12. Упрочнение металлических материалов

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. Стали должны обладать высоким пределом текучести _, являющимся основной характеристикой при расчетах деталей машин и конструкций, в сочетании с высокой пластичностью (), сопротивлению хрупкому разрушению (KCU, KCT, K_1c) и низким порогом хладноломкости (Т₅₀). Долговечность работы изделия зависит от сопротивления усталости (_), износа и коррозии. Все это определяет конструктивную прочность стали.

Повышение прочности стали достигается твердорастворным (_), дислокационным (_Д), дисперсным (_ДУ), зернограничным (_З) и субструктурным (_с) упрочнением, получаемым путем термической, термомеханической, химико-термической и деформационной обработок, а также подбором составом стали.

Величина _ предел прочности определяется суммарным вкладом каждого механизма упрочнения:

_  _  _  _Д  _ДУ  _З  _П,

где _ = 2*10^-4 G; _ - твердо-растворное; _Д - дислокационное; _ДУ - дисперсионное; _З - зерно граничное; _П - перлитное упрочнение.

Повышение прочности (_) обычно сопровождается понижением пластичности (), вязкости (K_1c). Только измельчение зерна аустенита, вызывая повышение _, понижает порог хладноломкости, 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.

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 свариваться всеми видами сварки.

Таблица 5. Механизм упрочнения стали

Механизм упрочнения	Структура	Компоненты механизма упрочнения	Расчетная формула
Твердорастворный	Феррит + Перлит	Легирование феррита	 = ki Ci
	Мартенсит	Легирование мартенсита
Дислокационный	Феррит + Перлит	Дислокации в структуре феррита ( = 10^7-10^8 см^-2)	Д =  G b^1/2
	Мартенсит	Дислокации в структуре мартенсите ( = 10^10-10^12 см^-2)
Дисперсный	Феррит + Перлит	Дисперсные фазы	 = 2,4П
	Мартенсит	Дисперсные фазы	ДУ = 0,84  Gb2 х кД ln (/2b)
Зернограничный	Феррит + Перлит	Размер зерен и субзерен феррита	З = kУ d^–1/2
	Мартенсит	Размер мартенситных пакетов, двойников. Размер субзерен в мартенситном пакете	C = kC l^–m, где m = 0,5-1,0
Примечание. G – модуль сдвига железа (G  84000 МПа); ki - коэффициент упрочнения -Fe i –м легирующим элементом; Ci – концентрация i-го элемента в -Fe; M0 – ориентационный множитель ( для -Fe M0 =2,75); b - вектор Бюргерса (b=0,25 нм);  -расстояние между частицами; kД - коэффициент, определяющий тип дислокаций (kД =1,25); П - % перлита в структуре;  - коэффициент ( = 0,5);  - плотность дислокаций; kУ – коэффициент упрочнения (kУ =20 Н/мм3/2); d - размер зерна; kС – коэффициент , учитывающий строение субструктуры (kс =0,13 Н/мм при m = 1); l – размер субзерен.

13. Легирование сталей

В качестве легирующих элементов чаще используют - марганец, кремний и хром, добавочно легируют титаном, ванадием и бором. При изготовлении высоконагруженных деталей для легирования используют никель, молибден, вольфрам, ниобий и другие.

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.

Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали. Высоколегированные стали, как правило, имеют специальное назначение ( коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.).

13.1. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Легирование увеличивает прокаливаемость сталей и измельчает зерно. Благодаря этому повышается предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют марганцем, хромом и бором, реже никелем и молибденом.

Легирование стали небольшим количеством ванадия, титана, ниобия и циркония, образует трудно растворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и повышает стойкость карбидов.

Молибден и вольфрам подавляют обратимую отпускную хрупкость, повышают прокаливаемость, повышают твердость.

Кремний замедляет процесс отпуска мартенсита и является полезным легирующим элементом для сталей, подвергаемых изотермической закалке.

13.2. Маркировка легированных конструкционных сталей. Легированные конструкционные стали маркируются цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают на среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент.

Таблица 6. Маркировка легированных конструкционных сталей.

Обозначение	Элемент
А	азот
Б	ниобий
В	вольфрам
Г	марганец
Д	медь
Е	селен
К	кобальт
Н	никель
М	молибден
П	фосфор
Р	бор
С	кремний
Т	Титан
Ф	Ванадий
Х	Хром
Ц	Цирконий
Ч	редкоземельный
Ю	Алюминий

Цифры после букв указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах; отсутствие цифр указывает, что среднее содержание легирующего элемента не превышает 1,0 - 1,5 %.

Высококачественная сталь содержит меньше вредных примесей и обозначается буквой "А", помещенной в конце марки.

Если буква "А" расположена в середине марки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азотом, 0,015-0,025 %, а если в начале марки (например, А40) - сталь автоматная, содержащая 0,4 %С.

Индекс "АС" в начале марки указывает, что сталь автоматная легированная свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается буквой "Ш" (например 30ХГСА-Ш), располагаемой в конце марки.

Некоторые элементы -V, Ti, Nb, Zr, B, N и др. - нередко присутствую в сотых долях процента, оказывая при этом существенное влияние на свойства стали. Поэтому они рассматриваются, как легирующие элементы (микролегирование), что отражается в марке стали.

14. Специальные стали

Специальные стали это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки.

14.1. Строительные низколегированные стали.

Низколегированными называются стали, содержащие не более 0,22 %С и сравнительно небольшое количество легирующих элементов.

Таблица 7. Содержание легирующих элементов в строительных низколегированных сталях.

M n	Si	Cr	Ni	Cu	V	Ti	N
до 1,8 %	До 1,2 %	до 0,8 %	до 0,8 %	до 0,5 %	до 0,15 %	до 0,03 %	до 0,15%

09Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 14Г2, 17ГС, 15ГФ, 15Г2СФ, 10Г2Б, 15ХСНД, 10ХНДП.

Низколегированные стали хорошо свариваются.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, уменьшая размер зерна и увеличивая склонность аустенита к переохлаждению, способствует измельчению карбидной фазы, поэтому низколегированные стали по сравнению с углеродистыми сталями обыкновенного качества (Ст2, Ст3, Ст4) имеют более высокие значения временного сопротивления и предела текучести при сохранении хорошей пластичности, меньшей склонности к старению и хрупким разрушениям (низкий порог хладноломкости). Ударная вязкость (KCU) эти сталей, при 20⁰С составляет около 0,6 МДж/м², при –40⁰С – 0,3-0,35 МДж/м², и при –70⁰С – 0,25-0,3 МДж/м².

Ведение меди, никеля или одновременно меди и фосфора увеличивают коррозионную стойкость в атмосферных условиях (15ХСНД, 10ХНДП) и понижает порог хладноломкости.

Низколегированные стали иногда поставляют после нормализации (или нормализации и высокого отпуска). Нормализация несколько повышает временное сопротивление и предел текучести и, измельчая зерно, улучшает пластичность и вязкость, уменьшая склонность к хрупкому разрушению. Некоторые стали (14Г2, 17ГС, 15ХСНД) применяют после закалки и отпуска, что значительно повышает их прочность, понижает порог хладноломкости.

Хорошее сочетание механических и технологических свойств достигается при легировании низкоуглеродистой марганцовистой стали 0,07 - 0,15 V и 0,015 - 0,025 N. При взаимодействии ванадия с азотом образуется карбонитриды ванадия, позволяющий получить сталь с очень мелким зерном и низким порогом хладноломкости.

Стали 14Г2АФ, 167Г2АФ, 18Г2АФ упрочняются благодаря дисперсному упрочнению.

Таблица 8. Механические свойства сталей 14Г2АФ, 167Г2АФ, 18Г2АФ

 , МПа	2 , МПа	,%	KCU МДж/м^2
			- 40^0C	-70^0C
500 - 600	400 – 450	20	0,4	0,3

Повышение механических свойств и снижение порога хладноломкости сталей может быть достигнуто контролируемой прокаткой.

Марку стали выбирают исходя из вида сооружения (элемента конструкции), условия эксплуатации и расчетных температур, характера и величины действующих нагрузок и т.д. Стали применяемы для стальных конструкций, подразделяют на условные классы, исходя из соотношения __2

К классу С 380/230 относятся стали с нормальной прочностью, к классам С 460/330 и С 520/400 - стали повышенной прочности, к классам С 600/450, С 700/600 и С 850/750 - стали с высокой прочностью.

Вспомогательные конструкции зданий и сооружений, а также клепанные конструкции изготавливают из стали классов С 380/230, С 440/290 и С 520/400.

Мосты для автотранспорта изготовляют из сталей классов С 460/330 – С700/400. (15ХСНД, 10ХСНД, 10Г2С1Д, 16Г2АФ). Гусеничные и шагающие экскаваторы, тяжелонагруженные элементы несущих металлоконструкций изготовляют из сталей классов С 700/600 – С 850/750 (12Г2СМФ, 14ГСМФР). Для резервуаров больших объемов, газгольдеров и других емкостей рекомендованы стали классов С 460/330 – С 700/600 (09Г2С, 16Г2АФ, 10Г2С1, 12Г2СМФ и др.)

Для сварных магистральных газопроводных труб сталь должна обладать хорошей свариваемостью, высоким значением прочности и достаточными пластичностью, вязкостью и сопротивлением хрупкому разрушению при температуре монтажа и службы газопровода в нормализованном состоянии.

14.2. Арматурные стали.

Для армирования железобетонных конструкций применяют углеродистую или низколегированную сталь в виде гладких и периодического профиля стержней, так называемые арматурные стали.

Таблица 9. Некоторые арматурные стали.

Класс стали	Сталь	, МПа	2, МПа	,%
A-I A-II A-III A-IV A-V A-VI	Ст3 (сп, пс, кп) Ст5сп2,18Г2С 35ГС, 25Г2С 80С, 2-ХГ2Ц 23Х2Г2Т 22Х2Г2АЮ, 22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР	380 500 600 900 (800) 1050(1000) (1200)	240 300 400 600(600) 800(800) (1000)	25 19 14 6(7) (7) (6)
Примечание. Без скобок даны гарантируемые свойства в горячекатаном состоянии, в скобках - после термомеханического и термического упрочнения.

Стали классов A-I A-II и A-III применяют для ненапряженных конструкций, а стали - A-IV -A-VI - для армирования предварительно напряженного железобетона.

14.3. Стали для холодной штамповки.

В автомобильной и многих других отраслях промышленности для изготовления деталей широкого применяю холодную штамповку из листовой стали.

Для обеспечения высокой штампуемости отношение __2 = 0,5-0,65 при  < 40 %. Чем больше углерода, тем хуже штампуемость. Поэтому для холодной штамповки более широко используют холоднокатаные кипящие стали 08кп, 08Фкп (0,02-0,04 %V) и 08Ю (0,02-0,07 Al). Введение ванадия и алюминия снижает склонность низколегированных сталей к деформационному старению, образуя нитриды. Штампуемость зависит от величины зерна. Рекомендуется сталь с зерном номерами 6 - 8.

Для штамповки изделий, требующих повышенной прочности, применяют низколегированные "двухфазные стали" со структурой феррита и мартенсита (бейнита) в количестве 20 - 30 %.Такая структура получается в низкоуглеродистых сталях (0,06-0,12 %С) низколегированных (09Г2С, 09Г2, 16ГФР, 10Г2Ф, 12ХМ) после закалки в воде из меж критического интервала температур (Ас₁ - Ас₃).

