Выбор сталей и сплавов, а также технологии упрочняющей обработки деталей основываются на предъявляемых к ним требованиях, которые формируются применительно к условиям эксплуатации изделия при одновременном учете показателей его надежности. При этом нельзя рассчитывать на однозначное и простое решение, так как наряду с требованиями технического плана необходимо учитывать особенности изготовления детали, экономию металла, условия эксплуатации изделия.

Выбор сталей и сплавов на основе металловедческих соображений является первым шагом в решении этой проблемной задачи. В связи с тем, что в металловедении еще не разработаны единые принципы выбора металлов, рекомендуется проведение этой работы по этапам.

Первый этап. Необходимо совместно с конструктором, прежде всего оптимизировать форму детали с позиций ее технологичности при термообработке; надо минимизировать деформации и остаточные напряжения, исключить образование трещин, сколов при термической обработке (не допускать резких переходов, углов, прорезей и пр.). Одновременно следует уточнить требования к детали и сформировать их по возможности в виде стандартных характеристик.

Второй этап. С учетом назначения изделий, условий работы детали и предъявляемых к ней требований следует определить класс металлических материалов. Так, если это силовая конструкция, детали машин, подвергающихся различным механическим воздействиям, то выбирается класс 1. Если же определяющим параметром предполагаемой детали является какое-либо из физических свойств - выбирается класс 2. Наконец, если металл предназначается для изготовления инструмента - класс 3.[1]

Третий этап. С учетом условий работы, предъявляемых требований, данных расчета определяют характер нагружения, действующие напряжения и реализуемую деформацию (о модулях упругости сталей и сплавов) и на этой основе определяют подкласс материала.

Применительно к классу 1 это могут быть стали и сплавы различной прочности (подкласс 11 и 12), стали и сплавы с повышенной технологичностью (подкласс 13) или же стали и сплавы со специфическими свойствами - триботехнического назначения, с высокими упругими свойствами и, наконец, устойчивые к воздействию температуры рабочей и внешней среды (подклассы 14, 15 и 16 соответственно). Так, если детали машин, элементы конструкций подвергаются статическим или динамическим (циклическим) нагружениям, то для изготовления должны применяться какие-то из металлов подклассов 11 и 12. Если же такие воздействия сопровождаются еще и нагревом или агрессивностью среды, то выбор должен производиться из металлов подкласса 16. В случае же, когда под влиянием механических воздействий допустимы лишь упругие деформации или же они носят поверхностный характер, металл выбирается из подклассов 15 и 14 соответственно. И наконец, когда механические воздействия на элементы конструкции и детали машин сравнительно невелики, а их размеры подчас определяются из конструктивных соображений, металл для их изготовления должен выбираться из подкласса 13.

Аналогичным образом поступают и при выборе подклассов применительно к классам 2 и 3. В этом случае само название подкласса однозначно определяет целесообразность ориентации на него при выборе нужного материала.

Четвертый этап. В рамках выбранного подкласса, а иногда и подклассов (например, 11 и 12) с учетом тех же исходных данных по нагружениям и условиям работы требуемого комплекса физико-механических свойств выбирают группы и подгруппы. Их выбор должен увязываться с видом упрочняющей обработки. Выбор не будет, да и не должен быть однозначным.

Так, применительно к подклассам 11 и 12 при необходимости обеспечения минимальной массы детали могут быть выбраны группы 113 и 121, 123 и даже 122. Все эти металлы в принципе пригодны для решения поставленной задачи. Вместе с тем иногда учет специфики работы позволяет уменьшить количество выбранных групп. В данном случае, например, если помимо высокой прочности необходимо обеспечение коррозионной стойкости, то может оказаться целесообразным ограничиться группами 121 и 123.

Аналогичным образом и, как правило, с большей определенностью выбираются соответствующие группы металлов для изготовления деталей с особыми физическими свойствами и для изготовления инструментов.

Пятый этап. В рамках выбранных групп (подгрупп, если они есть) с учетом количественных требований по физико-механическим свойствам материала определяется перечень марок сталей и сплавов, удовлетворяющих указанным требованиям. При разработке такого перечня надо определиться и с видом упрочняющей обработки.

Ввиду специфики составления указанного перечня марок остановимся на этом подробнее применительно к каждому классу.

