II. Теоретическое обоснование.

Классификация и маркировка легированных сталей

В предыдущих работах изучались структура и свойства углеродистых сталей. Кроме них существует большое количество легированных сталей, в которые для получения требуемых свойств вводятся специальные легирующие элементы. Наиболее распространенными легирующими элементами в сталях являются Cr (в маркировке обозначается буквой Х), Ni (H), Mn (Г), Si (C), W (B), V (Ф), Ti (Т), Al (Ю). Цифры после букв в марках легированных сталей указывают процентное содержание данного элемента (если цифра отсутствует, то содержание этого элемента не превышает 1,0...1,5 %). Цифры в начале марки - среднее содержание углерода в сотых долях процента (в высокоуглеродистых инструментальных сталях - в десятых долях процента).

Структура и свойства легированных сталей зависят от индивидуальных особенностей легирующих элементов (и, конечно, углерода) и их количества. Остановимся на двух важных для практики закономерностях, проявляющихся при легировании сталей.

1. Все легирующие элементы (кроме Со), растворяясь в аустените, замедляют скорость его распада в области перлитного превращения, т.е. смещают вправо линии С - диаграммы (см. рис. 6.1), соответственно снижается критическая скорость закалки V_кр.

2. Все легирующие элементы (кроме Со и Al) снижают температуру начала (М_н) и конца (М_к) мартенситного превращения (особенно эффективно - Mn, Cr, Ni). Эти две тенденции (смещение линий распада переохлажденного аустенита и температуры М_н с увеличением степени легирования) отражены на рис. 7.1. На этом же рисунке (а, б, в) проведена линия, наклон которой характеризует скорость охлаждения (V_охл) образцов стали на спокойном воздухе (нормализация). Этот рисунок поясняет принятую классификацию легированных сталей по структуре после нормализации. При относительно небольшом содержании легирующих элементов (5...6 %) охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита на феррито-цементитные смеси (перлит, сорбит, троостит) - рис. 7.1,а; такие стали относятся к перлитному классу. При повышенном содержании легирующих элементов V³V_кр, а М_н>20 °С, следовательно, при комнатной температуре нормализованная сталь имеет мартенситную структуру (мартенситный класс). При большом содержании легирующих элементов (особенно Мn, Ni) М_н сдвигается в область отрицательных температур, поэтому при нормальных температурах стали имеют аустенитную структуру (аустенитный класс). Очевидно различие механических свойств сталей, принадлежащих к этим структурным классам[40].

Следует, однако, отметить, что подавляющее большинство сталей, применяемых в машиностроении, относится к перлитному классу, поскольку они имеют наименьшую стоимость из-за невысокой степени легирования. Механические свойства этих сталей, как и углеродистых, определяются в основном содержанием углерода. Поэтому сходна и классификация этих сталей по назначению[41] (см. работу 4): низко‑ и среднеуглеродистые легированные стали относятся к группе конструкционных(ГОСТ 4543-71), высокоуглеродистые - инструментальные (Х, 9ХС, ХГ, ХВГ и др. ГОСТ 5950-2000). Кроме этих двух классов (по назначению) различают еще стали и сплавы с особыми свойствами (коррозионно- и износостойкие, жаропрочные, с особыми физическими свойствами и др.), но это, как правило, высоколегированные (>12 %) сплавы аустенитного, мартенситного и ферритного классов.

Конструкционные машиностроительные стали в зависимости от содержания углерода (и соответственно механических свойств, получаемых после термической обработки) подразделяют на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые - это стали с низким (0,1...0,25 %) содержанием углерода (12ХН3, 18ХГТ, 18Х2Н4МА, ...), которые после цементации, закалки и низкого отпуска приобретают высокую твердость (и износостойкость) поверхностного слоя и сохраняют вязкую (и достаточно прочную) сердцевину. Эти стали в основном применяются для изготовления шестерен. Улучшаемые - это среднеуглеродистые (0,3...0,5 % C) стали (30Х, 30ХГС, 38ХМЮА, 40ХН, ...), изделия из которых подвергаются улучшению - закалке и последующему высокому отпуску (см. работу 6). Такая термообработка обеспечивает изделиям из этих сталей (валы, оси, штоки, шатуны и другие ответственные детали) высокий предел текучести, высокую ударную вязкость и малую чувствительность к концентраторам напряжений.