Глава 9. Стали, обеспечивающие жесткость, статическую и циклическую прочность.

Детали машин и приборов, передающих нагрузку, должны обладать жесткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пла­стической деформации, при гарантированной надежности и долговечно­сти. Из многообразия материалов в наибольшей степени этим требовани­ям удовлетворяют сплавы на основе железа - чугуны и особенно стали. Стали обладают высоким, наследуемым от железа, модулем упругости (Е = 210ГПа).

Высокую жесткость стали сочетают с достаточной статической и ци­клической прочностью, значение которой можно регулировать в широком диапазоне изменением концентрации углерода, легирующих элементов и технологии термической и химико-термической обработки.

Кроме комплекса этих важных для работоспособности деталей свойств стали могут обладать и рядом других ценных качеств, делаю­щих их универсальным материалом. При соответствующем легировании и технологии термической обработки сталь становится либо износостой­кой, либо коррозионно-стойкой, либо жаростойкой и жаропрочной, а также приобретает особые магнитные, тепловые или упругие свойства. Сталям свойственны также хорошие технологические свойства. К тому же они сравнительно недороги.

Благодаря этим достоинствам стали — основной металлический ма­териал промышленности. Разработано около 2000 марок сталей и сплавов на основе железа.

9.1. Классификация конструкционных сталей

Стали классифицируют по химическому составу, качеству, степени раскисления, структуре, прочности и назначению.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные. В зависимости от концентрации углерода те и другие под­разделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,7 % С) и высокоуглеродистые (> 0, 7 % С). Легированные стали в зави­симости от введенных элементов подразделяют на хромистые, марганцо­вистые, хромоникелевые, марганцевые и многие другие. По количеству введенных элементов их разделяют на низко-, средне- и высоколегирован­ные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5 %, в среднелегированных содержится от 5 до 10 %, в высо­колегированных — более 10 %.

По качеству стали классифицируют на стали обыкновенного каче­ства, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом ее производства. Однородность химическо­го состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во мно­гом зависят от содержания газов (кислорода, водорода, азота) и вредных примесей — серы и фосфора. Газы являются скрытыми, количественно трудно определяемыми примесями, поэтому нормы содержания вредных примесей служат основными показателями для разделения сталей по ка­честву. Стали обыкновенного качества содержат до 0,050 % S и 0,040 % Р, качественные — не более 0,04 % S и 0,035 % Р, высококачественные — не более 0,025 % S и 0,025 % Р, особо высококачественные — не более 0,015 % S и 0,025% Р.

По степени раскисления к характеру затвердевания стали классифи­цируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.

Раскисление -— процесс удаления из жидкого металла кислорода, про­водимый для предотвращения хрупкого разрушения стали при горячей деформации.

Спокойные стали раскисляют марганцем, кремнием и алюминием. Они содержат мало кислорода и затвердевают спокойно без газовыделе­ния. Кипящие стали раскисляют только марганцем. Перед разливкой в них содержится повышенное количество кислорода, который при затвер­девании, частично взаимодействуя с углеродом, удаляется в виде СО. Вы­деление пузырей СО создает впечатление кипения стали, с чем и связано ее название. Кипящие стали дешевы, их производят низкоуглеродистыми и практически без кремния (Si<= 0,07%), но с повышенным количеством газообразных примесей.

Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточ­ное положение между спокойными и кипящими.

При классификации стали по структуре учитывают особенности ее строения в отожженном и нормализованном состояниях. По структуре в отожженном (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоидные, структура которых состоит из перлита; аусте-нитные и ферритные.

Углеродистые стали могут быть первых двух классов, легированные — всех классов. Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества (правее точки b, см. рис. 4.19) элементов Ni, Mn, расширяющих (гамма)-область; стали ферритного класса — при введении эле­ментов Сг, Si, V, W и др., расширяющих (альфа)-область (см. рис. 4.20).

По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный, ферритный.

Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохла­жденного аустенита (рис. 9.1, а). При охлаждении на воздухе они при­обретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которой могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды. К этому классу относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых, широко применяемых сталей.

Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью пе­реохлажденного аустенита (рис. 9.1,6); при охлаждении на воздухе они закаливаются на мартенсит. К этому классу относятся средне- или высо­колегированные стали.

Стали аустенитного класса из-за повышенного количества никеля или марганца (обычно в сочетании с хромом) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0грС и сохраняют аустенит при 20 — 25 грС (рис. 9.1, б). Распад аустенита в перлитной и промежуточной областях отсутствует.

Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по классификации как в отожженном, так и нормализованном состояниях.

По прочности, оцениваемой временным сопротивлением, конструк­ционные стали с некоторой условностью можно разделить на стали нор­мальной (средней) прочности ((сигма)В < 1000 МПа), повышенной прочности ((сигма)В < 1500 МПа) и высокопрочные ((сигма)В> 1500 МПа).

По назначению конструкционные стали подразделяют на машиностроительные, предназначенные для изготовления деталей машин и механизмов, и строительные, используемые для металлоконструкций и сооружений.