 Формирование перечня марок конструкционных сталей и сплавов (класс 1)

Специфика формирования перечня марок стали этого класса обусловливается обширностью их ассортимента. Исходным является положение о необходимости обеспечения прочности детали (сопротивление пластической деформации), жесткости (coпротивление упругой деформации) и ее надежности в условиях эксплуатации с учетом заданного срока службы (сопротивление хрупкому разрушению, усталости, износу, коррозии и другим воздействиям).

Требующиеся для выбора марок перечня сведения об их свойствах можно брать из соответствующих ГОСТов. При этом надо иметь в виду, что металлургическая промышленность гарантирует поставку стали по механическим свойствам, химическому составу. На свойства же, указанные в ГОСТах, можно ориентироваться, если при производстве детали на машиностроительном заводе металл не подвергается обработке, приводящей к изменению его структуры (пластическая и термическая обработка). В противном же случае надо находить дополнительную информацию, отражающую влияние указанных видов обработки; приводимые в ГОСТах механические свойства в этих случаях гарантируют лишь определенный уровень качества металла.

При выборе марок из числа конструкционных сталей наиболее характерны два следующих случая:

1) Использование сталей строительного назначения. Стали для строительных конструкций подразделяются по категориям прочности; при каждом уровне гарантируется предел прочности (числитель) и предел текучести (знаменатель); при уровне

С 380/230 - стали нормальной прочности, при С 460/330 и С 520/400 - стали повышенной прочности и при С 600/450, С 700/600, С 850/750 -стали высокой прочности. От значений указанных характеристик зависит сечение элементов конструкций, а следовательно, их масса.

    При достаточности нормальной прочности применяются в основном углеродистые стали обыкновенного качества (см. подгруппу 1111) без термической обработки. Вместе с тем категорию прочности этих сталей можно повысить увеличением содержания углерода, при этом снижается пластичность. В последнее время для повышения категории прочности таких сталей рекомендуется их термоупрочнение, сущность которого состоит в получении низкотемпературных продуктов распада аустенита (более дисперсный перлит, иногда частично бейнит).

Повышение категории прочности строительных сталей без термообработки достигается чаще всего легированием марганцем и кремнием (твердорастворное упрочнение ферритной составляющей); к таким сталям относятся: например, О9Г2, О9Г2С, 17ГС и др. Вместе с тем они могут подвергаться ВТМО, что обеспечит повышение вязкости и снижение порога хладноломкости. Для уменьшения склонности к росту зерна в состав таких сталей вводятся карбидообразующие элементы, например, ниобий (10Г2Б).

Если же необходима еще более высокая категория прочности, надо переходить к применению стали с карбонитридным упрочнением (например, марка 16Г2АФ), а иногда прибегать к контролируемой прокатке (О9Г2ФБ). При необходимости значительного понижения порога хладноломкости наряду с термообработкой в состав таких сталей вводится никель.

2) Использование сталей для деталей машин, подвергающихся механическим воздействиям (подгруппа 1112 и группа 113). Применение углеродистых сталей в этом случае нередко ограничивается их малой прокаливаемостью.

Легирование машиностроительных сталей производится помимо повышения прокаливаемости, также для увеличения теплостойкости, жаростойкости, жаропрочности. Наиболее доступными легирующими элементами, повышающими прокаливаемость и частично теплостойкость, являются марганец, кремний, хром и ванадий; особенно эффективно в этом отношении комплексное легирование двумя-тремя и более элементами, включая и дефицитные элементы - никель, молибден, вольфрам. Так, критический диаметр прокаливаемости при закалке в воде у стали 40 равен 10, у стали 40Х - 30, у стали 40ХН - 50, у стали 40ХНМ - 100 мм.

В случае опасности перегрева и роста зерна (при повышенном содержании марганца) в стали необходимо присутствие какого-либо сильного карбидообразующего элемента, чаще всего это титан (40ХГТ, 18ХГТ). При необходимости обеспечения высокой прокаливаемости и низкого порога хладноломкости используются стали с добавками никеля, причем для устранения отпускной хрупкости в них должен присутствовать и молибден (18Х2Н4МА, 40ХН2МА, 38ХНЗМФА).