При такой закалке сталь обладает высокой пластичностью, низким пределом текучести (менее 450МПа) и высоким временным сопротивлением более 700 МПа (__2 = 0,5). Это облегчает выполнение глубокой штамповки без образования трещин. В процессе штамповки за счет деформационного упрочнения (наклепа) и старения существенно повышаются _ и _2.

Холодная пластическая деформация сталей с ферритно-бейнитной (09Г2С, 09Г2) или ферритно-мартенситной (16ГФР) структурой обеспечивает повышение _ на 10-15 МПА на каждый процент степени деформации. Однако отношение (__2) после 10% ой деформации сохраняется на уровне 0,85-0,88 против 0,94--,96 для сталей с ферритно-перлитной структурой.

Конструкционные (машиностроительные) цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали.

14.5. Цементируемые (нитроцементируемые) конструкционные стали.

Цементацию (нитроцементацию) широко применяют для упрочнения средне размерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин.

Для изготовления этих изделий применяются только низкоуглеродистые стали, хорошая прокаливаемость которых обеспечивается введением легирующих элементов, таких как хром и марганец.

Для измельчения зерна цементируемые стали микролегируют V, Ti, Nb, Zr, Al и N, которые, образуя карбиды, карбонитриды и нитриды, задерживают рост аустенитного зерна.

Для тяжело нагруженных деталей следует применять стали, легированные никелем (до 4 %) повышающим пластичность мартенсита. Для повышения прокаливаемости цементованного слоя вводится молибден (до 0,8 %).

В таблице 10 приведены состав, режимы термической обработки и механические свойства наиболее часто применяемых цементуемых сталей, предназначенных для изготовления изделий, работающих на износ в условиях знакопеременных ударных нагрузок.

Хромистые стали. Хром сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. (15Х, 20Х), При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей в масле и для крупных - в воде.

Хромованадиевые стали. Введение ванадия (20ХФ) в пределах 0,1-0,2 % улучшает механические свойства и снижает склонность к перегреву.

Хромоникелевые стали. Хромоникелевые стали обладают высокой прочностью и пластичностью. Введение никеля повышает вязкость сердцевины и цементируемого слоя. Эти стали малочувствительны к перегреву.

Хромомарганцевые стали. Марганец, сравнительно дешевый элемент, применяется как заменитель в стали никеля. Они применяются вместо дорогих хромоникелевых, хотя эти стали менее устойчивые к перегреву.

Таблица 10. Химический состав, термическая обработка и механические свойства некоторых цементуемых (нитроцементуемых) сталей.

Сталь	Содержание элементов					Термическая обработка			Механические свойства				Обрабатываемость резанием
	С	Mn	Cr	Ni	Др	Закалка tзак ^0С среда	Отпуск tотп ^0С среда		в, МПа	0,2, Мпа	, %	 	KCU МДж/м^2	НВ	Кv
Хромистая сталь
20Х	0,17-0,23	0,5-0,8	0,7-1,0	-	-	1. 880, в., м. 2. 770-820, в., м.	180 воз., м						0,6	131	1,7 (1,3)
Хромомарганцевые стали
18ХГТ	0,17-0,23	0,8-101	1,0-1,3	-	0,03-0,09	1. 880-950, воз 2. 870, м 880, м	200, воз., м.						0,8	156-159	1,0 -(0,9)
20ХГР	0,18-0,24	0,7-1,0	0,75-1,05	-	-		200, воз., м.						0,8	-	-
25ХГТ	0,22-0,29	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09	1. 880-950, воз 2. 850, м 860, м	200, воз., м.						0,6-0,7	-	-
25ХГМ	0,23-0,29	0,9-1,2	0,9-1,2	-	0,2-0,3		200, воз.						0,8	205-215	-
Хромоникелевые стали
12Х2Н3А	0,09-0,16	0,3-0,6	0,6-0,9	2,75-3,15	-	1. 860 м 2. 760-810, м	180 воз., м.						0,9	156-205	0,85 (0,75)
12Х2Н4А 20Х2Н4А	0,17-0,23	0,8-1,1	1,0-1,3	-	0,03-0,09	1. 860 м 2. 760 м 1. 860 м 2. 760 в,м	180 воз., м.		 	 	 	 	0,9 0,8	177	(0,45)
Хромомарганцево – никелевые стали
15ХГН2ТА	0,13-0,18	0,7-1,0	0,7-1,0	1,4-1,8	0,03-0,09	1. 960 воз 2. 840, м	180 воз., м.						1,0	-	-
Хромоникельмолибденовые стали
18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА)	0,14-0,20	0,25-0,55	1,35-1,65	4,0-4,4	0,3-0,4 0,8-1,2	1. 960 воз 2. 860, м	200, воз., м.						1,0	195-270	0,7 (0,5)
* 1 – первая закалка; 2 – вторая закалка; среда: в- вода, м – масло, воз. – воздух ** Кv – коэффициент обрабатываемости; определен относительно стали 45 (179 НВ), скорость резания которой принята за единицу; значения коэффициента без скобок приведены для резца, оснащенного твердым сплавом, в скобках для резца из быстрорежущей стали.

Хромомаргацево-никелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. На ВАЗе широко применяются стали 20ХГМН (0,18-2,3 %C, 0,7-1,1 % Mn, 0,4 -0,7 %Cr, 0,15-0,25 % Mo), а также 19ХГН и 14ХГН, содержащие по 0,8 - 1,1 % Mn, Cr и Ni. После закалки и низкого отпуска эти стали имеют следующие механические свойства (таблица 11).

Таблица 11 Механические свойства сталей 20ХГМН, 19ХГН и 14ХГН

 , МПа	2 , Мпа	,%	KCU, МДж/м^2
1100 -1200	850-950	7-8	0,6-0,8

Стали, легированные бором. Для цементации (нитроцементации) используют так же сталь, содержащая бор (0,001-0,005 %). Бор повышает устойчивость переохлажденного аустенита в области перлита и поэтому увеличивает прокаливаемость. В промышленности применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР

Таблица 22Механические свойства сталей 20ХГР и 19ХГНР

 , МПа	2 , МПа	,%	KCU, МДж/м^2
1300	1200	10	0,9

14.6. Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали.

Многие детали машин (коленчатые валы, валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин и др.) изготовляют из среднеуглеродистых сталей (0,3 - 0,5 % С) и подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению). После такой обработки структура стали - сорбит. Сталь должна иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости (KCU, KCT, K_1c). Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительности к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К_1с. В таблице 13 приведены наиболее распространенные улучшаемые стали. Механические свойства будут зависеть от той термической обработки, которую проходит сталь, и прежде всего от принятой температуры отпуска.

Таблица 13 Химический состав, термическая обработка и механические свойства некоторых легированных улучшаемых сталей

Сталь

Содержание элементов

Термическая обработка

Механические свойства

Обрабатываемость резанием

С

Mn

Cr

Ni

Др

Закалка tзак ^0С среда

Отпуск tотп ^0С среда

в, МПа

0,2, Мпа

, %

 

KCU МДж/м^2

НВ

Кv

Хромистые стали

30Х

0,24-0,32

0,5-0,8

0,8-1,1

-

-

860, м

500, в., м.









0,7

163

(0,95)

40Х

0,36-0,44

0,5-0,8

0,8-1,1

-

-

860, м

500, в.,м.









0,6

163-169

0,8 (0,7)

Хромованадиевая сталь

40ХФА

0,37-0,44

0,5-0,8

0,8-1,1

-

0,1-1,18V

880, м.

650 в.м.









0,9

241

0,75 (0,65)

Хромомарганцевая сталь

40ХГТР

0,38-0,45

0,7-1,0

0,8-1,1

-

0,03- 0,09 Ti

840, м.

550 в.,м.









0,8

--

Хромомарганцевая кремнистая сталь

30ХГС

0,28-0,35

0,8-1,1

0,8-1,1

-

0,9-1,2 Si

880, м

540 в., м









0,4

207-217

0,85 (0,75)

Хромоникелевая сталь

40ХН

0,36-0,44

0,5-0,8

0,45-0,75

1,0-1,4

-

820, м.

550 в, м.









0,7

166-170

1,0 (0,9)

Хромоникельмолибденовая сталь

40ХН2МА

0,37-0,44

0,5-0,8

0,6-0,9

1,25-1,65

0,15-0,25 Мо

850, м

620 в., м.









0,8

-

-

Введение 0,1-0,2 V% (40ХФА) повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна без увеличения прокаливаемости. Эти стали применяются для изделий, работающих при повышенных динамических нагрузках.

Введение бора (0,002-0,005 %) увеличивает прокаливаемость хромистых сталей. Сталь с бором 35ХР (40ХР) имеет следующие механические свойства.

Таблица 14 Механические свойства сталей 35ХРи 40ХР

 , МПа	2 , МПа	,%	,%	KCU, МДж/м^2
800	950-1000	12	50	0,9

Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом и марганцем позволяет получить стали с достаточной высокой прочностью и прокаливаемостью ( например 40ХГ). Однако они имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости, склонность к отпускной хрупкости и росту зерна при аустените. Введение титана уменьшает склонность к перегреву, а бора - увеличивает прокаливаемость.

Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций. Сталь 30ХГС подвергают улучшению, способствующие получению более высокие механические свойства и снижающей чувствительность к надрезам.

Таблица 15. Механические свойства сталей 30ХГС

 , МПа	2 , МПа	,%	,%	KCU, МДж/м^2
1650	1300	9	40	0,4

Более высокая прокаливаемость и лучшая вязкость достигается при введении никеля (30ХГСНА). Эта сталь после изотермической закалки или закалке в масле с низким отпуском при 200⁰С позволяет получить следующие механические свойства.

Таблица 16. Механические свойства сталей 30ХГСНА

 , Мпа	2 , МПа	,%	,%	KCU, МДж/м^2
1650	1400	9	-	0,6

Хромоникелевые стали. Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяют для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при вибрационных и динамических нагрузках. Никель обеспечивает наибольший запас вязкости, а в сочетании с хромом и молибденом - большую прокаливаемость, сильно снижая порог хладноломкости. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкости. Для предотвращения этого дефекта дополнительно легируют молибденом или вольфрамом.

Хромоникелемолибденованадиевые стали. Нередко в хромоникелевую сталь кроме молибдена или вольфрама вводят ванадий, который способствует получению мелкозернистой структуры. Большая устойчивость переохлажденного аустенита обеспечивает высокую прокаливаемость, что позволяет упрочнять термической обработкой крупные детали. Молибден повышает ее теплостойкость (400 - 450⁰С) . Недостатком этой стали является трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов.

14.7. Стали с повышенной обрабатываемостью резанием.

Обрабатываемость резание является одной из важных характеристик стали, поэтому в промышленности широко применяются так называемые автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности.

Наиболее часто применяют автоматные углеродистые стали А12, А20, А40Г, имеющие повышенное содержание серы (0,08-0,3 %), фосфора (0,05 %) и марганца (0,7-1,0 %). Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца MnS, включение которой обеспечивают короткую ломкую стружку. Фосфор, повышая твердость, прочность и охрупчивая сталь, так же способствует образованию ломкой стружки и получения высокого качества поверхности. Несмотря на это эти стали имеют низкий предел выносливости. Поэтому в настоящее время разрабатывается новый ряд сталей повышенной обрабатываемостью, легированных порознь или совместно Pb, Se, Te, Ca, включения которых играют роль смазки, препятствующий схватыванию инструмента с материалом обрабатываемой детали, что и облегчает образование и отделение стружки.

Стали содержащие 0,150 - 0,30 % Pb (АС12ХМ, АС30ХМ, АС38ХГМ и др.) позволяют повысить скорость резания 100-120 м/мин. на 20 -25 % . Для увеличение скорости резания свинец заменяют селеном (А45Е, А40ХЕ).

