Главная  Промышленность 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 [ 51 ] 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65

роком диапазоне температур от криогенных до 450-500°С.

Другое важное достоинство этого класса сталей-высокая технологичность.

Они обладают неограниченной прокаливаемостью, хорошо свариваются, до старения легко деформируются и обрабатываются резанием. При термической обработке практически не происходит коробления и исключено обезуглероживание.

Стали со стареющим мартенситом, несмотря на высокую стоимость, применяют для наиболее ответственных деталей в авиации, ракетной технике, судостроении и как пружинный материал в приборостроении.

Метастабильные аустенитные стали (трипстали)-новый класс высокопрочных материалов повышенной пластичности. Они относятся к высоколегированным сталям. Их состав, который ориентировочно может быть выражен марками 25Н25М4Г, 30Х9Н8М4Г2С2, подобран таким образом, чтобы после закалки от температуры 1000-1100 °С они имели устойчивую аустенитную структуру (М„ лежит ниже 0°С). Аустенитная структура обладает высокой вязкостью, но низким пределом текучести. Для упрочнения стали подвергают специальной тепловой обработке-пластической деформации с большими степенями обжатия (50-80%) при температуре 400-600 °С, лежащей ниже температуры рекристаллизации. При этом деформационное упрочнение (наклеп) совмещается с карбидным упрочнением, развивающимся в результате деформационного старения. Насыщенная дислокационная структура, создаваемая пластической деформацией, дополнительно стабилизируется выделяющимися дисперсными частицами карбидов. В результате деформационно-термического упрочнения предел текучести повышается до 1800 МПа. При этом сталям свойственны высокая пластичность (6 > 20%) и трещиностойкость. Значения 6 и


600 1400 2гооб,,мпа

Рис. 8.11. Вязкость разрушения высокопрочных сталей:

1 - метастабильных аустенитных; 2 - мартенсит-но-стареющих; 3 - хромоникелевых

У этих сталей больше, чем у других высокопрочных сталей (рис. 8.11).

Высокая пластичность и вязкость разрушения обусловлены развитием мартенситного превращения в процессе деформирования. Дело в том, что при тепловой обработке аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами и становится менее устойчивым (ме-тастабильным). Благодаря этому повторная пластическая деформация вызывает превращение метастабильного аустенита в мартенсит деформации. Механизм повышения пластичности и вязкости разрушения связан с «залечиванием»-локальным упрочнением аустенита в участках пластического течения (в том числе и у вершин движущейся трещины). Образующийся в таких участках мартенсит деформации упрочняет их настолько, что они перестают быть слабыми участками, и деформация распространяется на соседние участки.

Применение метастабильных аустенитных сталей ограничивается сложностью деформационно-термического упрочнения. Для высоких степеней деформации при низких температурах требуются мощные деформирующие средства. Области применения сталей: дета-




20 40 60 (5;%

Рис. 8.12. Соотношение между пределом текучести и пластичностью высокопрочных сталей:

среднеуглеродистых, упрочненных ТМО; 2 - мартенситно-стареющих; 3 - среднеуглеродистых легированных без ТМО: 4 - метастабильных аустенитных

ЛИ авиаконструкций, броневой лист, проволока тросов и др.

Взаимное расположение высокопрочных сталей различных классов по прочности и пластичности представлено иа рис. 8.12. Из него видно, что наибольшей прочностью обладают фед-неуглеродистые стали после термомеханической обработки, а наибольшей пластичностью при одинаковой прочно-сги-метасгабильные аустенитные

стали.

Легированные стали с повышенной циклической прочностью. Циклическая прочность стали определяет работоспособность большой группы ответственных деталей машин-валов, осей, шатунов, штоков, валов-шестерен и других. Основой выбора стали для таких деталей служит предел вьшосливости а 1. Наряду с a i используют и такие параметры статической прочности, как Ов, с7о,2 или НВ, что объясняется их устойчивой связью с пределом вьшосливости. При выборе марки стали учитывают также ударную вязкость, сопротивление износу, прокаливаемость.

Изменение предела вьшосливости стали с ростом ее статической прочности подчиняется сложной зависимости (рис. 8.13).