Низкоуглеродистые стали выбираются применительно к поверхностному упрочнению деталей цементацией или нитроцементацией; комплекс требуемых механических свойств в сердцевине в этом случае обеспечивается закалкой с низким отпуском. Среднеуглеродистые стали выбираются в предположении проведения улучшающей термообработки (в азотируемых сталях такая обработка предусматривается в качестве предварительной). Повышением температуры отпуска от 200 "С до 650 °С предел текучести таких сталей при содержании углерода 0,2 % снижается с 1200 до 600 МПа; это означает, что варьированием температуры отпуска характеристики машиностроительных сталей можно по­высить примерно в два раза.

Выбирая конструкционную сталь, следует позаботиться об обеспечении соответствующего запаса вязкости (ДТ), гарантирующего от случайного хрупкого разрушения. Обычно запас вязкости по порогу хладноломкости для ответственных деталей, испытывающих динамические нагрузки, принимается 60°С, для неответственных деталей, не испытывающих динамические нагружения, он берется 20°С, а для промежуточных случаев - 40°С.

К сталям повышенной прочности прибегают тогда, когда важным является уменьшение массы изделия при сохранении высокой прочности отдельных деталей. Следует, однако, при этом иметь в виду два обстоятельства.

· Во-первых, в случае ориентации на сталь повышенной прочности надо учитывать степень допустимой деформации (упругой или пластической); в этом смысле допустимый уровень напряжений будет ограничен, что может предопределить ненужность дальнейшего повышения прочностных характеристик.

· Во-вторых, при значительном повышении прочности стали (1400, 1600 и 2000 МПа) снижается сопротивление внезапному ее разрушению (часто при напряжениях значительно ниже расчетных и меньших, чем предел текучести), что инициируется присутствующими в сталях дефектами; в этом случае разрушение сталей в районе температур полухрупкости Т₅₀ смешанное (хрупко-вязкое) и допустимое напряжение будет определяться размером дефекта (трещиностойкостью, косвенно характеризуемой значением коэффициента интенсивности напряжений К_1с).

Так, при длине дефекта 3 мм разрушение произойдет при напряжении 600 МПа, если коэффициент интенсивности напряжений равен 31,5 МПа-м^1/2, и при 800 МПа, если указанный коэффициент будет 57 МПа-м^1/2, хотя предел текучести в обоих случаях может быть одинаковым и более 1200 МПа.

Итак, для сталей с вязким разрушением выбор марки можно основывать на сопоставлении расчетных напряжений и предела текучести (прочности) при условии обеспечения необходимого запаса вязкости; для сталей же со смешанным или даже хрупким разрушением (высокопрочные стали) выбор марки опреде­ляется сопоставлением расчетных напряжений с разрушающими напряжениями, обусловливаемыми коэффициентом интенсивности напряжений и предельным размером возможных дефектов. В связи с повышенной чувствительностью высокопрочных сталей к концентраторам напряжений как внутренним (дефекты, в том числе неметаллические включения), так и внешним (выточ­ки, острые переходы) необходимо предусматривать применение специальных методов выплавки, обеспечивающих высокую степень чистоты стали по неметаллическим включениям, вредным примесям и газам.

Из высокопрочных машиностроительных сталей наименьшей склонностью к хрупкому разрушению характеризуются мартенситно-стареющие стали и ПНП-стали, однако они значительно дороже из-за высокой степени легирования.

Важным требованием, предъявляемым к деталям, изготавливаемым из конструкционных сталей повышенной и высокой прочности, является обеспечение долговечности изготавливаемых из них деталей; последняя достигается не столько материалом детали, сколько способом поверхностного упрочнения. Для боль­шинства деталей машин нарушение работоспособности связано с двумя видами повреждений поверхности - износом и усталостью.

    Все способы повышения поверхностной твердости (поверхностная закалка, химико-термическая обработка, а также поверхностный наклеп) способствуют повышению износостойкости и усталостной прочности.

При выборе методов поверхностного упрочнения надо учитывать, что нитроцементация (при толщине слоя насыщения до 0,8-0,9 мм) требует заметно меньшего времени, чем цементация, и проводится к тому же при более низких температурах. Еще быстрее выполняется поверхностная закалка, но она применима к деталям сравнительно простой формы и требует, как правило, больших капитальных затрат. Получаемая при этом стойкость слоя, а следовательно, долговечность детали будет разной и это определяется не только свойствами слоя, но и условиями (спецификой) эксплуатации изделия. К тому же разными будут энерго- и трудозатраты, безопасность и вредность работы.