Применение нашли дешевые стали, повышенной обрабатываемости, содержащие кальций (АЦ45Х, АЦ40Г, АЦ490Г2, АЦ20ХН3 и др.) Они также дополнительно легируются свинцом или теллуром, а также селеном.

Присадки, повышающие обрабатываемость, понижают конструктивную прочность стали.

14.8. Мартенситостареющие высокопрочные стали.

Высокая конструктивная прочность изделия достигается только тогда, когда оно изготовлено из материала, обладающего большой прочностью и высоким сопротивлением хрупкому разрушению. Эти требованиям отвечают безуглеродистые ( 0,03 % С) мартенситностареющие (МС) стали, упрочняемые закалкой и последующим старением.

МС стали представляют собой сплавы железа с никелем или кобальтом (8-20 %). Для протекания процесса старения в мартенсите сплавы дополнительно легируют титаном, алюминием, молибденом и др. Высокая прочность МС сталей обязана образованию твердого раствора железа и легирующих элементов, мартенситному превращению, сопровождающемуся фазовым наклепом и старению мартенсита, когда происходит образование сегрегаций, метастабильных и стабильных фаз типа Fe₃Mo, Ni₃Mo, Ni₃Ti, NiAl, (Fe,Co)₂Mo. Высокое сопротивление хрупкому разрушению объясняется пластичностью и вязкостью безуглеродистого мартенсита.

Сталь Н18К9М5Т закаливают на воздухе от 820 - 850⁰С, в результате которого получается безуглеродистый реечный мартенсит, имеющий наряду с низкой прочностью хорошие пластичность и вязкость.

Таблица 17. Механические свойства стали Н18К9М5Т

,МПа	2, МПа	,%	,%	KCU, МДж/м^2
1100-1200	950-1000	18-20	70-80	2,0-2,5

Они хорошо обрабатываются давлением, резанием и хорошо свариваются. Старение при 480-520⁰С повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость.

Таблица 18. Механические свойства сталей Н18К9М5Т после режима термообработки.

, МПа	2, МПа	,%	,%	KCU, МДж/м^2	НRC
1900-2100	1800-2000	8-12	40-60	0,4-0,6	52

Кроме стали Н18К9М5Т нашли применение менее легированные мартенситно-стареющие стали Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т (_=1400-1500МПа) Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (_ =1600-1800 МПа).

У МС сталей порог хладноломкости на 60-80⁰С ниже, чем у углеродистых высокопрочных сталей, а работа распространения трещин, вязкость разрушения КСТ значительно выше. Также они имеют высокий предел упругости (_0002 = 1500 МПа) и поэтому могут применятся для изготовления пружин.

При понижении температуры прочность возрастает, но при сохранении повышенной пластичности и вязкости. Они относятся к коррозионно-стойким (03Н10Х11М2Т). Они применяются в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике.

14.9. Рессорно-пружинные стали общего назначения.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения.

Стали для пружин должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (_{} _), пределом выносливости (_1) и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.

Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5 %С и быть подвергнуты термической обработке - закалке и отпуску.

В таблице 19 приведены режимы термической обработки и механические свойства некоторых рессорно-пружинных сталей.

Таблица 19. Режимы термической обработки и механические свойства пружинных сталей.

Сталь	Температура, ^0С		Механические свойства
	закалка	отпуск	 , МПа	2 , МПа	,%	,%
65 85 50С2 55С2А 70С3А 60С2ХФА 65С2ВА 60С2Н2А	840 820 870 870 860 850 850 880	480 480 460 460 460 410 420 420	800 1100 1100 1400 1600 1700 1700 1600	1100 1150 1200 1600 1800 1900 1900 1750	10 8 6 6 6 5 5 6	35 30 30 20 25 20 20 20

Таблица 20. Механические свойства стали 110Г13Л

 , Мпа	2 , МПа	,%	,%	НВ
800-1000	250-350	35-45	40-50	180-220

Сталь с аустенитной структурой характеризуется низким пределом текучести и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках, когда происходит деформационное упрочнение аустенита с образованием мартенсита. При небольших ударных нагрузках износостойкость стали невелика.

При повышенном одержании фосфора сталь 110Г13Л хладноломкая, поэтому ее содержание должно быть ограничено (менее 0,02-0,03 %), особенно при использовании стали в северных районах.

Высокой стойкостью при циклическом контактно-ударном нагружении и ударно-абразивном изнашивании обладает литая сталь 60Х5Г10Л, претерпевающая при эксплуатации мартенситное превращение.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом (30Х10Г10, 0Х14АГ12, 0Х14Г12М), испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.

В процессе работы изделий, подверженных кавитационной эрозии, деформация и разрушение поверхностных слоев приводят к тому, что на поверхности под действием гидравлических ударов образуется новый слой мартенсита, обладающий высокой прочностью. Многократное повторение этого процесса объясняет высокую стойкость сталей с метастабильным аустенитом.

14.10. Коррозионностойкие жаростойкие стали и сплавы

Коррозионная стойкость стали. Коррозией называют разрушения металлов под действием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавчиной). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.

Различают химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Механизм электрохимической коррозии сводится к следующему, Если электролит поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент, при этом металл, который легче, отдает электроны, служит анодом, а другой - катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается. Аналогично микрогальванические элементы возникают между различными фазами и даже в чистых металлах, где роль анода играют границы зерен и другие дефектные участки , а роль катода - тело зерна.

Существует несколько видов электрохимической коррозии:

- равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности;

- локальная коррозия, которая в свою очередь подразделяется на точечную, пятнистую и с язвами;

- интеркристаллитная коррозия, распространяющая по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Она опасна тем, что без заметных внешних признаков быстро проникает по границам зерен вглубь, резко снижая механические свойства.

Сталь устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах называют окалиностойкой (жаростойкой).

Стали, устойчивые к электрохимической, химической, межкристаллитной и другими видам коррозии, называю коррозионно-стойкими (нержавеющими).

Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающей электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Жаростойкие стали сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введение в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃. Введение в сталь 5-8 % Cr до 15-17% делает сталь окалиностойкой до 950 - 1000⁰С, а при введении 25 % Cr сталь остается окалиностойкой до 1100⁰С. Легирование сталей с 25 % Cr алюминием в количестве 5% повышает окалиностойкость до 1300⁰С. Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от структуры, в связи окалиностойкость ферритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей машин, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т) и аустенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2) стали, обладающие жаропрочностью.

Коррозионно-стойкие стали. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10%) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10%) структуру.

Таблица 21. Химический состав и механические свойства (средние) некоторых коррозийностойких сталей.

Сталь	Содержание основных элементов, %				Механические свойства
	C	Cr	Ni	Другие элементы	 , МПа	2 , МПа	,%	,%
Стали мартенситного класса
20Х13	0,16- 0,25	12-14	-	-	850	650	15	50
30Х13	0,26- 0,35	12-14	-	-	950	700	15	50
40Х13	0,36- 0,45	12-14	-	-	1150	900	12	30
Сталь мартенситно - ферритного класса
12Х13	0,09- 0,15	12-14	-	-	750	500	20	65
Стали ферритного класса
12Х17	0,12	16-18	-	-	520	350	30	75
15Х25Т	0,15	24-27	-	5С-0,9 Ti	540	-	40	70
015Х17Т2Б	0,015	16,5-18,5	-	1,5-2,0 Mo 0,3-0,5 Nb	450	280	30	60
Стали аустенитного класса
12Х18Н9	0,12	17-19	8-10	-	520	360	30	75
10Х14Г14Н4Т	0,10	13-15	2,5-4,5	5С-0,6 Ti 13-15 Mn	620	280	45	60
10Х14АГ15	0,10	13-15	-	0,15-0,25 N 14-16 Mn	750	300	45	55
10Х17Н13М3Т	0,10	16-18	12-14	5С-0,7 Ti	580	280	40	60
Стали аустенитно-ферритного класса
08Х21Н6М2Т	0,08	20-22	5,5-6,5	1,8-2,5 Mo 0,2-0,4 Ti	750	450	50	55
09Х15Н8Ю	0,09	14-16	7-9	0,7-1,3 Al	1250	1000	20	50

Стали ферритного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. При введении в сталь 12-14 % хрома ее электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде, в ряде слабы растворов кислот, солей и щелочей. Стали данного типа (12Х13) при равновесии относятся к полуферритным, а после закалки в масле или в воздухе с высоких температур имеет структуру мартенсит и феррит (ферритно-мартенситная сталь). Стали 20Х13, 30Х13 и 40Х13 после охлаждения на воздухе имеют в структуре мартенсит.

Сталь обладает лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что весь хром в стали приходится на долю твердого раствора. Только в этом случае он образует на поверхности плотную защитную оксидную пленку (Cr,Fe)₂O₃. Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифованной и полированной поверхности.

Стали аустенитного класса. Эти стали обычно легируют хромом и никелем или марганцем, после охлаждения до нормальной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12. Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других агрессивных средах и широко используются для изготовления химической аппаратуры.

Стали аустенитно-ферритного класса содержат 18-22% Сr , 2 -6 % Ni и некоторое количество молибдена и титана. Они обладают более высокой прочностью при удовлетворительной пластичности и лучшей сопротивляемости интеркристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию.

Стали аустенитно-мартенситного класса. Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферных коррозии обладают высокими механическими свойствами и хорошо свариваются. Механические свойства указанной стали зависят от количества образовавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой холодом. Если количество мартенсита превысит 40 %, то пластичность стали заметно падает. Большее упрочнение можно достигнуть нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки и волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации. Дальнейшее упрочнение достигается старением.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Аустенитные (аустенитно-ферритные) стали не обеспечивают достаточно высокой коррозионной стойкости в таких средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях используются сплавы на железоникелевой основе, имеющие после закалки от 1050 - 1100⁰С и старением при 650 - 700⁰С структуру аустенит и интерметаллидную ' - фазу типа Ni₃(Ti, Al). Сплав предназначен для работы при больших нагрузках растворах серной кислоты. Для работы в азотной кислоте применяют сплав Н70МФ. Наиболее широкое распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, соляно кислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах. Никелевые сплавы используются после закалки от 1070⁰С. Структура сплавов - - или - твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа М₆С и VC (Х70МФ).

Таблица 22. Химический состав и механические свойства коррозионной стойких сплавов на железоникелевой основах.

Сталь	Содержание основных элементов, %				Механические свойства
	Cr	Ni	Mo	Др	 , МПа	2, МПа	,%
04ХН40МДТЮ	14-17	39-42	4,5-6,0	2,5-3,2% Ti 0,77-1,2 Al 2,7-3,3 Cu			
Н70МФ	-	Осн.	25-27	1,4-1,7 V	950	480	50
ХН65МВ	14,5-16,5	Осн.	15	3,0-4,5 W	1000	600	50

14.11. Криогенные стали.

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-183⁰С) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специальные криогенные стали и сплавы.

Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. При этом должны обладать высокой коррозионной стойкостью.

В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. для сварных конструкций, работающих при температуре до - 196⁰С, используют стали ОН6А, ОН9А. Стали применяют после двойной нормализации (при 900⁰С и 790⁰С) и отпуска при 560⁰С или после закалки вводе от 810 - 830⁰С и отпуска при 600⁰С. После такой обработки предел текучести _2 при нормальной температуре составляет 400-450 МПа, а при -196⁰С - 680-820 МПа (чем больше никеля, тем выше предел текучести). Сопротивление удару при температуре -196⁰С KCU = 1,0-1,3 МДж/м² . Из них изготовляются резервуары для хранения и транспортирования сжиженных газов при температуре не ниже -196⁰С.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы.

1. Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т (при -253⁰С _2 = 600 МПа и KCU = 1 МДж/м²). Высокий запас пластичности 12Х18Н10Т позволяет использовать ее после холодной пластической деформации с целью повышения прочности.

2.Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 (при -253⁰С _2 = 1150-1350 МПа и KCU = 1,0 -1,3 МДж/м²)

3. Аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Ти 03Х13АГ19 как заменители более дорогих хромоникелевых аустенитных сталей. Пластическая деформация может вызвать мартенситные превращения, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Аустенитные стали используются после закалки в воде от 1000 - 1050⁰С. При нормальных температурах предел текучести аустенитных сталей не превышает 400-450МПа.

14.12. Жаропрочные стали и сплавы

Жаропрочными называют стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течении определенного временит и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Повышение температуры влияет на все механические свойства: понижает модуль упругости, предел текучести и временное сопротивление. При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных статических испытаниях.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течении всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило называние ползучести. Развитие ползучести способно привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности.

Под условным пределом ползучести принимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость деформации (ползучести).

Предел ползучести обозначают  с числовыми индексами, например

⁷⁰⁰ _0,2/100 - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч. испытания при 700⁰С. При этом необходимо указать, как определялся предел - по суммарной и остаточной деформации. В случае определения по скорости ползучести предел ползучести определяют  с двумя числовыми индексами. нижний индекс означает заданную скорость ползучести (%/ч), верхний - температуру испытания, ⁰С ; например,  ⁶⁰⁰ ₁₀^-5 - предел ползучести при скорости 10^-5% /ч при температуре 600⁰С. Предел длительной прочности обозначается  с двумя числовыми индексами, например  ⁷⁰⁰₁₀₀₀ - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700⁰С.

Рабочие температуры современных жаропрочных сплавов составляют примерно (0,45 - 0,8) Т_пл. Требуемые сроки службы изменяются от 1-2 ч (ракеты) до сотен (авиационные газовые турбины) и многих тысяч часов (стационарные газовые и паровые турбины).

Деформация и разрушение при высоких температурах часто проходят по границам зерен, поэтому более крупное зерно способствует повышению жаропрочности, хотя при этом пластичность часто снижается. Жаропрочность тем выше, чем выше межатомные связи в кристаллической решетке металла, на базе которого построен сплав. В первом приближении можно сказать, чем выше температура плавления металла, тем больше сила межатомных связей и выше температурный уровень применения этих сплавов. Повышение жаропрочности достигается легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего диффузионные процессы разупрочнения задерживаются. С другой стороны легированием создается специальная структура, состоящая из матицы и выделившихся внутри ее дисперсных и дисперсионных карбидных, и особенно интерметаллидных, фаз, прочносвязанных с матрицей длительное время. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующим старением.

Жаропрочные сплавы для работы при высоких температурах (до 700-950⁰С) создаются на основе железа, никеля и кобальта, а для работы при очень высоких температурах (до 1200- 1500⁰С) - на основе молибдена и других тугоплавких металлов.

Жаропрочные стали. Жаропрочные стали благодаря сравнительно невысокой стоимости широко применяют в высокотемпературной технике. Рабочие температуры жаропрочных сталей 500-750⁰С. Чем сложнее по составу стали, тем выше легированность твердого раствора и больше упрочняющих фаз, тем выше их жаропрочность.

Таблица 23. Химический состав и свойства жаропрочных сталей при температуре 600⁰С.

Сталь	Содержание элементов, %					Предел длительной прочности
	C	Cr	Mo	V	Другие элементы	^60010^4, МПа	^60010^5, МПа
Стали перлитного класса
12Х1МФ	0,08-0,15	0,9-1,2	0,25-0,35	0,15-0,30	-	80	60
12Х1М1Ф	0,1-0,16	1,1-1,4	0,9-1,1	0,2-0,25	-	85	65
12Х2МФСР	0,08-0,15	1,6-1,9	0,5-0,7	0,2-0,35	0,4-0,7 Si; < 0,005 B	85	65
Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов
15Х11МФ	0,12-0,19	10-11,5	0,6-0,8	0,25- 0,40	-	97	-
18Х12ВМБФР	0,15-0,22	11-13	0,4-0,6	0,15-0,30	0,2-0,4 Nb; 0,4-0,7 W; < 0,003 B	180	150
18Х12ВМБФР	0,15-0,22	11-13	0,4-0,6	0,15-0,30	0,15-0,3 Nb; 0,55-0,85 W; 0,5-1,0 Ni; 0,5-1,0 Mn; < 0,08 B	180	140

Стали перлитного класса. Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000-200000 ч) при температурах не выше 500-580⁰С используются стали перлитного класса. Если рабочая температура не выше 400⁰С и давление 0,8 МПа, применяют нормализованные углеродистые стали 12К, 15К, 18К, 22К, поступающие в виде труб и листов. В марке "К" означает "котельная", а цифра - содержание углерода в десятых долях процента.

Таблица 24. Механические свойства сталей перлитного класса

 , МПа	2 , МПа	,%
360-490	220-280	24-19

Чем больше в стали углерода, тем выше прочность и ниже пластичность. Для более ответственных, паропроводных пароперегревательных труб с рабочей температурой 600⁰С применяют низколегированные стали, где тугоплавкие элементы образуют карбиды, тем самым вызывая дисперсионное упрочнение.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов. Для деталей узлов газовых турбин и паросиловых установок. Эти стали помимо высокого значения длительной прочности обладают высокой жаростойкостью. В зависимости от содержания хрома их относят или к мартенситному ( 10-11 %) или к мартенситно-ферритному (11-13 %) классу.

Стали применяются после закалки и последующего отпуска при 650-750⁰С. Высокие температуры закалки необходимы для растворения карбидов аустените. Более высокие температуры закалки приводят к образованию в структуре большого количества  -феррита, снижающего прочность. После отпуска структура сталей - сорбит.

Для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания применяют хромокремнистые стали мартенситного класса, получившие название сильхромов. При нагреве выше 500-600⁰С прочность сильхромов резко падает. Поэтому в форсированных двигателях и дизелях вместо сильхромов применяют жаропрочные аустенитные стали.

Стали аустенитного класса. Для получения структуры аустенита эти стали должны содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием и бором. Эти стали применяют для деталей, работающих при 500 - 750⁰С. Жаропрочность аустенитных сталей намного выше, чем жаропрочность перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных, ферритных.

Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

• твердые растворы, не упрочняемые старением;

• твердые растворы с карбидным упрочнением;

• твердыне растворы с интерметаллидным упрочнением.

Стали с интерметаллидным упрочнением более жаропрочны, чем стали с карбидным упрочнением. Для достижения высокой жаропрочности аустенитные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением подвергают термической обработке, состоящих из двух последовательных операций, приведенных ниже:

1. Закалка от 1050-1200⁰С в воде в масле или в воздухе. Такую закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.

2. Старение при 600-850⁰С, предназначенное для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь.

Таблица 25. Химический состав и пределы длительной прочности некоторых жаропрочных сталей

Сталь	Содержание элементов, %						100 , МПа при температуре, ^0С			Рабочая температура ^0С; назначение
	C	Cr	Ni	Si	Mn	Другие элементы	600	700	800
Сплавы с карбидным упрочнением
45Х14Н14В2М	0,4-0,5	13-15	13-15	-	-	2-2,75 W 0,25-0,4 Mo	220	-	-	До 600; диски газовых турбин, выпускные клапаны
40Х15Н7Г7Ф2МС	0,38-0,47	14-16	6-8	0,9-1,4	6,0-8,0	1,5-1,9 V 0,65-0,85 Mo	420	240	125	650; корпуса газовых турбин, лопатки, крепежные детали
37Х12Н8Г8МФБ	0,34-0,4	11,5-13,5	7-9	-	7,5-9,5	1,1-1,4 Mo 0,25-0,45 Nb 1,25-1,55 V	450	300	150	То же
Стали с интерметаллидным упрочнением
10Х11Н20Т3Р	До 0,1	10-12,5	18-21	-	-	2,3-2,8 Ti до 0,5 Al 0,008-0,02 B	-	300	100	500-750; камеры сгорания, кольцасоплового аппарата, сварные детали
10Х11Н23Т3МР	До 0,1	10-12,5	21-25	-	-	2,5-3 Ti до 0,8 Al 1-1,6 Mo 0,08-0,02 B	580	400	200	До 750; диски и лопатки газовых турбин
Стали на железной основе
ХН35ВТЮ	До 0,08	12-15	33-37	-	-	2,4-3,2 Ti 2,0-4,0 W 0,7-1,7Al 0,02 B	600	380	220	650-750; то же и прутки, полосы, поковки
ХН38ВТ	0,06-0,12	20-23	33-39	-	-	0,7-1,2 Ti 2,8-3,5 W	--	-	80-90	До 1100; детали из листа, работающего ограниченно при умеренных напряжениях.

К сталям с интерметаллидным упрочнением относится большая группа сложнолегированных сталей. Основной упрочняющей фазой является Ni₃Ti, а в присутствии алюминия Ni₃(Al, Ti). В период кристаллизации и при последующих термических обработках возможно образование карбидов типа МС. Содержание углерода должно быть не большим, так как образованные карбиды понижают жаропрочность аустенита. Бор упрочняет границы зерен аустенита в результате образования боридов.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе.

К этой группе сплавов относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе Наилучшие жаропрочные свойства сплава после первой закалки от 1050⁰С на воздухе и старении при 830⁰С 8ч.

Жаропрочные сплавы на никелевой основе.

Сплавы предназначены для изготовления рабочих лопаток, турбинных дисков, колец, крепежа с длительным сроком службы, сопловых лопаток и других деталей газовых турбин, работающих при температуре до 850⁰С. Для получения высокой окалиностойкости никель легируют хромом , а для повышения жаропрочности - титаном и алюминием. Для дальнейшего повышения жаропрочности никелевые сплавы легируют молибденом и вольфрамом, а также кобальтом. Введение бора и циркония устраняет вредное влияние примесей (серы, сурьмы, свинца и олова) на жаропрочность. Наиболее широко используются никелевые сплавы ХН77ТЮР. После закалки от 1080-1120⁰С сплав имеет структуру состоящую из перенасыщенного -раствора с ГЦК - решеткой, и поэтому обладает небольшой прочностью и высокой пластичностью. Необходимый уровень жаропрочности достигается после закалки и старения, когда из перенасыщенного  – никелевого раствора выделяется основная упрочняющая ’ – вторичная фаза.

Таблица 26. Химический состав и механические свойства некоторых жаропрочных никелевых сплавов при температуре 800⁰С.

