ДФМС – двухфазные мартенситные стали.

Низкий предел текучести, высокий предел прочности.

Химический состав:

пластичность 0,03-0,06% С, 0,5% Cr, 0,2% Mn, 0,5-1,5% Si. Сталь с таким химическим составом после охлаждения, после горячей прокатки или после специальной термообработки, которая заключается в быстром охлаждении с температурой между точками Ас1 и Ас3, имеет структуру Феррит + Мартенсит (М – 10-30%). Феррит обеспечивает высокую пластичность, низкий предел текучести. Мартенсит обеспечивает высокий предел прочности ( = 0,5 – 0,6). В исходном состоянии сталь обладает высокой пластичностью, но после холодной деформации, упрочнение затрагивает главным образом ферритную структуру, т.е. происходит быстрое упрочнение металла. В результате получается готовое изделие с высокой прочностью, поэтому из этих сталей делают такие изделия, как колесные диски для грузовиков, бамперы, лонжероны, рамы. Самые дешевые марки 09Г2С, 03ХГЮ, 06ХГС.

 

Высокопрочные стали

К ним относятся стали с σв > 1400-1500 мПа. Самые прочные достигают σв=3000 мПа.

Так же обладают высоким пределом текучести σт > 1350-1400 мПа, т.е. стали - высокопластичные. Высокопрочные стали применяются в авиации и ракетной технике, т.к. они позволяют при заданной прочности снизить вес конструкции. Чтобы получить высокую прочность необходимо провести соответствующее легирование, обеспечить высокую чистоту металла, получить структуру за счет термообработки, которая обеспечивала бы заданные характеристики. Высокую прочность, твердость можно получить и в обычных углеродистых сталях после закалки и низкого отпуска, но при этом такая сталь обладает высокой хрупкостью, т.е. не может сопротивляться ударным нагрузкам. Поэтому такие стали отнести к высокопрочным можно лишь условно. К высокопрочным сталям относят те стали, которые обладают высоким сопротивлением к хрупкому разрушению К_1С = 200-300 кДж/м².

Для повышения вязкости стали, в нее обычно вводят большое количество Ni, Mo, Mn. Для повышения прокаливаемости сталь должна содержать Cr, Si. Для образования упрочняющих интерметаллидных фаз добавляют Ti, Al, W. Несмотря на то, что С – самый сильный упрочнитель, повышение его концентрации ведет к снижению вязкости. Поэтому содержание С <0,3-0,4%. А в некоторых сталях, где требуется высокий запас вязкости содержание С <0,03%. Многие марки сталей выплавляют таким образом, чтобы добиться в них повышенного содержания азота. Азот вместе с углеродом образует в сталях карбиды, которые эффективно упрочняют сталь. В зависимости от химического состава и свойств высокопрочные стали делят на несколько групп:

НУС – низкоуглеродистые стали.

СУС – среднеуглеродистые стали.

ВУС – высокоуглеродистые стали.

МСС – мартенситностареющие.

МАС – стали с метастабильным аустенитным состоянием.

 

Низкоуглеродистые стали

К низкоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода 0,1-0,15%.

Для повышения вязкости в сталь вводят 1-2% Mn.

Для повышения прокаливаемости в сталь вводят 0,5-1% Cr.

Низкоуглеродистые стали подвергают закалке (500-600º С) и низкому отпуску.

После термообработки получается отпущенный мартенсит. Упрочнение происходит за счет образования карбидов, нитридов, а также интерметаллидных фаз.

Самая дешевая сталь – 14Г2АФ.

Самая дорогая – 14ХГН2МДАФ.

Предел прочности в сталях σв<1000-1500 мПа.

 

Среднеуглеродистые стали.

Данные стали применяются для изготовления тяжело нагруженных деталей машин, крепежных деталей.

Химический состав: 0,3-0,4% С, 1-2% Mn, 1-2% Ni, 0,5-1% Cr, 0,5-1,5% Si, 0,2-0,4% Mo, до 0,2% Ti.