В соответствии с закономерностями усталостного разрушения высокая циклическая прочность стали достигается в том случае, если она оказывает высокое сопротивление зарождению трешин усталости и их развитию. Как отмечалось в п. 7.2, трешины усталости зарождаются тем труднее, чем выше сопротивление поверхностного слоя пластической деформации; иначе циклическая пластическая деформация формирует глубокие повреждения поверхности, являюшиеся источниками субмикроскопических трешин усталости. Развитие трешин усталости, наоборот, идет тем труднее, чем легче протекает пластическая деформация, и тем самым полнее релаксируют напряжения у вершины трешины. Исходя из этих закономерностей, упрочнение стали повышает сопротивление зарождению трешин усталости, а повышение пластичности - сопротивление их развитию. Высокая пластичность необходима также для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, которые облегчают зарождение трешин усталости. Таким образом, предел вьшосливости стали зависит не только от ее статической прочности, но и от пластичности.


200 600 WOO mo6g,Hna

Рис. 8.13. Зависимость предела вьшосливости при изгибе от временного сопротивления среднеуглеродистых сталей с различной структурой



Снижение пластичности стали и обусловливает замедление роста предела выносливости (см. рис. 8.13) при повышении прочности выше некоторого значения.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках, преимущественно применяют стали нормальной и повышенной статической прочности. Из них предпочтение отдают улучшаемым сталям: углеродистым БСт5, ВСт5, 35, 40, 45, 50, 55 и низколегированным 40Х, 50Х, 40ХН, 50ХН, 40ХНМА, 35ХГСА, 38ХНЗМА и др., обрабатываемым на структуру сорбита. В отдельных случаях углеродистые стали из-за низкой прокаливаемости применяют в нормализованном состоянии с ферритно-перлитной структурой.

Для улучшаемых сталей, имеющих невысокую твердость (ЯВ<3500), характерны раннее пластическое течение и повреждение тонких (5-10 мкм) поверхностных слоев. Субмикроскопические трещины усталости у них возникают на ранней стадии, составляющей 3-10% от общего времени до разрушения. (Остальное время приходится на их развитие.

Характерная особенность улучшаемых сталей-высокая живучесть, обусловленная низкой скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Причиной низкой СРТУ, кроме высокой пластичности сталей, является также развитая субструктура ферритной фазы сорбита, которая формируется при высоком отпуске в результате процесса полигонизации.

Дислокации, выстраиваясь в стенки, образуют в феррите малоподвижные субграницы, которые дополнительно блокируются карбидными частицами. При наличии таких внутренних барьеров трещина вынуждена ветвиться, развиваться зигзагообразно, что увеличивает энергию ее образования и время развития. В результате улучшаемые стали на обобщенной диаграмме усталостного разрушения (см. рис. 7.10) имеют

достаточно длительную стадию II и короткую стадию I.

Кроме высокой живучести важное достоинство улучшаемых сталей-малая чувствительность к качеству поверхности и случайным ударным нагрузкам. В связи с этим выносливость улучшаемых сталей относительно слабо снижается при наличии на поверхности деталей острых концентраторов напряжений (резьбы, шпоночных канавок, мелких отверстий, галтелей малого радиуса и т. п.).

Недостаток улучшаемых сталей- невысокий предел выносливости, величина которого растет по мере увеличения статической прочности стали (см. рис. 8.13). При этом до значений aj,< < 1200 МПа зависимость между и а 1 сохраняется линейной, а коэффициент выносливости = a i/uB максимальный и достигает примерно 0,5.

Рассчитывать детали из улучшаемых сталей по величине a i не всегда целесообразно из-за низких допустимых рабочих напряжений, что определяет слишком большие размеры деталей. Нередко расчет ведут по ограниченному пределу выносливости (сТрб > cr i). Это допустимо, так как высокая живучесть улучшаемых сталей позволяет своевременно выявить трещину и заменить деталь без аварийных последствий. Наиболее низкий предел выносливости имеют среднеуглеродистые стали (БСт5, ВСт5, 35, 40, 45, 50, 55, 40Х и др.), применяемые в нормализованном состоянии с ферритно-перлитной структурой (см. рис. 8.13). В таком состоянии эти стали используют при ограничении стоимости деталей или при больших вибрационных нагрузках, когда от материала требуется высокая демпфирующая способность.

Стали повышенной прочности {Og = = 1300 1500 МПа) и твердости {HRC 40-50) со структурой троостита (см. рис. 8.13) относятся к материалам функционального назначения - рессорно-пру-жинным сталям. Циклические нагрузки



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 [ 51 ] 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65