Высокопрочные стали

Высокопрочными машиностроительными (конструкционными) сталями условно считают такие стали, которые можно термически обрабатывать на прочность выше 130 кГ/мм2. Максимальный предел прочности конструкционных сталей определяется главным образом содержанием углерода и достигается, при полной прокаливаемости, после закалки и низкого отпуска. По мере увеличения содержания углерода до 0,38-0,45 % твердость и прочность закаленной низкоотпущенной стали увеличивается при сохранении пластичного характера разрушения гладких надрезанных образцов. При дальнейшем увеличении содержания углерода твердость закаленной низкоотпущенной стали продолжает увеличиваться, прочность при растяжении уменьшается, а пластичный вид разрушения сменяется хрупким. Легирование конструкционной низкоотпущенной стали с относительно низким содержанием углерода в общепринятых пределах при полной прокаливаемости мало влияет на ее предел прочности. Легирование стали оказывает большое влияние на переход пластичного вида в хрупкий, сдвигая этот переход в сторону более высокого содержания углерода. Легированием малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей можно добиться более высокой пластичности и вязкости стали и уменьшения ее чувствительности к надрезу, а легированием высокоуглеродистых сталей достичь увеличения прочности при хрупком изломе, а иногда - перехода хрупкого излома в пластичный. Таким образом, легирование стали, увеличивая сопротивление хрупкому разрушению, позволяет использовать в качестве конструкционного материала закаленную низкоотпущенную сталь с достаточно высоким содержанием углерода. Легирование высокопрочных сталей необходимо также для получения нужной прокаливаемости.

Зависимость между пределом прочности высокопрочной закаленной и низкоотпущенной стали и содержанием углерода приведена в таблице 7

Основными легирующими элементами в высокопрочных сталях являются хром, никель, молибден. Эти элементы существенно увеличивают сопротивление хрупкому разрушению (сопротивление отрыву). В состав высокопрочных сталей водят также кремний. Кремний в значительной мере задерживает распад мартенсита и коагуляцию карбидов при низком отпуске. Легирование кремнием позволяет получать высокопрочные стали, применяя отпуск при более высокой температуре и достигая значительного уменьшения внутренних напряжений. Кремнийсодержащие стали при той же температуре отпуска обладают несколько более высокой прочностью, что позволяет уменьшить содержание углерода в стали; это, в свою очередь, улучшает свариваемость и повышает сопротивление стали хрупкому разрушению. Кремний в высокопрочной низкоотпущенной стали задерживает распад мартенсита под влиянием пластической деформации. В итоге, кремний существенно улучшает механические свойства высокопрочных сталей, подвергаемых закалке и низкому отпуску.

Особенно благотворно влияние кремния при применении изотермической закалки. Он способствует перераспределению углерода, вызывая образование высокоуглеродистого остаточного аустенита и сравнительно малоуглеродистого игольчатого троостита (бэйнита). Такая структура определяет высокую вязкость и меньшую чувствительность к надрезу.

Во многих высокопрочных сталях в качестве легирующего элемента используется марганец, главным образом, для увеличения прокаливаемости и некоторого улучшения свариваемости стали.

Некоторые высокопрочные стали легируют также вольфрамом и ванадием. Последний элемент добавляется в основном для измельчения зерна стали. Дешевые высокопрочные стали могут в своем составе содержать никеля, молибдена и других дешевых дефицитных элементов. Содержание серы и фосфора в высокопрочных сталях должно быть минимальным. Фосфор даже в малых количествах существенно увеличивает чувствительность высокопрочных сталей к надрезу. Сера очень вредно влияет на свариваемость стали и прочность сварных соединений.

Для изготовления деталей, обрабатываемых на высокую прочность, наиболее широкое применение имеют стали 30ХГСНА и 30ХГСНМА. Достаточно широко применяются также стали ЭИ643, 30ХГСА и 35ХГСА. Состав и механические свойства приведены в таблицах 8 и 9.

Большинство высокопрочных сталей закаливаются в масле или подвергаются изотермической закалке. Сталь ВЛ - 1 (круглая диаметром 80 мм и лист или пластина толщиной до 40 мм) способна закаливаться на воздухе. В большинстве сечения сталь Вл - 1 следует закаливать в масле. Изотермическая закалка вызывает поводку стали в 2-3 раза меньшую, чем закалка в масле. Закалка на воздуху сообщает деталям сравнительно малую поводку. Кроме того, закалка на воздухе допускает более легкое применение фиксирующих приспособлений, практически полностью устраняющих коробление. Виды полуфабрикатов, изготовляемых из различных высокопрочных сталей, приведены в таблице 10

Все высокопрочные стали обладают наилучшим сочетанием механических свойств после закалки и отпуска при сравнительно низкой температуре (200-300^оС). Дальнейшее повышение температуры отпуска вызывает уменьшение предела прочности и вязкости стали, в особенности при низкой температуре испытания. В связи с этим предел прочности деталей из высокопрочных сталей не рекомендуется уменьшать применением более высокой температуры отпуска. Изменять предел прочности можно путем изменения температуры селитры или щелочи при изометрической закалке. Однако эти изменения также ограничены определенным диапазоном, поскольку повышение температуры изотермической закалки сверх допустимых пределов всегда приводит к хрупкости стали. В связи с тем, что возможности изменения предела прочности высокопрочных сталей изменением режимов упрочняющей термической обработки ограничены, необходимо для получения требуемой прочности правильно назначать марку стали главным образом в отношении содержания углерода.

Большой опыт промышленного производства и эксплуатации в ответственных условиях накоплен по сталям 30ХГСНА и 30ХГСНМА, обрабатываемым на σ _в = 160 / 180 кГ/мм² и σ_в = 140 / 160 кГ/мм². Промышленный опыт применения сталей с σ_в = 190 / 210 кГ/мм² значительно меньше, хотя сталь ЭИ 643 с σ_в = 200 кГ/мм² широко применяет уже ряд заводов. Применение стали прочности σ_в = 190 / 210кГ/мм² требует более жесткого подхода к конструированию и технологии, чем применение стали с σ_в = 160 / 180 кГ/мм².

Таблица 7. Ориентировочные значения предела прочности конструкционной закаленной и низкоотпущенной стали в зависимости от содержания углерода.
Таблица 8. Химический состав наиболее широко применяемых высокопрочных сталей в %.
Таблица 9. Механические свойства наиболее широко применяемых высокопрочных сталей.
Таблица 10. Полуфабрикаты, изготовляемые из высокопрочных сталей.