Типовой режим термообработки: полная закалка + отпуск (200-400º С)

Основные стали группы: 30ХГСН2А, 40ХСН2МА.

 

Высокоуглеродистые стали.

К высокоуглеродистым относятся стали с содержанием углерода до 0,7%.

Их основное назначение – это получение канатной проволоки. При изготовлении применяют патентирование, быстро охлаждают до получения мелкозернистой структуры Ф+П и тут же подвергают холодной деформации – волочению. Сочетание ультрамелкой структуры и наклепа позволяет получить в проволоке σв=3000-5000 мПа. Из-за малой вязкости конструкционные детали из этой стали не делают.

 

Мартенситно-стареющие стали.

Из всех высокопрочных сталей они наиболее часто используются. Это объясняется сочетанием высоких механических свойств (стали хорошо свариваются, обладают высокой коррозионной стойкостью, они не меняют своих размеров при закалке, не подвергаются объемным изменениям). Основным отличием является полное отсутствие углерода (менее 0,03%). Упрочнение происходит за счет термообработки, которая включает в себя закалку (900-1000º С) и последующее старение (350-480º С).

После закалки эти стали имеют безуглеродистый мартенсит. Поэтому не обладают высокой прочностью. В таком состоянии стали могут подвергаться пластической деформации, обработке резанием, шлифованием. Окончательно высокие механические свойства достигаются, когда полностью готовое изделие подвергается старению.

В процессе старения внутри мартенсита выделяются интерметаллидные фазы, которые располагаются вокруг дислокаций и блокируют их перемещение. В результате резко увеличиваются прочность и твердость. Чтобы получить такие свойства, сталь должно содержать Ni – 12-20%, Co – 8-12%, Mo – 5-10%, Ti – 1-2%, Cu до 0,5%. Большое количество Ni ведет к резкому понижению температуры начала мартенситного превращения. Наиболее широко известная марка: Н18К9М5Т.

 

Стали с метастабильным аустенитным состоянием.

В настоящее время эти стали обладают наивысшим сочетанием прочности и вязкости. Поэтому являются самыми надежными конструкционными материалами. Сочетание высоких механических свойств обеспечивается технологией их обработки, а так же химическим составом: С до 0,3%, Ni до 25%, Mo до 4%, Mn 10-12%, Cr 10-12%, Si до 2%.

Большое количество Ni, Mo, Mn ведет к тому, что после закалки мартенситного превращения не происходит, т.е. структура остается аустенитной. Если такую сталь подвергнуть деформации, то возникающий наклеп переводит аустенит в нестабильное состояние. Степень деформации выбирается такой, чтобы получить в данной сталь неустойчивое состояние, т.е. последующее охлаждение или дополнительная деформация будут вызывать в стали мартенситное превращение. Переход аустенита в мартенсит будет наблюдаться не во всем объеме детали, а лишь в тех местах, где появляются микротрещины. Образование микротрещин сопровождается локальной пластической деформацией ее вершины, но эта деформация вызывает мартенситное превращение, в результате чего прочность в этом месте увеличивается и разрушение прекращается. Металл сам себя “лечит” в тех местах, где появляются разрушения. Такой эффект самоупрочнения в процессе эксплуатации позволяет деталям работать длительное время без разрушения. Недостаток таких сталей – высокая стоимость, необходимость проведения теплой деформации Tдеф=300-500º С, требуется мощное оборудование. По такой технологии можно выпускать отдельные виды полуфабрикатов (листы, профили круги).

Основные стали: 25Н24М4, 24Н21Г2С2М4, 30Х10Г10 и 14Х14АГ12.

Шарикоподшипниковые стали.

Шарикоподшипниковые стали по назначению относят к конструкционным, но по химическому составу они попадают в область инструментальных сталей и находятся как бы на границе. Основные требования определяются назначением:

1. Высокая статическая грузоподъемность, т.е. способность выдерживать высокую нагрузку с минимальной деформацией (ε < 0,01%).