Обеспечение такой разновидности долговечности, как коррозионная стойкость, жаропрочность и т. п., в основном определяется правильным выбором марки стали и последующей термической обработкой.

В качестве конструкционных применяются и стали, работающие в специфических условиях; название этих сталей уже предопределяет их область применения. Например, стали с высокими упругими свойствами (см. группы 151 и 152). Наиболее общие из предъявляемых к ним требований высокое сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационная стойкость -обеспечиваются термообработкой либо на углеродистых сталях (70, 65), либо сталях, легированных кремнием и марганцем (55ГС, 60С2), отличающихся большей прокаливаемостью. Более легированные стали (с хромом, молибденом и вольфрамом) целесообразно применять только в случае работы упругих элементов при повышенных температурах.

К числу конструкционных относятся так же стали и сплавы, устойчивые к воздействию температуры рабочей и внешней среды (подкласс 16).

Стали и сплавы, работающие при повышенной температуре, выбираются по основному признаку - температуре эксплуатации.

Для деталей, не подвергшихся значительным нагружениям, выбираются жаростойкие стали и сплавы с учетом температуры начала интенсивного их окисления в окислительной (в том числе с сероводородом) или науглероживающей средах (от 600-650 °С до 1100-1150 °С). Повышение жаростойкости достигается в первую очередь повышением содержания хрома (до 20-30%), а также добавками кремния и молибдена; для повышения стойкости в науглероживающих средах необходимо дополнительное легирование никелем (7-14%).

Для деталей, подвергшихся значительным механическим нагрузкам, вызывающим ползучесть материала, основной является необходимость обеспечения прочностных свойств при сохранении достаточно высокой жаростойкости. В случае длительного нагрева до 400-550 °С надо применять перлитоферритные стали, до 500-600˚С - высокохромистые ферритокарбидные, до 600-850 "С - аустенитные стали с карбидным или интерметал-лидным упрочнением; для работы при еще более высоких температурах должны использоваться сплавы на никелевой и никель-кобальтовой основе, а также тугоплавкие сплавы на основе вольфрама, молибдена и ниобия.

Для деталей, работающих при низких (криогенных) температурах должны применяться стали и сплавы, пластичность которых с понижением температуры либо не изменяется, либо уменьшается незначительно и без резкого падения. При работе до температур -196 °С можно применять ферритные (мартенситные), но высоконикелевые стали; в случае же еще более низких рабочих температур (вплоть до водородных и гелиевых температур -253 и -269 °С) надо применять аустенитные хромоникелевые и хромомарганцево-никелевые стали, сохраняющие γ-решетку при столь низком охлаждении. При необходимости иметь большую прочность для этих целей можно использовать и мартенситно-стареющие стали. С этой же целью могут использоваться бронзы, в частности, алюминиевые и бериллиевые бронзы с низкими коэффициентами трения, а также алюминиевые деформируемые сплавы.

При выборе сталей и сплавов, устойчивых к воздействию рабочей и внешней сред, принимается во внимание, прежде всего, стойкость против общей, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания. При этом надо иметь в виду, что стали, в том числе высоколегированные, имеют достаточную стойкость против коррозии в ограниченном числе сред; многие из них стойки против действия окисляющих кислот и не имеют необходимой стойкости в соляной кислоте и других реагентах.

При выборе марок перечня в каждом конкретном случае надо стремиться к применению стали с минимальным легированием с условием обязательного обеспечения требуемого уровня несущей способности; удорожание стали в результате легирования должно перекрываться достигаемым при этом положительным эффектом. Поэтому выбор марок перечня надо начинать с углеродистых сталей и в случае их непригодности переходить к легированным при одновременном учете дефицитности соответствующих элементов. В связи с этим заметим, что к недефицитным легирующим элементам относятся: марганец, кремний, хром, алюминий, титан, ванадий, бор, а к дефицитным - ниобий, молибден, медь, свинец, никель, вольфрам, тантал, кобальт, из которых особо дефицитными являются: вольфрам, никель, кобальт.

В качестве конструкционных могут выбираться также металлы и сплавы нежелезной группы, если они лучше отражают специфику условий работы соответствующих деталей.

