3.2 Леговані конструкційні сталі

Легуючі елементи вводять у сталі для підвищення конструкційної міцності. Найбільш дешевими легуючими елементами є кремній і марганець, відносно дорогими – хром, нікель, титан, ще більш дорогими – молібден і вольфрам. Тому останні із зазначених легуючих елементів додаються в невеликих кількостях до конструкційних сталей, які вмістять інші легуючі елементи.

По легованості сталі діляться на групи:

1) низьколеговані (менш 5 % легуючих елементів у сумі);

2) середньолеговані (від 5 до 10 %);

3) високолеговані (більше 10 % легуючих елементів).

Легуючі елементи, знижуючи швидкість дифузії всіх компонентів, знижують критичну швидкість охолодження при гартуванні, підвищують стійкість аустеніту, поліпшують гартування сталей. Можливість використання масла, як середовища для гартування, знижує жолоблення деталей, тому масло доцільно використовувати при загартуванні виробів малих розмірів. Наявність легуючих елементів у сталях позначається в маркуванні літерами російського алфавіту: А – азот (але буква обов'язково ставиться в середині марки, тому що буква А в кінці означає, що сталь високої якості), Б – ніобій, В – вольфрам, Г – марганець, Д – мідь, Е – селен, К – кобальт, М – молібден, Н – нікель, П – фосфор, Р – бор (ставиться обов'язково наприкінці марки), С – кремній, Т – титан, Ф – ванадій, Х – хром, Ц – цирконій, Ч – рідкісноземельні елементи, Ю – алюміній. Вміст компонентів в відсотках записується цифрами, що розташовуються у маркуванні після позначення елемента. Якщо вміст елемента менше 1,5 %, то за літерним позначенням цифра не ставиться. Вміст вуглецю у легованих сталях позначається двозначним числом, що відповідає сотим часткам відсотка, напр., сталь 40ХН означає, що вона містить 0,4 % вуглецю й приблизно по 11,5 % хрому й нікелю. Сталь 18Х2Н4МА – 0,18 % вуглецю, 2 % хрому, 4 % нікелю, менш 1 % молібдену й відноситься до високоякісних сталей (літера А наприкінці маркування).

До числа низьколегованих конструкційних сталей відносяться 17ГС (0,17% С, 11,2 % Мn, до 0,7 % Si), 14ХГС, 35ХМ, 40ХН, 30ХГСА й ін.

Хромисті сталі 15Х, 20Х відносяться до числа дешевих сталей нормальної міцності (σ_в = 700 МПа, δ = 12 %). Ці сталі піддаються цементації, в результаті чого, твердість поверхневих шарів досягає 58 – 62 одиниці НRС. Їх використовують для виготовлення невеликих деталей (перерізом до 25 мм), які працюють при середніх навантаженнях.

Більш високі міцності властивості досягаються в хромонікелевих сталях 20ХНЗА, 12Х2Н4А. Після гартування й відпуску міцність цих сталей досягає 850860 МПа, при δ = 1011 %. Ще більш висока міцність досягається у сталях 18Х2Н4ВА й 1Х2Н4М (до σ_в = 950 МПа, δ = 12 %).

3.3 Високоміцні леговані сталі

До високоміцних відносяться сталі, межа міцності яких досягає 1800-2000 і більше МПа, але обов'язково у сполученні з певним запасом в'язкості (а_к не повинна бути менш 0,2 МДж/м²). Зазначеним сполученням властивостей володіють:

1) середньовуглецеві сталі після їх термомеханічної обробки, або комплекснолеговані після низького відпуску;

2) мартенситно-старіючі сталі;

3) метастабільні аустенітні сталі, що одержали назву ПНП і ПНД сталі.

Із числа середньовуглецевих сталей, властивості яких підвищуються тільки термообробкою (гартування з 900ºС + відп. 250ºС), можна відзначити сталі марок 30ХГСНА, 40ХГСН3ВА. Їхні властивості характеризуються для першої (σ_в=1850 МПа, KCU=0,55 МДж/м²), для другої (σ_в=2000 МПа, KCU=0,45 МДж/м²). При поєднанні термомеханічної обробки з деформацією досягаються ще більш високі показники властивостей. Так, у сталі 40ХГСНЗА можна досягти σ_в= 2200-2400 МПа. Високі механічні властивості досягаються за рахунок роздрібнювання кристалів мартенситу й високої щільності дислокацій.

У мартенситно-старіючих сталях високі механічні властивості досягаються в результаті старіння мартенситу, тобто виділення в кристалах мартенситу дрібнодисперсних інтерметалічних з'єднань. Мартенситно-старіючими є низьковуглецеві (із вмістом вуглецю не вище 0,03 %) сплави заліза з нікелем та іншими компонентами (кобальтом, титаном, вольфрамом, молібденом). Варто особливо підкреслити, що після гартування такі сталі ще не є високоміцними, тому що міцність безвуглецевого мартенситу, який утворюється після гартування, низька. І тільки після старіння (при 480520 ºС) у сталях зазначеного класу досягається міцність 20002500 МПа при ударній в'язкості KCU=0,5 МДж/м². Відзначена особливість зміцнення цих матеріалів дозволяє деформувати сталі з більшими ступенями обтиснення (виготовляти штампуванням вироби потрібної форми), або проводити інші типи деформації.

До числа мартенситно-старіючих сталей відносяться 03Н18К9М5Т. Після гартування її міцність становить 10001100 МПа, (δ = 18-20% і KCU=2,0 МДж/м²), а після старіння (σ_в= 19002000 МПа, відносне подовження 812 %, а KCU=0,6 МДж/м². Ще більш високим комплексом властивостей володіє сталь

03Н12К15М10, її міцність досягає 2500 МПа при KCU=0,5 МДж/м². Слід зазначити, що мартенситно-старіючі сталі зберігають високі експлуатаційні властивості в широкому інтервалі температур (від – 196 ºС до 500700 ºС).

Метастабільні аустенітні ПНП і ПНД сталі одержали свою назву в результаті скорочення наступних словосполучень; ПНП – пластичність, наведена фазовим перетворенням (іноді їх називають трипп-сталями за абревіатурою англійської транскрипції – transformation Induced Plasticity), а ПНД означає пластичність, наведену двійникуванням, тобто зсувною деформацією кристалічних ґраток. До ПНП сталей відносяться сталі марок 25Н24М4Г і 30Н12Х9Г2. До ПНД сталей відносять 60Г14Ф2, 50Г20Х4, 40Х4Г18Ф. У ПНД сталях значення σ_в досягають 15501600 МПа, при пластичності δ= 1722 %, у ПНП σ_в до 2300500 МПа, при δ = 2530 %.

Високоміцні сталі, розглянуті вище, відносяться до числа порівняно нових матеріалів і тому галузі їхнього використання поки ще не такі широкі, як вони того заслуговують. Мартенситно-старіючі сталі вже широко використовуються для виготовлення високоміцних штампів та ін. інструментів. У харчовий промисловості їх доцільно використовувати як матриці при виробництві макаронних виробів, різних пружин, що працюють у вузлах при підвищених температурах. ПНП і ПНД сталі доцільно використовувати для вузлів устаткування, що працює при високих циклічних навантаженнях.

Література: 1, 3.