Сплав	Содержание элементов, %. Никель – основа							Механические свойства
	Cr	Ti	Al	C	B	W	Другие элементы	В, МПа	^800100 ,МПа	
ХН77ТЮР ХН70ВМТЮ ХН55ВМТКЮ ХН65ВМТЮ	19-20 13-16 9-12 15-17	2,4-2,8 1,8-2,3 1,4-2,0 2,0-2,8	0,6-1,0 1,7-2,3 3,6-4,5 1,0-1,5	0,02 0,02 - 0,025	0,01 0,02 0,02 0,01	5-7 5-7 4,5-6,5 8,5-10	- 2-4 Mo 0,1-0,5 V 4-6 Mo 0,2-0,8 V 3,5-4,5 Mo	550 680 850 -	200 230-270 450 300	10 8 10 -

Таблица 27 Химический состав и предел длительной прочности литых никелевых сплавов

Сплав	Содержание элементов^1, %					^800100 МПа
	Cr	Ti	Al	Mo	Другие элементы
ЖС3 ЖС6К ВЖЛ12У	14-18 10,5-12,5 8,5-10,5	1,6-2,3 2,5-3,0 5,0-5,7	1,6-2,2 5,0-6,0 4,2-4,7	3,0-4,0 3,5-4,5 2,7-3,4	4,5-6,5 W 4,5-6,5 W 4,5 Co 1,0-1,8 W 12-15Co 0,5-1,0 V 0,015 B	300 520 520
^1 Содержание углерода 0,1 - 0,2 %

Направленная кристаллизация и особенно монокристаллическая структура повышает жаропрочность, однако технология получения сильно усложняется. Поэтому они применяются только в особо ответственных случаях. Литейные сплавы иногда подвергаются закалке от высоких температур и старению. Никелевые сплавы для повышения их жаростойкости подвергаются алитированию.

14.13. Инструментальные стали.

Инструментальными называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (60-65 HRC), прочностью и износостойкостью и применяемые для изготовления различного инструмента.

Для инструмента, требующего повышенной вязкости, например для штампов горячего деформирования, применяют стали, которые после закалки на мартенсит подвергают отпуску при более высокой температуре для получения структуры троостита или даже сорбита. Одной из главных характеристик инструментальных сталей является теплостойкость (или красностойкость), т.е. способность сохранять высокую твердость при нагреве (устойчивость против отпуска при нагреве инструмента в процессе работы).

Все инструментальные стали подразделяются на три группы:

не обладающие теплостойкостью (углеродистые и легированные стали, содержащие до 3-4% легирующих элементов), полутеплостойкие до 400 - 500⁰С (содержащие свыше 0,6-0,7 % С и 4 - 18 % Cr), и теплостойкие до 550-650⁰С (высоколегированные стали, содержащие Cr, W, V, Mo, Co, ледебуритного класса), получившие название быстрорежущих.

Другой важной характеристикой инструментальных сталей является прокаливаемость. Высоколегированные теплостойкие и полутеплостойкие стали обладают высокой прокаливаемостью.

Инструментальные стали, не обладающие теплостойкостью, делят на стали небольшой прокаливаемости (углеродистые) и повышенной прокаливаемости (легированные).

Маркировка инструментальных сталей.

Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой "У" (углеродистая); следующая за ней цифра (У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква "А" в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная.

Легированные инструментальные стали Х, 9Х, 9ХС, 6ХВГ и т.д. маркируют цифрой, показывающее среднее содержание углерода в десятых долях процента, если его содержание < 1 %. Если содержание углерода 1%, то цифра чаще отсутствует.

Буквы обозначают легирующие элементы, а следующие за ним цифры - содержание (в целых процентах) соответствующего легирующего элемента

Быстрорежущие стали маркируются буквой "Р". Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали - вольфрама В (в %). Среднее содержание молибдена (в % ) в стали обозначают цифрой, поставленной за буквой "М", кобальта - цифрой за буквой "К", ванадия - цифрой после буквы "Ф" и. т. д. Среднее содержание хрома в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4 % и поэтому в обозначении марки стали не указывается.

Стали для режущего инструмента. Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость в режущей кромке (HRC 62-68), значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется повышенной скоростью.

Углеродистые стали небольшой прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью. Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10(У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие мало устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров.

Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент) обычно применяют стали (У10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура - мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термообработки трооститную структуру.

Таблица 28 Сталь углеродистая инструментальная качественная

Марка стали	Химический состав, %					Твердость НВ	Примерное назначение
	C	Mn	Si	S	P
				не более		не более
У7	0,65-0,74	0,20-0,40	0,15-0,35	0,030	0,035	187	Для инструмента, подвергающегося ударам: зубила, штампы, кузнечные и слесарные молотки, плотничий инструмент (стамески, долота).
У8	0,75-0,84	"	"	"	"	187	Для инструмента, подвергающегося ударам: штампы, матрицы, пуансоны, пробойники, слесарный инструмент, пилы, зубила для угля, камня.
У9	0,85-0,94	0,15-0,35	"	"	"	192	Для инструмента требующего твердости и некоторой вязкости (штемпели, кернеры, столярный инструмент, зубила по камню)
У10	0,96-1,04	"	"	"	"	197	Режущий и мерительный инструмент (резцы, сверла, фрезы, метчики, калибры, плитки). Вытяжные, обрезные и вырубные штампы небольших размеров и простой формы).
У12	1,15-1,24	"	"	"	"	207	Режущий, мерительный и хирургический инструмент.
У13	1,25-1,35	"	"	"	"	217	Резцы по твердому металлу, бритвы, граверный инструмент

Таблица 29. Сталь углеродистая инструментальная качественная

Сталь	Температура, ^0С, среда		Твердость, НRC
	Закалка	Отпуск
У7	800 –820 в., в р/р солей	275-325; 400-500	48-58; 44-48
У10 -У12	760-780 в., в р/р солей	150-170	62-63

Углеродистые стали используются в качестве режущего инструмента только для резания материалов с малой скоростью, так как их высокая твердость сильно снижается при нагреве выше 190-200⁰С.

Легированные стали повышенной прокаливаемости, не обладающие теплостойкостью.

Легированные инструментальные стали подобно углеродистым не обладают теплостойкостью и пригодны только для резания материалов невысокой прочности с небольшой скоростью, не подвергаемого в работе нагреву свыше 200-250⁰С.

Таблица 30. Химический состав (по легирующим элементам) и термическая обработка некоторых легированных инструментальных сталей

Сталь	Содержание элементов, %					Температура, ^0С		Твердость HRC
	С	Mn	Si	Cr	Другие элементы	Закалки	Отпуска
11ХФ (11Х)	1,05-1,15	0,4-0,7	0,15-0,35	0,40-0,70	0,15-0,30 V	830-860	140-160	62-65
13Х	1,25- 1,4	0,3-0,6	0,15-0,35	0,40-0,70	-	780-800	100-120	62-67
ХВСГ	0,95-1,05	0,6-0,9	0,65- 1,0	0,60- 1,1	0,5-0,8 W 0,05-0,15 V 0,65-1,0 Si	840-860	140-160	62-64
9ХС	0,85-0,95	0,3-0,6	1,2- 1,6	0,95-1,25	-	860-880	140-160	62-65
Х	0,95-1,00	0,15-0,4	0,15-0,35	1,3- 1,65	-	840-850	150-160	62-64
В2Ф	1,05-1,22	0,15-0,45	0,15-0,35	0,2- 0,4	1,6-2,0 W 0,2-0,28 V	810-830	140-160	64-65

Легированные стали по сравнению с углеродистыми обладают большой устойчивостью переохлажденного аустенита, а следовательно и большой прокаливаемостью. Инструменты из этих сталей можно охлаждать при закалке в масле и горячих средах, что уменьшает деформацию и коробление инструмента. Низколегированные стали 11ХФ и 13Х рекомендованы для инструментов диаметром до 15 мм, закаливаемых в масле или в горячих средах для уменьшения деформации по сравнению с получаемой в углеродистых сталях, закаливаемых в воде. Ванадий тормозит рост зерна при нагреве под закалку.

Стали повышенной прокаливаемости (60-80мм) 9ХС и ХВСГ имеют большую теплостойкость (250-260⁰С), хорошие режущие свойства и сравнительно мало деформируются при закалке. Однако сталь 9ХМС склонна к обезуглероживанию при нагреве, в отожженном состоянии имеет повышенную твердость 187-241 НВ, что ухудшает ее обработку резанием и давлением.

Вольфрамовые стали В2Ф и ХВ4 после закалки в водных растворах имеют очень высокую твердость и применяются для пил по металлу, граверных инструментов и обработки твердых металлов.

14.14. Быстрорежущие стали

В отличии от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600-650 ⁰С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2 - 4 раза) и стойкость инструментов (в 10 - 30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.

Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, является в первую очередь вольфрам и его химический аналог - молибден. Кобальт и ванадий несколько повышают теплостойкость (до 645 - 650⁰С) и твердость (67 - 70 HRC). После термической обработки ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость, но ухудшает шлифуемость.

Таблица 31. Химический состав, наиболее распространенных быстрорежущих сталей.

Сталь	C	Cr	W	V	Mo
P18	0,7-0,8	3,8-4,4	17,5-19	1,0-1,4	0,5-1,0
P9	0,85-0,95	3,8-4,4	8,5-9,5	2,3-2,7	До 1,0
P6M5	0,82-0,90	3,8-4,4	5,5-6,5	1,7-2,1	5,0-5,5

Наиболее часто применяют сталь Р6М5. Для обработки высокопрочных, коррозионостойких и жаропрочных сталей и сплавов применяют стали, содержащие кобальт Р18К5Ф2, Р9К5, Р6М5К5, Р9М4К8, Р2АМ9К5, Р2М9К5 с повышенной красно стойкостью.

Для чистовых инструментов при обработке вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами. Нашла применение сталь Р12Ф3 с высоким содержанием ванадия.

Применяются стали с повышенным содержанием углерода и азота при низком содержании вольфрама и молибдена (11Р3АМ3Ф2) для инструментов простой формы при обработке углеродистых и низколегированных сталей (красностойкость 620⁰С).

Быстрорежущие стали относятся к карбидному классу. Основным карбидом является М₆С, в котором так же растворен ванадий. При недостаточной деформации наблюдается карбидная ликвация, которая представляет собой участки не разрушенной эвтектики, вытянутые в направлении деформации.

Для снижения твердости (250-300 НВ), улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали к закалке, после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 840 - 880⁰С. Если отжиг проведен неудовлетворительно, то при последующей закалке возможен брак стали вследствие образования "нафталинового" излома. Этот излом крупнозернистый, чешуйчатый, похожий на нафталин. Сталь с таким изломом обладает высокой хрупкостью.

Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократному отпуску. Закалка для Р18 проводится от 1270 ⁰С, а Р6М5 от 1220⁰С.

Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3-0,4 %С, нерастворенные избыточные карбиды и остаточный аустенит. Чем выше температура закалки, тем ниже температура мартенситных точек М_н и М_к и тем больше количество остаточного аустенита, который понижает режущие свойства, и поэтому его присутствие в готовом инструменте не допустимо. После закалки следует отпуск при 550- 570⁰С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Чтобы весь аустенит перешел в мартенсит, применяют многократный отпуск (чаще трехкратный). Иногда инструменты, для уменьшения остаточного аустенита непосредственно после закалки охлаждают до -80⁰С, с последующим двукратным отпуском. Твердость после закалки 62-63 HRC, а после отпуска 63-65 HRC.

Выбор стали для режущего инструмента.

В таблице 32 указаны рекомендуемые стали для металлорежущего инструмента, нетеплостойкие материалы применяются редко. Подавляющее число инструментов изготовляют из быстрорежущей стали.

Все шире применяются быстрорежущие стали, полученные методом порошковой металлургии. В этих сталях карбидная фаза очень мелкая, что способствует более полному растворению карбидов в аустените и повышению теплостойкости. Основные порошковые стали, предложенные для замены сталей Р18 Р6М5 - Р0М2Ф3-МП, М6Ф1-МП, М6Ф3-МП мало содержат дефицитного вольфрама. Несмотря на высокое содержание ванадия, стали хорошо шлифуются. Применяются и другие порошковые стали, например 10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП и Р12М3К8.

Таблица 32. Стали, рекомендуемые для режущих инструментов.