Так, медные сплавы отличаются от железных низким коэффициентом трения, что обусловливает полезность применения их в парах скольжения; это тем более целесообразно, что многие из них характеризуются высокой пластичностью, хорошей стойко­стью против коррозии в ряде агрессивных сред и высокой теплопроводностью. При этом надо иметь в виду, что прочностные характеристики выше у двухфазных сплавов, а пластичность - у однофазных; упрочнению последних способствует повышение их легированности (твердорастворное упрочнение). Однофазные и, двухфазные бронзы превосходят латуни по прочности и сопротивлению коррозии (особенно в морской воде); высокая износостойкость характерна для двухфазных бронз. Важное преимущество двухфазных бронз - хорошие литейные свойства (у оловянных - малая усадка, у алюминиевых - хорошая жидкотекучесть). Наиболее прочными из медных сплавов являются бериллиевые бронзы; их высокая прочность (после обработки на старение) сочетается с повышенной коррозионной стойкостью и электропроводностью. При выборе медных сплавов надо иметь в виду, что наиболее дефицитными и наиболее дорогими из них являются оловянные и бериллиевые бронзы.

Главное преимущество алюминиевых сплавов состоит в том, что они имеют малую плотность (2,7-3,0 т/м³) при достаточно высокой прочности (сплавы, упрочненные старением); их недостатки - низкий модуль упругости (7-10⁴ МПа против 20-10⁴ МПа у сталей и чугунов), невозможность упрочнения поверхностного слоя химико-термической обработкой и, вследствие этого, низкая износостойкость. Дюралюминий к тому же недостаточно устойчив против коррозии. Жаропрочность алюминиевых сплавов ниже, чем у сталей и титановых сплавов. Литейные алюминиевые сплавы имеют низкую температуру литья, хорошую жидкотекучесть, но характеризуются пониженными механическими свойствами. Порошковые алюминиевые сплавы типа САП обладают большей жаропрочностью и работают при температуре на 30-50°С выше, чем деформируемые и литейные сплавы.

Еще более легкими сплавами конструкционного назначения являются магниевые сплавы (1,7-1,8 т/м³), однако их модуль упругости ниже, чем у алюминиевых, и они пригодны лишь для малонагруженных деталей.

Титановые сплавы своими главными преимуществами имеют: небольшую плотность (4,5 т/м³), высокую коррозионную стойкость; высокие прочностные характеристики при отсутствии хладноломкости, в том числе при очень низких температурах; кроме того, они обладают сравнительно хорошей жаропрочностью, хотя и ниже, чем у сталей. По стойкости против коррозии в ряде сред они превосходят коррозионно-стойкие стали, медные и никелевые сплавы. Двухфазные, упрочняемые старением титановые сплавы, обладая меньшей пластичностью, по прочности не уступают улучшаемым легированным конструкционным сталям. Вместе с тем сплавы титана уступают сталям, особенно высокоуглеродистым, в твердости и износостойкости, что затрудняет их использование для деталей, работающих на трение.

Завершая рассмотрение вопроса о подготовке перечня марок по конструкционным сталям и сплавам, необходимо отметить, что, помимо окончательной (упрочняющей) обработки, надо определиться и с предварительной термической обработкой соответствующих заготовок. Ее необходимость и цели проведения определяются конкретными условиями. Чаще всего она используется для обеспечения технологичности процесса изготовления детали (придания формы) -повышения штампуемости, улучшения обрабатываемости резанием. Например, для улучшения штампуемости стали решающее значение имеет сфероидизация цементита, в связи с чем целесообразным представляется применение сфероидизирующего отжига; для подготовки структуры к обработке резанием стали обычно подвергаются нормализации или отжигу.[2] В целях предупреждения образования флокенов при охлаждении после ковки некоторых специальных сталей должна предусматриваться изотермическая выдержка заготовок в районе субкритических температур с последующим замедленным охлаждением.

Нередко предварительная термическая обработка имеет своей целью подготовку структуры к последующей термической обработке и повышение ее эффективности. Число и характер операций такой обработки обусловливается составом сталей и сплавов, видом формообразования и размерами обрабатываемых заготовок.

Необходимые для выбора сталей и сплавов количественные характеристики их свойств надо брать по соответствующим справочникам, ГОСТам и другой научно-технической документации.

Лекция 7.