стали обыкновенного качества нередко имеют специализированное назначение (мосто- и судостроение, сельскохозяйственное машиностроение и т. д.) и поступают по особым техническим условиям.

Механические свойства стали обыкновенного качества могут быть значительно повышены, а порог хладноломкости понижен закалкой в воде с прокатного нагрева. Закалку проводят сразу по выходе сортового проката (различные профили, прутки, листы и трубы и др.) из клети прокатного стана. Охлаждение осуществляют в специальных устройствах с форсунками — спрейерами, в которых вода подается под высоким давлением, что обеспечивает интенсивное охлаждение. Низкоуглеродистые стали СтЗ, Ст4 и другие обладают малой устойчивостью переохлажденного аустенита (высокой критической скоростью закалки), поэтому после закалки мартенсит не образуется.

Однако быстрое охлаждение вызывает сильное переохлаждение аустенита, что уменьшает количество свободного феррита и приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной структуры (троостит, сорбит). После закалки следует отпуск, чаще самоотпуск за счет теплоты, сохранившейся при неполном охлаждении при закалке. После упрочнения сортового проката временное сопротивление σΒ возрастает в 1,5—2,0 раза при сохранении высокой пластичности и понижении порога хладноломкости. Одновременно повышается и предел выносливости. Термическая обработка с прокатного нагрева позволяет сэкономить 10—50 % металла для изготовления конструкций, дает экономию энергетических ресурсов и позволяет в ряде случаев заменить легированные стали термически упрочненными углеродистыми сталями.

Качественные углеродистые стали. Эти стали (ГОСТ 1050— 74) выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. К ним предъявляют более высокие требования по химическому составу и структуре:

257

содержание S≤ 0,04 %, Ρ ≤ 0,035÷0,04 %, а также меньшее количество неметаллических включений, регламентированные макро- и микроструктура.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15, 20, .... 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (содержание углерода <0,25 %) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают невысокой прочностью и высокой пластичностью. σΒ = 330÷340 МПа, σ0,2 = 200÷210 МПа и δ = 33÷31 % 1. Эти стали без термической обработки применяют для малонагруженных деталей. Тонколистовую холоднокатаную низкоуглеродистую сталь используют для холодной штамповки изделий.

Стали 15, 15кп, 20, 25 (σΒ = 380÷460 МПа, σ0,2 = 230÷ 280

МПа и δ = 27÷23 %) чаще применяют без термической обработки или в нормализованном состоянии.

Низкоуглеродистые качественные стали используют и для ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0,3—0,5 % С) 30, 35, 40, 45, 50, 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения. Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (σΒ = 500÷610 МПа, σ0,2 = 300÷ 360 МПа, δ = 21÷16 %). Стали в отожженном состоянии хорошо обрабатываются резанием. Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита. После улучшения стали 40, 45, 50 имеют следующие механические свойства: σΒ = 600÷700 МПа, σ0,2 = 400÷600 МПа,

ψ = = 50÷40 % и KCU = 0,4-4-0,5 МДж/м2. Прокаливаемость сталей невелика; критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости. Для повышения прокаливаемости стали добавочно легируют марганцем

(40Г, 50Г).

Стали с высоким содержанием углерода (0,6—0,85 % С) 60, 65, 70, 80 и 85 обладают повышенной прочностью, износостойкостью и упругими свойствами; применяют их после закалки и отпуска, нормализации и отпуска и поверхностной Закалки для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготовляют пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т. д.

1 Механические свойства после нормализации»

258

2. ЛЕГИРОВАННЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении и в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Эти стали широко применяют для тяжелонагруженных металлоконструкций.

Вкачестве легирующих элементов чаще используют сравнительно недорогие и недефицитные элементы — марганец, кремний и хром. Стали, содержащие эти элементы, нередко добавочно легируют титаном, ванадием и бором.

Для изготовления высоконагруженных деталей стали легируют значительно более дорогими и дефицитными элементами, такими как никель, молибден, вольфрам, ниобий и др.

Стали, в которых суммарное содержание легирующих элементов не превышает 2,5 %, относятся к низколегированным, содержащие 2,5—10 % — к легированным, и более 10 % — к высоколегированным (содержание железа более 45 %).

Чем выше легированность стали и меньше размеры полуфабриката, тем стоимость стали больше. Особенно дороги стали, содержащие большое количество никеля, молибдена, вольфрама и кобальта. Цена калиброванной и шлифованной стали выше.

Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении — легированные стали.

Вэтих сталях обычно содержится 0,8—1,8 % Μn, 0,4—1,2 % Si, 0,8—2,5 (чаще 0,8—1,0 %) Cr, 1,0—4,5 % Ni, 0,15—0,4 % Mo, 0,5—1,2 % W, 0,06—0,3 % V, 0,03—0,09 % Ti, 0,002—0,005 % В.

Большинство конструкционных легированных сталей относится к перлитному классу, а в равновесном состоянии к группе доэвтектоидных. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение (коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.) и относятся к ферритному, мартенситному, аустенитному и смешанным структурным классам.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15—20 мм) механические свойства легированных сталей (σΒ, σ0,2, δ, ψ, KCU) значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей. Особенно сильно повышаются предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры. Благодаря большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет проводить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. Легированные стали применяют поэ-

тому не только для крупных изделий, но и для изделий небольшого сечения, имеющих сложную форму. Чем выше в стали концентрация легирующих элементов, тем выше ее прокаливаемость.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами — марганцем, хромом и бором, а также более дорогими — никелем и молибденом. Наибольшая прокаливаемость достигается при комплексном легировании стали. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические и технологические (обработку резанием, свариваемость и т. д.) свойства стали. При этом повышается порог хладноломкости. Например, увеличение содержания в стали хрома или марганца до 1 % практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вязкость, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1 % Ni порог хладноломкости снижается на 60—80 °С, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3—4 % вызывает менее сильное, но все же снижение порога хладноломкости. Повышая запас вязкости, никель увеличивает КСТ и К1с. Введение 3—4 % Ni рекомендуется для обеспечения глубокой прокаливаемости. Никель — дорогой металл, поэтому чаще в конструкционные стали его вводят совместно с хромом и другими элементами и притом в предельно минимальном количестве. В сложнолегированных сталях никель также обеспечивает высокое сопротивление хрупкому разрушению.

Легирование стали небольшим количеством (до 0,05—0,15 %) V, Ti, Nb и Zr, образующих труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины КСТ и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и задерживают коагуляцию карбидов.

После одинаковой температуры отпуска легированная сталь будет иметь более высокую прочность (твердость), но несколько меньшую пластичность и вязкость, чем углеродистая сталь. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных частиц.

260