Тип инструмента	Рекомендуемая сталь
Резцы и резцовые головки: фасонные на автоматах долбежные. строгальные, отрезные	Р18, Р12Ф3, Р6М5, Р9, 11Р3АМ3Ф2
Сверла: для обработки металлов с твердостью 60-280 НВ для обработки металлов большой твердость для трудно обрабатываемых сплавов	Р6М5, Р12Ф3, Р6М5К5, Р6М5К5
Фрезы: резьбовые, червячные те же для резания с высокой скоростью те же для резания трудно обрабатываемых сплавов	Р6М5, Р8М3, Р9, Р18, Р6М5К5, Р6М5Ф3, Р9М4К8
Долбяки, шеверы	Р6М5, Р8М3, Р12
Метчики: машинные ручные	Р6М5, Р18 , Р9М4К8, Р6М5Ф3 У11А, У12А, 11ХФ
Плашки круглые: для нарезания мягких металлов для нарезания твердых металлов	ХВСГ, Р6М5, Р12Ф3
Развертки: машинные то же, для трудно обрабатываемых сплавов ручные	Р6М5, Р9, Р12Ф3, Р6М5К5, Р9М4К8, ХВСГ, Р6М5
Зенкеры: для обработки мягких металлов для обработки твердых металлов	Р6М5, Р8М3 Р9М4К8, Р8М3К6С
Пилы: сегменты к круглым пилам, ножовочные полотна машинные и ручные для обработки древесины	Р9, Р6М5, 9ХФ, У10А, У8ГА
Стамески, долота, топоры для обработки древесины	7ХФ, 6ХС
Напильники: для мягких металлов для твердых металлов	13Х, Х, У13А Р6М5, Р8М3, Р9
^1 Быстрорежущая сталь с повышенным содержанием углерода (1,02-1,12%). Применяют при резании металлов с твердостью до 250 - 280 НВ

Стойкость режущего инструмента из порошковых сталей по сравнению со стойкостью инструмента из аналогичных сталей обычного производства в 1,2 - 2 раза выше.

14.15. Стали для измерительного инструмента.

Стали для измерительного инструмента (плиток, калибров, шаблонов) должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют высокоуглеродистые стали Х, 12Х1. Измерительный инструмент подвергают закалке в масле с возможно более низкой температурой (обычно от850-870⁰С) с целью получения минимального остаточного аустенита, так как при нормальной температуре в течении длительного времени идет процесс частичного распада мартенсита и превращение некоторого количество остаточного в мартенсит. Эти процессы отрицательно сказываются на изменение объема и линейных размеров измерительного инструмента высокой классов точности. Поэтому измерительные инструменты подвергаются обработке холодом при - 70⁰С непосредственно после закалки и отпуску при 120 - 140⁰С. Нередко обработку холодом повторяют многократно. Твердость после указанной обработки составляет 63-64 HRC.

Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготавливают из листовых сталей 15, 15Х. Для получения любой поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.

14.16. Стали для штампов холодного деформирования.

Штампы для холодного деформирования работают в условиях высоких переменных нагрузок, выходят из строя вследствие хрупкого разрушения, малоцикловой усталости и изменения формы и размеров за счет смятия и износа.

Таблица 33. Химический состав (по легирующим элементам), термическая обработка и назначение сталей для штампов холодного деформирования.

Сталь	Содержание элементов, %				Температура,^0С		твердость HRC	Область применения
	C	Cr	V	Другие элементы	закалки ( в м.)	отпуска
Х12Ф1 Х12М	1,25- 1,45 1,45- 1,65	11-12,5 11-12,5	0,7- 0,9 0,15-0,3	0,6-0,4 Mo	1030-1050 1030- 1050	180-200^1 180-200	60-62 60-62	Для штампов высокой устойчивости к истиранию; для волочильных досок и валков; гибочных и формовочных штампов; матриц и пуансонов вырубных и просечных штампов; секций кузовных штампов сложных форм; сложных дыропрошивочных матриц при формовке листового металла, накатных плашек и др.
Х6ВФ	1,05- 1,15	5,5- 6,5	0,5- 0,8	1,1-1,5 W	980-1000	150-170	62-63	Для резьбонакатного инструмента (роликов и плашек),. матриц, пуансонов, зубонакатников и других инструментов, предназначенных для холодной деформации; гибочных рихтовочных штампов
7ХГ3ВМ	0,68- 0,76	1,5- 1,8	0,1- 0,25	1,8-2,3 Mn 0,5-0,9 W 0,5-0,8 Mo	850-860	140-180^1	59-60	Для штампов и вырубного инструмента сложной конфигурации при производстве изделий из цветных сплавов и конструкционных сталей
6Х6В3МФС	0,5- 0,6	5,5- 6,5	0,5- 0,8	0,6-0,9Si 2,5-3,2 W 0,6-0,9 Mo	1050-1000	540^2 (2-3 раза)	58-60	Для резьбонакатанных роликов, зубонакатников, обрезных матриц, пуансонов и других инструментов для деформации металлов повышенной твердости; ножей труборазрубочных машин, ножей гильотинных ножниц, применительно к резке высокопрочных сталей и сплавов и других аналогичных инструментов
^1 Для повышения вязкости в результате некоторого снижения твердости (58-59 HRC) температуру отпуска повышают до 200-275^0С. ^2 При повышенных динамических нагрузках температура отпуска 560^0С (59-60 HRC).

Поэтому стали, используемые для изготовления штампов, пластически деформирующий металл при нормальных температурах, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающей с достаточной вязкостью. В процессе деформирования с большой скоростью штампы разогреваются до 200 - 350⁰С, поэтому стали этого класса должны быть теплостойкими. Для крупных штампов необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке. Высокохромистые стали Х12Ф1 и Х12М обладают высокой износостойкостью и при закалке в масле мало деформируются, что важно для штампов сложной формы. Молибден и ванадий в сталях способствует сохранению мелкого зерна, что способствует высокой устойчивости переохлажденного аустенита, а следовательно хорошей прокаливаемости (180-200 мм).

Недостаток этих сталей - в трудности обработки резанием в отожженном состоянии (207 - 269 НВ) и снижения механических свойств в случае резко выраженной карбидной неоднородности. Меньшей карбидной неоднородностью обладает сталь Х6ВФ, которую используют для инструментов с высокой механической прочностью и сопротивлению износу. Прокаливаемость стали меньше (70-80 мм).

Сталь 7ХГ2ВМ сочетает высокую прокаливаемость и закаливаемость с минимальными объемными изменениями при закалке. Сталь обладает повышенной ударной вязкостью. В тех случаях когда требуется сталь с повышенным сопротивлением пластической деформации, применяют сталь 6Х6В3МФС. Сталь подвергают закалке с высоких температур, для возможно более полного растворения карбидов хрома. После отпуска в стали нет остаточного аустенита, что обеспечивает более полное сопротивление пластической деформации при хорошей вязкости. Сталь обладает высокой износостойкостью, особенно при работе с динамическими нагрузками, и не склонна к карбидной неоднородности.

Для вытяжных штампов небольшого размера (диаметр пуансона до 25 мм) применяют стали У10,У11, и У12 , а для штампов большого размера - Х, ХВСГ, обладающие большей прокаливаемостью. Во многих случаях для изготовления штампов для холодного деформирования используют быстрорежущие стали.

14.17. Стали для штампов горячего деформирования.

Штампы для горячего деформирования работают в жестких условиях нагружения и выходят из строя (разрушаются) вследствие пластической деформации (смятия), хрупкого разрушения, образования сетки разгара (трещин) и износа рабочей поверхности. Поэтому эта сталь должна иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать высокой износостойкостью, окалиностойкость и разгаростойкостью, т.е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования разгарных трещин. Кроме того, они должны иметь высокую износостойкость и теплопроводность для лучшего отвода теплоты, передаваемой обрабатываемой заготовкой. Она также должна обладать высокой прокаливаемостью, а также не склонна к обратимой отпускной хрупкости.

Таблица 34. Химический состав (по легирующим элементам), термическая обработка и назначение сталей для штампов горячего деформирования.

Сталь	Содержание элементов, %				Температура,^0		твердость HRC	Область применения
	C	Cr	V	Другие элементы	закалки (в м.)	отпуска
5ХНМ 5ХНВ	0,5- 0,6 0,5- 0,6	0,6-0,8 0,6-0,8	- 0,4-0,7	1,4-1,8Ni 0,15-,3Mo 1,4-1,8Ni	830-860 840-860	500-580 500-580	45-38 -	Для молотовых штампов паро-воздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 тонн (5ХНМ) и до 3 тонн (5ХНВ) То же
4Х3ВМФ	0,4-0,48	2,8-3,5		0,6-0,9V 0,4-0,6Mo	1050	570	47-49	Для мелких молотовых штампов; молотовых и прессовых вставок ( толщиной и диаметром до 300 - 400 мм) инструмента горизонтально ковочных машин при деформировании конструкционных и жаропрочных сталей.
4Х5В2ФС 4Х5МФ1С	0,37-0,45 0,37-0,44	4,5-5,5 4,5-5,5	1,6-2,2	0,8-1,2Si 0,6-0,9V 0,8-1,2Si 0,8-1,1V 1,2-1,5Mo	1020-1040 1060	560-580 560-580	47-49 50	Для пресс-форм литья под давлением цинкованных, алюминиевых и магниевых сплавов; молотовых и прессованных вставок ( толщиной и диаметром до 200 и 250 мм) при деформировании конструкционных сталей; инструмента для высадки заготовок из легированный конструкционных и жаропрочных материалов на горизонтальных ковочных.
3Х2В8Ф	0,3-0,4	2,2-2,7	7,5-8,5	0,2-0,5V	1100	620	42-45	Для инструмента горячего прессования медных сплавов; пресс-форм литья под давлением медных сплавов.
4Х2В5МФ	0,3-0,4	2,2-2,3	4,5-5,5	0,6-0,9V 0,6-0,9Mo	1070	600-610 630-640	50 45	Для тяжело нагруженного прессового инструмента (мелких вставок окончательного штампового ручья, мелких вставных знаков, матриц и пуансонов для выдавливания и т.п.) при деформировании легированных конструкционных сталей и жаропрочных сплавов

Присутствие в стали 5ХНМ молибдена повышает теплостойкость, прокаливаемость и уменьшает склонность к отпускной хрупкости. Структура стали троостит - сорбит.

Таблица 35. Механические свойства сталей.

Марка (^0С)	 , МПа	2, МПа	,%	,%	Твердость, HRC
5ХНМ (при 500^0С) или 4Х3ВМФ (до 500- 525^0С)	900 900-1000	650	20 - 22 20 - 17	70	35-45 45

Средненагруженный инструмент, работающий с разогревом поверхности до 600⁰С, а так же инструмент с большой поверхностью, работающий при температуре 400-500⁰С, изготовляют из сталей 4Х5В2ФС и 4Х5МФ1С. Они упрочняются за счет мартенситного превращения и дисперсного упрочнения при отпуске за счет выделения специальных карбидов. Эти стали обладают повышенной теплостойкостью, окалиностойкость, малочувствительны к резкой смене температур, устойчивы к кородирующему действию жидкого алюминия и обладает высокой прочностью при хорошей вязкости.

Превращения в данных сталях, протекающие при термообработке, во многом сходны с превращения протекающими в быстрорежущих сталях Они также нагреваются до высоких температур, для полного растворения карбидов и получения высоколегированного мелко зернистого мартенсита. При отпуске твердость дополнительно возрастает вследствие дисперсного упрочнения мартенсита, при этом конечно снижая пластичность и вязкость. Для получения достаточной вязкости отпуск проводят при повышенных температурах на твердость 45-50 HRC, что способствует образованию структуры - троостит. Штамповые стали нередко подвергают азотированию, борированию и реже хромированию.

