Специальные стали и сплавы

align="justify">1)содержание  в стали С

2)Ме  природа стали, с кот в осн  связано содержание в стали  вредных примесей (С, F, As, Sb и т.д.), а также газов, н.в. т т.д.

3)ТО

4)ХПД 

      В этих сталях С – осн элемент, оказывающий влияние на все их свойства. Если рассматривать переход от чистого Fe к низкоуглерод стали, следует уделить внимание на свойства α. В интервале изменения содержания С в α от чистого Fe до 0,004%С происходит сущ изменение прочности и вязкости, связанное с влиянием на размножение и перемещение дислокаций.

      Считается, что содержание С, составляющее 0,00001%С, является экстремальным количеством, при более высоком или более низком содержании С ↑ хрупкость α, однако в угл сталях содержащих более 0,06%С его концентрация в α практически не изменяется, значит, не изменяются свойства α. В то же время, в лег сталях, содержащих элементы с вы схим сродством к С, количество растворённого в α С м оказаться ниже 0,0001, следствием чего может быть ↑хрупкости α или всей стали.

      Влияние роста содержания С в КС связано  с ↑ количества Ц, что затрудняет перемещение дислокаций, сказывается на сдвиговых процессах в отд зёрнах и, соответственно, изменяют мех свойства, вызывая нек ↑ прочности, ↓ пластичности, иногда и вязкости.

      Изменение свойств связано с ↑ содержание С, зависти и от морфологии частиц Ц и от степени равновесности структуры стали и, следовательно, от режимов её ТО.

      Угл КС до 0,025%С, как правило, не подвергаются ТО, для сталей с большим содержанием  С – закалка+отпуск является эффективным средством повышения комплекса свойств.

      Содержание  С в рассматриваемых сталях также  влияет на их прокаливаемость, поскольку  с ↑содержания С ↑ся устойчвость переохл γ, ↑ и прокаливаемость в сталях. ХПД также сущ изменяет свойства угл КС. 

      Низколег  КС

      Суммарное содержание л.э. в этих сталях м доходить до 2,5% по содержанию С и принципам  упрочнения. В низколег КС выделяют 3 подгруппы:

      V, Nb ,Ti ,Zr – сродство к С. 

      Низкоугл  стали с содержанием 0,1…0,2%С. В осн применяются в гор кат или нормализованном состоянии. Соответственно, гл образом, их упрочнение основано на легировании α. В меньшей мере на этих сталях сказываются изменения состояний и в составе карбидной фазы. Закалка и отпуск таких сталей незн ↑ харки прочности, но заметно ↑ показатели вязкости и хладостойкости.

      Низкоугл  0,05…0,18%С, упрочнённые дисперсными выделениями карбидов или карбонитридов. Эти стали применяются в нормализованном состоянии или после контролируемой прокатки. Выделение упрочняющей дисперсной фазы происходит либо в проц охл при нормализации, либо во время спец назначаемого интервала между проходами гор прокатки.

      Среднеугл 0,25…0,5%С, применяемые в ТО состоянии после зак и в.о. на требуемый уровень свойств. 

      1группа: обычно это марганцовистые стали типа 14Г, 09Г2 и т.д.; кремиймарганцовистые 09Г2С, 12ГС и т.д.; марг и кремниймарг с доп лег: 15ГФ, 17ГСФ и т.д. Обычно в эту подгруппу также относят природнолегированные стали: 15ХСНГ, 10ХСНГ. Во всех сталях этой подгр осн л.э. является Mn. При содержании 0,13…0,23% м получить у марг нормализ стали хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости и хладостойкости. Легирование стали с 0,2%С Mn в колве 1,3% является перелом, при кот нормализация Ме приводит к образованию значит количества игольчатых составляющих микроструктуры. При 2% Mn в такой стали после нормализации м получить в структуре знач количество игольчатых составляющих, практ половину, что приводит к резкому ↑ прочности, ↓ пластичности и ударной вязкости.

      Используя влияние Si на упрочнение α Si, Mn в низкоугл сталях, м получить повыш уровень прочности по сравнению с Mn сталью, по пластичности, вязкость при этом резко ↓. С ↑содержания Si сверх 0,8% в низкоугл Si, Mn сталях особенно резко ↓ вязкость.

      В низкоугл Si, Mn сталях, нормализованных содержанием С до 0,2%, Si не более 0,8%, Mn не более 1,5%, игольчатые структуры не образуются в количествах, кот сущ влияют на ↓ вязкости. В этом случае ↓вязкости в результате легирования Si связано с его влиянием на α. Для доп изменения свойств MnSi, Mn-стали легируют Cr, Ni, B, Mo, Ti, Nb и др.. Введение Cr в количествах, не приводящих к образованию игольчатой структуры очень мало влияет на свойства. Легирование Ni Mn-сталей с содержанием ~1,3% и С~0,2% эффективно при колве Ni до 0,1%, в этом случае Ni легирует Ф, ↑его ударную вязкость, а прочность и пластичность стали практ не изменяется. Введение Ni в колве 1% не приводит к возникновению игольчатых структур, но при содержании Ni~2% таких структур образуется 40%, и роста ударной вязкости не происходит.