2. Высокая контактная усталостная прочность. Зависит, прежде всего, от наличия в стали неметаллических включений. Они, обладая высокой хрупкостью, разрушаются и дают начало для появления усталостной трещины, поэтому, для повышения стойкости стали против контактной усталости, применяют дополнительную очистку стали от вредных примесей.

3. Высокая твердость

4. Высокая износостойкость. Эти два требования зависят от содержания карбидов в стали. Наличие карбидов хрома влияет на твердость и износостойкость.

5. Сквозная прокаливаемость. Глубина прокаленного слоя – 95% мартенсита. Для повышения прокаливаемости вводят Cr, Mn, Si. Si затрудняет распад мартенсита при отпуске. Это дополнительно сохраняет твердость.

Для обеспечения этих требований шарикоподшипниковые стали содержат С 0,95-1,15%, Cr 0,6-2%, Mn 1%, Si 1%.

Маркировка: Первая буква Ш показывает, что это шарикоподшипниковые стали, Х – хром в десятых долях процента: ШХ6 – 0,6% Cr, ШХ15 – 1,5% Cr, ШХ20 – 2% Cr.

Для подшипников сталь выбирают по прокаливаемости:

ШХ6 – до 5-6 мм.

ШХ9 – 10-15 мм.

ШХ15 – до 30 мм.

ШХ15СГ – свыше 30 мм.

Термообработка: закалка 840-860º С (маленькие шарики охлаждают в масле, большие – в воде), отпуск 180-200º С.

После термообработки структура – отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными мелкими карбидами Cr. Браком является карбидная неоднородность, т.е. грубое выделение карбидов по границам зерен, а так же карбидная полосчатость структуры.

Рабочий интервал температур: от –40º С до +200º С.

8Х4В9Ф2Ш – от 200º С до 600º С.

 

Инструментальные стали.

Основные требования к инструментальным сталям:

1. Высокая твердость. Обеспечивается химическим составом и термообработкой. Химический состав: C, Cr, W, V, Mo, Ti, Nb, Co (карбидообразующие элементы).

Термообработка: а) закалка + низкий отпуск; б) термообработка на дисперсионное твердение для высоких рабочих температур. Высокую твердость обеспечивают карбиды.

Если сталь должна сохранять твердость до температур 500-600º С, то применяют термообработку на вторичную твердость. Для этого проводят закалку стали с максимально высокой температурой, что обеспечивает растворение карбидообразующих элементов в аустените. После закалки такой стали образуется мартенсит, в котором в твердом растворе находится большое количество легирующих элементов. В процессе последующего отпуска происходит распад мартенсита и одновременно выделение из него большого количества вторичных карбидов. Выделение карбидов сохраняет твердость в стали до температур 500-600º С. Дальнейшее увеличение температуры ведет к укрупнению карбидов, в результате твердость постепенно падает.

2. Вязкость необходима для инструментов, работающих с ударными нагрузками. Чем выше ударная нагрузка, тем выше запас по вязкости. Вязкость – свойство противоположное твердости, поэтому увеличение требований по вязкости ведет к снижению твердости.

3. Износостойкость. Работа любого инструмента связана либо со снятием стружки с заготовки, либо с изменением формы заготовки, что сопровождается течением металла по поверхности. Такие условия работы вызывают изнашивание поверхности. Чем дольше сопротивляется износу сталь, тем дольше служит инструмент.

4. Теплостойкость (красностойкость) – стойкость против отпуска, т.е. сохранение твердости при повышенной температуре. Теплостойкость чаще используется для штампов, красностойкость – для режущего инструмента. Они обеспечиваются термообработкой и химическим составом.

5. Прокаливаемость. Для большинства инструментов требуется сквозная прокаливаемость.

По назначению инструментальные стали делят на четыре группы:

1. Стали для режущего инструмента.

2. Стали для штампов холодной штамповки.

3. Стали для штампов горячей штамповки.

4. Стали для измерительного инструмента.