15. Твердые сплавы

Твердыми называют сплавы, изготовленные методом порошковой металлурги и состоящие из карбидов тугоплавких металлов. (WC, TiC, TaC), соединенных кобальтовой связкой. Твердые сплавы подразделяются на три группы:

• вольфрамовые (ВК3, ВК6, ВК8, ВК10);

• титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12);

• титанотанталовольфрамовые (ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9).

В марках первые буквы обозначают группу, к которой относится сплав (ВК - вольфрамовая, Т - титановольфрамовая, ТТ - титанотанталовольфрамовая); цифры в вольфрамовой группе - количества кобальта; первые цифры в титановольфрамовой группе - количества карбида титана, а вторые цифры - количества кобальта; первые цифры в сплавах титанотанталовольфрамовой группы - количество карбидов титана и тантала, а вторые цифры - количество кобальта. Если в марке стоит буква "М" (ВК6- М), сплавы изготовлены из мелких порошков, если буква "В" (ВК4-В) - из крупнозернистого карбида вольфрама. Если в марке присутствует буквы "ОМ" - сплавы изготовлены из особо мелких порошков, а "ВК" - из особо крупного карбида вольфрама.

Структура тугоплавких сплавов представляют частицы карбидов связанных кобальтом. Чем меньше в сплаве ВК кобальта и мельче карбидные частицы, тем выше износостойкость, но ниже прочность и сопротивление ударам. Чем больше кобальта в стали, тем выше износостойкость (89,5-90 HRB и _изг = 1100- 1650 МПа), допускают высокую скорость резания при обработке чугуна, цветных металлов и неметаллических материалов. Данные сплавы рекомендуют для чернового точения, фрезерования, рассверливания, зенкерования при обработке чугуна, жаропрочных сплавов, цветных металлов.

Наивысшей для титановольфрамовых сплавов износостойкостью и допустимой скоростью резания при пониженной эксплуатационной прочности (_изг= 950 МПа) обладает сплав Т30К4, и наоборот у сплавов Т16К6, Т5К10 эксплуатационная прочность выше, а износостойкость и допустимая скорость резания ниже. Титановольфрамовые сплавы применяются для чистового чернового точения, фрезерования и строгания стали. Твердость сплава 92-87 HRB.

Сталь ТТ10К8-Б, при умеренной износостойкости, обладает высоким сопротивлением удару и хорошей эксплуатационной прочностью (_изг = 1300 МПа). Титанотанталовольфрамовые сплавы применяются для черновой и чистовой обработке, трудно обрабатываемых , материалов, в том числе и жаропрочных сплавов и сталей.

Выпускаются также пластины, которые можно припаивать к державке инструмента, покрывая их тонким слоем карбидов и нитридов, повышающие срок службы в 3 - 4 раза. Наибольший эффект покрытие дает при точении стали и чугуна твердостью 230-1240 НВ. При тяжелых условиях обработки эффективность пластин с износостойким покрытием снижается. Для чистовой обработки трудно обрабатываемых материалов и закаленной стали (  55HRC) применяют режущий инструмент, оснащенный пластинами из синтетических поликристаллических сверхтвердых материалов на основе нитрида бора – композитов. В исходный нитрид бора вводят различные легирующие добавки и наполнители и получают прочно связанные мельчайшие кристаллы (поликристаллы). К группе сверхтвердых материалов относят композит 01 (эльбор-Р), композит 02 (беолобор) композит 10 (гексанит-Р), а также поликристаллический нитрид бора.

Нитрид бора обладает очень высокой твердостью, теплостойкостью. Скорость резания при обработке закаленной стали 70 -150 м/мин. Применение нитрида бора позволяет повысить производительность труда при точении и фрезеровании с получением высокого качества поверхности.

16. Стали и сплавы с особыми физическими свойствами.

16.1. Сплавы, с заданными температурным коэффициентом линейного расширения.

Сплавы с заданным температурным коэффициентом линейного расширения широко применяю в машиностроении и приборостроении. Наиболее распространены сплав Fe-Ni , у которых коэффициент линейного расширения  при температурах от -100 до 100⁰С с увеличение содержания никеля до36 % резко уменьшается, а при более низком содержании никеля вновь возрастает. При температуре 600-700⁰С такого явления не наблюдается и коэффициент линейного расширения  в зависимости от состава изменяется плавно, что объясняется переходом сплавов в парамагнитное состояние. Таким образом, низкое значение температурного коэффициента связанно с влиянием ферромагнитных эффектов. Такой сплав широко используется в технике, где необходимо постоянство размеров в широком интервале температур Этот сплав (36Н), получивший название инвар, имеет минимальное значение коэффициента линейного расширения в системе железо-никель  = 1,5 10^-60С^-1. Для вакуумных впаев в молибденовые стекла применяют сплав 29НК называемый ковар с коэффициентом линейного расширения  == (4,6-5,5)10^-60С^-1. Для изготовления деталей, спаиваемых со стеклом (например, в телевизионных кинескопах) имеющий   8,7 10^-60С^-1 применяют более дешевые ферритные железо-хромистые сплавы 18ХТФ и 18ХМТФ. Эти сплавы имеют одинаковые свойства, но сплав 18ХТФ дешевле, так как он не содержит молибдена.

16.2. Сплавы с эффектом памяти формы.

При напряжении выше предела упругости после снятия нагрузки металл не воспроизводит первоначальные размеры и форму. Сравнительно недавно были открыты сплавы, обладающие эффектом "памяти формы". Эти сплав после пластической деформации восстанавливают свою первоначальную геометрическую форму или в результате нагрева (эффект "памяти формы") или непосредственно после снятия нагрузок (сверхупругость). Так если проволоку закрутить в спираль при высокой температуре и выпрямит при низкой температуре, то при в повторном нагреве проволока вновь самопроизвольно закручивается в спираль.

Термоупругое мартенситное превращение (эффект Курдюмова) сопровождается изменением объема, которое носит обратный характер, обеспечивая память. В сплавах с эффектом "памяти формы" при охлаждении происходит рост термоупругих кристаллов мартенсита, а при нагреве их уменьшение или исчезновение. Эффект "памяти формы" наиболее хорошо проявляется когда мартенситное превращение происходит при низких температурах и в узком интервале температур, иногда порядка нескольких градусов.

В настоящее время известно большое число двойных и более сложных сплавов обладающие в разной степени эффектом "памяти формы": Ni-Al, Ni-Co, Ni-Ti, Ti-Nb, Fe-Ni, Cu-Al, Cu-Al-Ni и другие. Наиболее широко применяют сплав на основе мононикелида титана, Ni-Ti, получившее название нитинол. Эффект "памяти формы" в соединении Ni-Ti может повторяться в течении многих тысяч циклов. Нитинол обладает высокой прочностью, пластичностью, коррозионной и кавитационной стойкостью и демпфирующей способностью. Он широко используется в космической промышленности (антенны спутников земли), в приборостроении (автоматических прерывателях тока, запоминающих устройствах). Для изготовления деталей машин и вычислительной техники, в температурно-чувствительных датчиках.

17. Тугоплавкие металлы и их сплавы.

Наибольшее значение в технике имеют следующие тугоплавкие металлы: Nb, Mo, Cr, Ta и W соответственно с температурой 2468, 2625, 1875, 2996 и 3410⁰С. Тугоплавкие металлы и их сплавы используют главным образом как жаропрочные.

Молибден, вольфрам и хром обладают высокой жаропрочностью, однако они склонны к хрупкому разрушению в результате высокой температуры порога хладноломкости, которую особенно сильно повышают примеси внедрения С, N, H и O.

Таблица 36. Свойства некоторых сплавов тугоплавких металлов.

Сплав	 МПа, при температуре, ^0С		 МПа, при температуре, ^0С
				
Сплавы на основе ниобия
ВН2 (4,5% Mo; 0,05%C)	350	200	140	-
ВН4 (9,5% Mo; 1,5%Zr; 0,03%La; 0,3%C)	700	550	280	-
Сплавы на основе молибдена
ЦМ2А (0,11% Zr; 0,2 %Ti ; 0,004%C)	380	340	230	80
ЦМ3 (0,3% Zr; 0,02 %C)	550	50	-	180

После деформации ниже температуры рекристаллизации (1100-1300⁰С) порог хладноломкости молибдена и вольфрама понижается. Ниобий и тантал хорошо свариваются. Они обладают высокой коррозионной стойкостью. Тугоплавкие металлы используются в радио- и электронной промышленности, в химическом машиностроении, стекольной промышленности. Жаропрочность чистых металлов невелика. Более высокой жаропрочностью обладают сплавы на основе тугоплавких металлов, хотя ее повышение сопровождается понижением пластичности. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, поэтому при температуре свыше 400-600⁰С их нужно защищать от окисления. Тугоплавкие металлы широко используют в качестве жаропрочных для работы в неокислительной среде - в вакууме, водороде инертных газах, а также среде отходящих пороховых газов.

Весьма перспективны для многих отраслей техники сплавы на основе ниобия. Они обдают хорошей технологичностью, свариваемостью и достаточно высокой жаропрочностью. Температура хладноломкости ниобия ниже

-196⁰С. Благодаря высокой коррозионной стойкости и малому сечения захвата тепловых нейтронов сплавы ниобия нашли применение в конструкциях ядерных реакторов.

Для повышения жаропрочности ниобий легируют молибденом, вольфрамом, упрочняющим твердый раствор, и цирконием, который не только упрочняет твердый раствор, но и образует карбидные и нитридные фазы.

18. Титан и сплавы на его основе

18.1. Титан

Титан - металл серого цвета. Температура плавления титана (1668±5)⁰С.Титан имеет две аллотропические модификации: до 882⁰С существует -титан ( плотность 4,505 г/см³), который кристаллизуется в ГЦК- решетку, а при более высоких температурах  - титан (при 900⁰С плотность 4,32 г/см³ ), имеющий ОЦК решетку, период которой  = 0,3282 нм.

Технический титан изготавливают двух марок: ВТ1-00 (99,53 % Ti) и ВТ1-0 (99,46 % Ti). Азот, углерод, кислород и водород увеличивают твердость и прочность титана, но понижают пластичность, ухудшают свариваемость и снижают сопротивление коррозии.

Таблица 37. Механические свойства технического титана ВТ1-00 и ВТ1-0

 , МПа	,%	,%	КСU МДж/м^2	-1 , МПа	Е, МПа
300-550	20-25	60-80	 1,0-1,2	160-225	14 *10^4

На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии в морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах. Титан устойчив к кавитационной коррозии по напряжением.

Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмосфере защитных газов и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Титан поставляется в виде листов, труб, прутиков, проволоки и других полуфабрикатов.

18.2. Сплавы на основе титана

Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность _ _), и одновременно снижает пластичность ( ) и вязкость (KCU). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd . Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность _. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. Такие элементы, как Al, N,O, повышают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называются  -стабилизаторам. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Fe, Cr понижают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называют  - стабилизаторами.

Некоторые  - стабилизаторы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические соединения Тi_XM_Y.

В соответствии со структурой различают:

- сплавы, имеющую структуру - твердый раствор легирующих элементов в - титане; основной легирующий элемент в этих сплавах - алюминий, кроме того, они могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество  - стабилизаторов (Mo, Mn, Fe, Cr);

 сплавы, состоящие из - и - стабилизаторов (Mn, Fe, Cr).

Термическая обработка титановых сплавов.

Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергаются отжигу.