      Некот благоприятный эффект даёт легирование  нормализуемых низкоугл Mn-сталей Mo, но в колве, не приводящем к образованию игольчатых структур.

      Легирование низкоугл Mn-сталей Ti до 0,1% не приводит к образованию иг структур в нормализованном  состоянии и практ не отражается на прочности, но неск ↑ударную вязкость и ↓ порог хладостойкости. Примерно так же, но менее эффективно влияет Nb.

      Все рассматриваемые стали применяются  в нормализованном и реже в  гор кат состоянии.

      Закалка с отпуском заметно не ↑ комплекс их свойств, хотя иногда м ↑вязкость.

      С использованием влияния легирования  на образование иг структур были созданы  низколег стали со структурой иг.Ф. В этих сталях, благодаря иг структуре, достигаются высокая прочность, вязкость, хладостойкость. Обычно содержатся 0,03…0,5%С, ~2%Mn, 2…4%Mo, 0,01…0,02%Nb или 0,05%V, Ti. 

      2группа: легирование низ угл Mn-сталей Nb в волве около 0,02%; 0,15%V, 0,1%Ti, а также 0,05%Al. Создаёт предпосылки для образования дисперсных выделений карбонитридов V и Ti или нитридов Al. Эти дисп выделения способны ↑ не только прочность в стали, но также, благодаря измельчению зерна, её вязкость и пластичность.

      Был создан ряд сталей с карбонитридным упрочнением – это стали марок 14Г2АФ, 12Г2АФЮ, 18ХГСАФ и т.д.. Они применяются в нормализованном состоянии, а их свойства определяются степенью растворения их фаз при нагреве, величиной зерна и проц выделения упрочняющих фаз при охлаждении в проц нормализации.

      Сущ и др группа низколег сталей, в кот  формирование свойств определяется образованием дисперсных выделений  и деформаций. Это группа низкоугл малоперлитных сталей, кот содержат до 0,1%С и до 2% Mn и доп в разных сочетаниях W, Nb, иногда Mo. Также в них м присутствовать Al до 0,05%. V, Nb, Al и частично Mo участвуют в образовании упрочняющей фазы на основе С, N при его содержании 0,005%. N не вводят в сталь специально, но как правило, в указанном колве он в ней присутствует.

      Свойства  малоперл сталей формируются в проц регулируемой или контролируемой прокатки, когда выделяются дисп частицы упочняющей фазы, и под действием деформации измельчается зерно. Условия прокатки д обеспечивать max растворение компонентов, вызывающих образование дисп частиц упрочняющей фазы. Эти частицы упрочняют α, способствуют измельчению зерна и общей фрагментизации структуры. Тнагр под прокатку малоперл сталей регулируется в зависимости от состава и требований к величине причности и вязкости. Выс Тнагр ~120⁰C обеспечивает более полное растворение соединения V и Nb , тем самым ↑ эффект упрочнения стали этими фазами. Однако из-за знач роста зерна вязкость стали при этом оказывается ниже, чем после нагрева под прокатку при 1050…1100⁰С. Для сталей с V и Nb на верхнем пределе их содержания рационален более высокий нагрев под прокатку, чем при меньшем его содержании.

      Тконца  прокатки малоперл сталей обычно ↓ до 800⁰, поэтому на завершающих проходах прокатки реализуется подсушивание Ме с ускоренным охлаждением. ↓е Тконца прокатки приводит к ↓ зерна γ, выделению упрочняющей фазы при более низкой Т, что соответственно, ↑ её дисперсность и поэтому эффект упрочнения и также ↓е Тконца прокатки приводят к получению более низкого содержания α и вообще общей фрагментации структуры.

      Фактором, определяющим высокую вязкость и  хладостойкость, помимо мелкозернистого  строения, явл также и низкое содержание С. 

      3группа: это стали 0,25…0,50%С и +л.э. до 1,8% Mn (30Г, 40Г2 и др), до 1,1% Cr (30Х, 40Х и т.п.)

      Mn-среднеугл стали используют не только в машиностроении, но и для крепёжных деталей и для ме конструкций. Эти стали чаще применяют в нормализованном состоянии и реже – после закалки и в.о.. Разл крепёжные детали часто изготавливают из холл кат сталей. Присутствующий в ср угл стали Mn способствует некот ↑ прочности в нормализованном состоянии, очень мало при этом снижая пластичность. Изменение содержания Mn в этих сталях от 1,5 до 1,8%С практ не сказывается на их мех свойствах после зак и в.о.. Введение в стали Mn сущ ↑ прокаливаемость. Легирование ср угл стали (СУС) Cr обеспечивает сущ ↑ свойств после зак и в.о.. Крит диам ср угл низколег Cr-сталей при закалке составляет около 25мм, в то время, как в стали без Cr он находится на уровне 10мм. Кроме того, Cr угл стали не имеют резковыраженной отпускной хрупкости.

