Конструкционная сталь

Сталь, идущая на изготовление деталей машин и различных конструкций, работает в очень разнообразных условиях, в зависимости от которых в ней предъявляются и соответствующие требования. В большинстве случаев от конструкционной стали требуется комплекс высоких механических свойств – высокая прочность в сочетании с большой вязкостью и пластичностью, высоким сопротивлением усталости и.т.д.

 

В качестве конструкционного материала применяют как обычную углеродистую, так и легированную сталь. Обычная углеродистая сталь обладает достаточно высокими механическими свойствами лишь в относительно малых сечениях. Для больших сечений и деталей ответственного назначения, как правило, используют легированную сталь. Легирующие элементы вводят в конструкционную сталь для наиболее эффективного улучшения механических свойств стали при термической обработке. Применение легированной стали в качестве конструкционного материала без предварительной термической обработки в большинстве случаев нерационально. Конструкционные стали обычно подвергаются двойной упрочняющей обработке - закалке и отпуску. Температура нагрева низкоуглеродистых сталей под закалку, как правило, доходит до 900 градусов и среднеуглеродистых составляет около 850 градусов. После закалки среднеуглеродистые стали подвергают высокому отпуску (с нагревом до 500-600 градусов), а низкоуглеродистые – низкому отпуску. Термическая обработка конструкционных сталей, состоящая в закалке с последующим высоким отпуском (на сорбит) называется улучшением, а стали, подвергающиеся такой обработке, называются улучшаемыми сталями. Низколегированные и углеродистые конструкционные стали закаляют, как правило, в воде (в масле лишь при малых размерах изделий). С увеличением содержания легирующих элементов уменьшаются скорости охлаждения, необходимые для получения структуры мартенсита, поэтому высоколегированные стали закаливают в масле. В некоторых многокомпонентных конструкционных сталях переохлаждения аустенита до температур мартенситного превращения достигается при охлаждении деталей крупных размеров на воздухе, что уменьшает внутренние напряжение и повышает конструктивную прочность деталей. В низкоуглеродистых конструкционных сталях мартенсит после закалки получается достаточно пластичным. Отпуск такой стали при 150 градусах в значительной мере снимает внутренние напряжения и дополнительно повышает пластичность. В лучших марках низкоуглеродистых сталей после такой термической обработки достигается комплекс высоких механических свойств. Структура таких сталей после термической обработки состоит из малоуглеродистого отпущенного мартенсита. Для получения пластичного мартенсита среднеуглеродистых легированных конструкционных сталей требуется высокий отпуск (550-650 градусов). При высоком отпуске происходит распад мартенсита и образуется зернистая высокой дисперсности ферритно-карбидная смесь сорбита. В зависимости от механических свойств, которые стремятся получить, можно применять и другие режимы термической обработки конструкционных сталей. Наиболее высокая прочность конструкционных сталей достигается термомеханической обработкой. Такая обработка состоит из сочетания в одном непрерывном технологическом процессе пластической деформации аустенита с последующей закалкой на мартенсит и низким отпуском. В результате термомеханической обработки зерно исходного аустенита измельчается (происходит наклеп) и увеличивается дисперсность мартенситных кристаллов. При термомеханической обработке одновременно со значительным увеличением прочности происходит повышение пластичности. Улучшение механических свойств стали, достигнутое в результате термомеханической обработки, имеет устойчивый характер, оно в определенных условиях сохраняется после повторной термической обработки по специальным режимам. Температура проведения термомеханической обработки должна находиться в пределах надежной устойчивости аустенита и исключать возможность развития собирательной рекристаллизации. Различают низкотемпературную и высокотемпературную термомеханическую обработку. При низкотемпературной термомеханической обработке температура наклепа исходного аустенита лежит в пределах мартенситной точки. При легировании улучшаемых сталей вязкость их уменьшается с увеличением степени легирования, поэтому степень легирования должна быть минимальной. Она определяется величиной прокаливаемости, которую нужно получить при термической обработке. Чем больше сечение изделия, которое подвергается закалке, тем больше должна быть степень легирования, так как прокаливаемость изделий крупных сечений меньше, чем изделий малых размеров, при прочих равных условиях. Уровень прочности улучшаемых конструкционных сталей определяется температурой отпуска – с повышением температуры отпуска прочность снижается, а вязкость возрастает. Надежность деталей машин в практических условиях эксплуатации во многом определяется малой чувствительностью стали к концентрации напряжений и к увеличению скорости деформации. Эти свойства стали характеризует температура перехода ее в хладноломкое состояние. Чем ниже температура перехода стали  в хладноломкое состояние, тем менее чувствительна она к концентрации напряжений и и к увеличению скорости деформации (ударам). Хром и ряд других элементов повышают температуру перехода стали в хрупкое состояние и тем самым повышают чувствительность ее к концентрации напряжений и ударам. Никель снижает  температуру перехода стали в хрупкое состояние и наличие его в сложно легированных сталях нейтрализует вредное влияние других элементов, поэтому никельсодержащие стали являются хорошим конструкционным материалом.