Отжиг  - сплавов при 800-850⁰С и сплавов  - при 750-800⁰С. Применяется изотермический отжиг - нагрев до 870 - 980⁰С сплава и далее выдержка при 530 - 660⁰С. С повышение количества - стабилизаторов температура отжига снижается.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке - и  применяют неполный отжиг при 550-650⁰С. С увеличение - стабилизаторов временное сопротивление и предел текучести отожженных сплавов возрастает. При содержании 50% - на 50%  - фаз они достигают наибольшего значения. Далее они могут быть упрочнены закалкой и с последующим старением (отпуском).

При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов , нагретых до области  - фазы , протекает мартенситное превращение в интервале температур М_н-М_к.

Мартенситная  - фаза представляет собой перенасыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в  - титане с гексагональной решеткой.

При высокой концентрации легирующего элемента возникает мартенситная  - фаза с ромбической решеткой и  - фаза с гексагональной структурой, появление которых уменьшает твердость и прочность закаленных сплавов и увеличивает их пластичность. Появление - фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности. Мартенситная - фаза при легировании титана  - стабилизаторами (Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется.

При высоком содержании  - стабилизаторов после закалки структура состоит из  или  фазы.  - фаза охрупчивает сплав. Во избежании сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области , чаще от 850-950⁰С.

При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных   - фаз, а так же метастабильной  - фазы, что немного повышает прочность. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием - стабилизаторов. Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К_1с) и короблением деталей.

Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются ХТО (химико-термической обработке). Для повышения износостойкости титан азотируют при 850-950⁰С в течение 30 - 60 ч в атмосфере азота. толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950⁰С в течении 30 ч. 0,05-0,15 мм, 750-900HV.

Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там, где главную роль играет небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии.

Таблица 38. Химический состав (по легирующим элементам) и типичные механические свойства некоторых титановых сплавов титана* в отожженном состоянии.

Сплав	Содержание элементов (остальное титан), %				Механические свойства				Вид полуфабриката
	Al	V	Mo	Другие элементы	, МПа	, не менее	KCU, МДж/м^2не менее не менее	, МПа, не менее
 - сплавы
ВТ5	5	-	-	-	750-950	10	0,5	-	Отливки, профили, поковки
ВТ5-1	5	-	-	2,5 Sn	800- 1000	10	0,4	400	Листы, профили, трубы
ОТ4*	4	-	-	1,5Mn		11	0,4	420	Листы, полосы, ленты
 - фаза
ВТ6	6	4,5	-		950-1170	8,0	0,4	530	Поковки, листы. трубы
ВТ14	5,5	1,3	3,0		900-1050	10	0,5	400	Поковки, штамповые заготовки
ВТ8	6,5	-	3,5	0,3 Si	1050-1250	11	0,3	530	Тоже
* Псевдосплав ; в его структуре  - фаза  (1- 5) %  фазы

Титановые сплавы применяются в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении во многих других отраслях народного хозяйства.

Деформируемый сплав ВТ5 хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, не склонна к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава оловом улучшает технологические и механические свойства сплава.

Сплавы типа ОТ4 хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.

Наилучшие сочетания достигаются в () сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (закалкой от 900-950⁰С и старением при 450-500⁰С) после закалки _ = 1000-1050 МПа, а после старения в течении 2-8 часов _ = 1200-1300 МПа. Отжиг проводится при 750- 800⁰С. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5 %).

Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяжело нагруженных деталей, а так же деталей, длительное время работающих при 400⁰С или кратко временно при 500⁰С. Сплав упрочняется закалкой от 850-880⁰С в воде с последующим старением при 480-500⁰С 12-16 ч. Полный отжиг проводят при 750-800⁰С, а не полный - при 600-650⁰С. Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига, в результате которого он приобретает высокое сопротивление ползучести и длительную прочность, поэтому он применяется как жаропрочный (до 450-500⁰С). Сплав хорошо сваривается и используется главным образом в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяются сплавы ВТ5Л. ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

19. Алюминий и сплавы на его основе

19.1. Алюминий.

Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Температура плавления алюминия 660⁰С. Алюминий имеет ГЦК- решетку с периодами  = 0,4041 нм. Наиболее важной особенностью алюминия является плотность- 2,7 г/см³ против 7,8 г/см³ для железа и 8,94 г/ см³ для меди. Алюминий обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65 % проводимости меди.

Технический алюминий маркируется А85, А8, А7...А0 (99,0% Аl). В качестве примесей присутствуют Fe, Si, Cu, Mn, Zn. Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью, вследствие образования тонкой прочной пленки Al₂O₃. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость.

Таблица 39. Механические свойства отожженного алюминия высокой чистоты и технического алюминия.

 , МПа	0,2 , МПа	,%	,%
Механические свойства отожженного алюминия высокой частоты
50	15	-	50
Механические свойства технического алюминия (АДМ)
80	30	35	-

Модуль нормальной упругости 71000 МПа. Холодная пластическая деформация повышает предел прочности технического алюминия до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6%. Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки. Технический алюминий ввиду низкой прочности применяют для изготовления конструкций и деталей не несущих нагрузки, когда требуется высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость. Из технического алюминия изготавливают различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны для молока. Алюминий высокой чистоты предназначается для фольги, токопроводящих кабельных изделий. Более широко используют сплавы алюминия.

19.2. Классификация алюминиевых сплавов

Наибольшее распространение получили сплавы Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Si, а также Al-Zn-Mg-Cu.

Таблица 40. Химический состав и типичные механические свойства некоторых деформируемых алюминиевых сплавов после закалки и старения.

Сплав^1	Содержание элементов, %					Механические свойства^3
	Cu	Mg	Mn	Si	Другие элементы	0,2, МПа	в, МПа	-1, МПа	
Дуралюмины
Д1	3,8-4,8	0,4- 0,8	0,4- 0,8	-	-	320	490	-	14
Д16	3,8-4,9	1,2- 1,9	0,3- 0,9	-	-	400	540	125	11
Сплав авиаль
АВ^2	0,1-0,5	0,45- 0,9	0,15- 0,35	0,5- 1,2	-	200 (300)	260 (380)	-	15 (12)
Высокопрочный алюминиевый сплав
В95	1,4-2,0	1,8- 2,8	0,2-0,6	-	5-7 Zn 0,1 - 0,25 Cr	530-550	560-600	156	8
Деформируемые алюминиевые сплавы
АК6	1,8- 2,6	0,4- 0,8	0,4- 0,8	0,7- 1,2	-	300	420	-	12
АК8	3,9- 4,8	0,4- 0,8	0,4- 1,0	0,6- 1,2	-	380	480	-	10
Жаропрочные алюминиевые сплавы
АК4-1	1,9- 2,5	1,4- 1,8-		0,35	0,8-1,4 Fe 0,8-1,4 Ni 0,02-0,1 Ti	280	430	-	13
Д20	6-7	-	0,4-0,8	-	0,1-0,2 Ti	250	400	-	12
^1 Буква "Д" обозначает сплав типа дуралюмин, буква "А" в начале марки - технический алюминий. (АД, АД1); "АК" - алюминиевый ковочный сплав. Нередко в начале марки ставится буква "В" - высокопрочный. После условного номера часто следуют обозначения, характеризующие состояние сплава: "М" - мягкий (отожженный), "Т" - термически обработанный (закалка и естественное старение); "Н" - нагартованный, "П" -полу нагартованный. ^2Механические свойства даны для прессованных прутков и профилей после закалки и старения. Листы имеют более низкие механические свойства. ^3Мехнические свойства даны после закалки и естественного старения, в скобках - после закалки и искусственного старения.

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит, прутков, профилей, труб и т.л.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования ковки и штамповки и литейные, предназначенные для фасонного литья.

Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемой термической обработкой.

Таблица 41. Химический состав и типичные механические свойства сплавов алюминия, не упрочняемые термической обработкой.

Сплав^1	Содержание элементов, %		Механические свойства^2
	Mn	Mg	в , МПа	0,2 , МПа	
Амц	1,0-1,6	-	130 (170)	50 (130)	23 (10)
АМг2	0,2-0,6	1,8-2,8	200 (250)	100 (200)	23 (10)
АМг3	0,3-0,6	3,2-3,8	220	110	20
АМг5	0,3-0,6	4,8-5,8	300	150	20
АМг6	0,5-0,8	5,8-6,8	130 (170)	170 (300)	18 (10)

¹ Сплав АМг3 содержит 0,50),8 % Si , улучшающего свариваемость, сплавы АМг5,АМг6 нередко легируют 0,02 Ti и 0,0002- 0,005 % Be, уменьшающими склонность к коррозии под напряжением. ² Без скобок приведены свойства сплавов в отожженном состоянии, в скобках - в полунагартованном состоянии.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

19.3 Термическая обработка алюминиевых сплавов

Для упрочнения алюминиевый сплавов применяют закалку и старение, а для устранения неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластичность сплава применяется отжиг.

Закалка алюминиевых сплавов. Закалка заключается в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нормальных температур для получения перенасыщенного твердого раствора.

Основной особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур нагрева под закалку. Температура нагрева для сплавов Д16 - 485-505⁰С, сплавы В95 - 465-475⁰С и АК6 - 515-525⁰С. Более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей на поверхности полуфабрикатов, снижается сопротивление коррозии, механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению. Выдержка должна быть минимальной, обеспечивающей растворение избыточных фаз в твердом растворе.

Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад перенасыщенного твердого раствора, что снижает механические свойства и коррозионную стойкость. Чаще для закалки применяют воду (t = 10-40⁰С). Во избежании частичного распада твердого раствора время переноса нагретого полуфабриката из печи в закалочный бак не должно превышать 15-30 с. Прокаливаемость алюминиевых сплавов составляет d_к = 120-150 мм. (d_к - критический диаметр).

Старение закаленных сплавов. После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10- 24 ч при повышенной температуре 150-200⁰С (искусственное старение). Старение сопровождается тем, что в перенасыщенном твердом растворе атомы второго компонента собираются в определенных местах кристаллической решетки. В результате чего внутри кристалла образуются зоны повышенной концентрации растворенного второго компонента, так называемые зоны Гинье-Престона (зоны ГП). Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 240-280⁰С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается, и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получила название возврат. Однако после возврата и последующего старения ухудшают коррозионные свойства сплава, что затрудняют использовать возврат для практических целей. Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существует свои температурно-временные области зонного (образование зон ГП) и фазового ( - и  - фазового) старения.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение __  0,6-0,7, повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению (высокое значение К_с1).

После фазового старения отношение __ повышается до 0,9-0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергаются слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений. В результате чего состав кристаллитов твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются и при охлаждении выделяются виде мелких вторичных включений. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженных листах и уменьшает склонность коррозии под напряжением. В результате пластичность литого сплава повышается, что улучшает обработку. Температура гомогенизации лежит в пределах 450-520⁰С, а выдержка составляет 4 - 40 ч. Охлаждение проводят на воздухе или вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг. Такой отжиг заключается в нагреве деформированного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации; применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура рекристаллизации отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 350 до 500⁰С, выдержка 1-2 ч. После рекристаллизационого отжига сплавов, не упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения выбирается произвольно. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения до 200- 250⁰С должна быть 30⁰С/ч. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.

Отжиг для разупрочнения сплавов, прошедших закалку и старение. Этот вид отжига проводят при 360-450⁰С с выдержкой 1 - 2 ч. при этих температурах происходит полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуляция упрочняющих фаз. Скорость охлаждения не должна превышать 30⁰С/ч. После отжига сплав имеет низкое временное сопротивление, удовлетворительную пластичность и высокую сопротивляемость коррозии под напряжением.