      Низколег  ср угл Cr-стали, благодаря высокой  НВ в зак состоянии, а также  наличию после умеренного отпуска  обособившихся или не вполне обособившихся  карбидов, имеют повыш износостойкость  и иногда применяются для деталей, работающих в узлах трения.

      Наиб  износостойкость обесп зак с  н.о., и поэтому разл стали типа 40Х применяют после поверхностной  зак с н.о. Однако, используя н.о. для зак ср угл сталей следует  иметь в виду, что если он будет  проводиться при Т в интервале 150…300⁰С, то возможно 2, 3х кратное ↓ ударной вязкости. Поэтому оптимальная Т н.о. сталей работы в условиях изнашивания составляет 120…150⁰С

      Низколег  ср угл Cr-стали типа 40Х, 38ХА, 45Х и  др являются основным констр материалом в машиностроении. 

      Среднелег КС

      Ni, Co, Si, Cu – не образуют карбиды. Al – нитрид.

      Большинство машиностр сталей, основные л.э.: до 2%Cr, до 4,5%N: 20ХН, 40ХН, 12ХН3А, 30ХН3А, 12Х2Н4А, 20ХН4А и др. 

      Cr и Ni вводят для ↑ прокаливаемости, ↓я крит скорости охлаждения при закалке, вплоть до возможности охл на воздухе, а также для ↓ деформации и коробления изделий при закалке и ↓массы изделий. При зак, благодаря введению Cr и Ni, ↑ комплекс мех свойств после ТО (зак+отп), ↑ прочность, в в осн благодаря л.э. Cr , а также вязкость и хладостойкость стали, благодаря влиянию Ni на α. Помимо основных л.э. Cr и Ni, в сталях этой группы часто вводят Mo 2…4% для ↓ склонности к отп хрупкости и измельчению зерна.

      14Х2Н3МА, 40ХН2МА, 18ХГ2Н4МА, 25Х2Н4МА и др.. Иногда Mo заменяют W до 1%: 18Х2Н4ВА, 25Х2Н4ВА и др. Реже Mo частично или полностью заменяют V до 2%, это стали марок типа 30ХН2МФА, 45ХН2МФА, 20ХН4ФА и др.. V одновременно способствует некот ↑ прочности стали после ТО. V для измельчения зерна γ при нагреве и ↑ скорости нагрева.

      Помимо  указанных элементов, в CrNi-ср лег констр стали иногда вводят Mn до 1,3% для ↑ прокаливаемости, что позволяет ↓содержание Ni : 38ХГН

      Иногда  вводят около 1% Si с целью некот  доп ↑ прочности:30ХГСНА. В колве от 1 до 0,005 для повышения прокаливаемости и некот ↑ прочности: 20ХГНР, 20ХНР и др.

      Также вводят Ti до 0,1% для лучшего раскисления, измельчения зерна и небольшого доп ↑ прочности : 15ХГН2ТА, 20ХГНТР, и др.. Условия ТО среднелег КС определяются содержание С. По его содержанию и режиму ТО рассматриваемые стали можно разделить на 3 подгруппы:

     1. Стали с 0,1…0,2%С, кот подвергаются  зак и н.о. при Т 180…200⁰С. Это такие стали, как 12ХН2, 12ХН3А, 12Х2Н4А и др.

     2. 0,15…0,25%С – 20ХН, 20ХН3А, 20ХН4А, 18Х2Н4МА  и др., кот подвергаются зак  либо с н.о. либо с в.о., интервалы Тв.о. 180…200⁰С, в.о. 500…650⁰С.

     3. Более 0,25%С – чаще всего  содержит 0,30…0,45%С. Подвергаются  зак и в.о. при Т 550…650⁰С: 40ХН, 30ХН3А, 40ХН2МА и др 

      Стали 1. и реже 2. подгруппы, а также некот  низколег и низкоугл стали типа 15Х, 20Х и др. используются для изготовления цементируемых деталей в машиностроении. Охлаждение после н.о. в этих сталях производят на воздухе, а после в.о. во избежание отп хрупкости в масле, если стали не содержат Mo, W или на воздухе, если стали с Mo или W. Точнее о рациональных условиях охлаждения после выс отп м судить по склонности стали к отп хрупкости – данные приведены в марочниках или др спецлитературе. 

      Среднеугл и среднелег стали м подвергаться терм или термомех обработке на высокую  прочность (σ_в~2000 МПа), это позволяет ↓ металлоёмкость и массу конструкции. Для получения наиб вязкости в высокопрочном состоянии среднеугл высокопрочные стали подвергают изоТ и термомех обработке. Однако, следует иметь в виду, что применение высокопрочных сталей требует определённых мер предосторожности в связи с их склонностью к разрушению при наличии концентрационных напряжений, наводороживание, а также совм действие нагрузки и коррозионно-активных сред и т.д.. Это заставляет предъявлять особые требования к трещиностойкости высокопрочных сталей.