Конструкционным материалам

Общие требования, предъявляемые к

СТАЛИ И СПЛАВЫ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Глава 1

Конструкционными называют стали и сплавы, применяемые для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Это - один из наиболее широко используемых и отличающийся разнообразием свойств класс материалов.

Такие материалы должны обладать высокими эксплуатационными свойствами, хорошей технологичностью, экономичностью и быть недефицитными.

Для обеспечения надежных эксплуатационных свойств они должны обладать высокой конструкционной прочностью.

Конструкционная прочность (прочность материала в конструкции) - это комплекс свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу изделия в конкретных условиях эксплуатации. Следовательно, конструкционная прочность определяется не только свойствами самого материала, но также и условиями его нагружения (статические, циклические или ударно-циклические нагрузки), температурной областью эксплуатации изделия, средой, в которой изделию предстоит работать (жидкой, газообразной, высокоагрессивной и т.п.).

В частности, при выборе конструкционных материалов для деталей аппаратов пищевого машиностроения, кроме общих требований, предъявляемых к механической прочности, технологичности, основными являются высокая коррозионная стойкость при длительном воздействии пищевых сред в условиях повышенных температур и давлений, а также моющих и дезинфицирующих средств. Еще одним обязательным требованием является необходимость учета токсичности материалов и продуктов их коррозии при контакте с пищевыми сре­дами, и разрешение Минздрава РФ на их применение.

Конструкционная прочность объединяет такие поня­тия как прочность (сопротивление материала пластиче­ской деформации), надежность (сопротивление хрупко­му разрушению) и долговечность (сопротивление мате­риала постепенному разрушению, его способность обеспечить работу изделий в течение заданного вре­мени).

В зависимости от конкретных условий эксплуатации изделий, в комплексе характеристик, входящих в поня­тие конструкционной прочности, превалируют те или иные сочетания свойств.

Так, например, если изделия работают в условиях высоких температур, то основные требования предъявляются к их жаропрочности и жаро­стойкости, а при эксплуатации их при низких температу­рах критичной является хладноломкость. При статичес­ких нагрузках критериями прочности служат пределы текучести s_0,2 и временное сопротивление s_В.

Следовательно, при оценке конструкционной прочно­сти необходимо применять те критерии, которые наибо­лее полно отражают прочностные свойства в условиях эксплуатации. Поэтому инженеру требуется хорошо ос­воить теоретические основы методов воздействия на прочностные и пластические свойства материалов, изло­женные в предыдущих разделах.

Оценка надежности материала является важнейшим этапом проектирования, поскольку хрупкое разрушение изделий приводит к опасным аварийным последствиям. В качестве характеристик, определяющих надежность конструкционных материалов, служат показатели пла­стичности (d и y) и ударной вязкости КС. Но, к сожале­нию, эти показатели, измеренные на лабораторных об­разцах, достаточно правильно отражают поведение в эксплуатации изделий, изготовленных из материалов с невысокой прочностью. При использовании же более прочных и соответственно менее пластичных материалов, указанных характеристик для оценки конструкционной прочности оказывается недостаточно и требуется учиты­вать сопротивление хрупкому разрушению - хладнолом­кость и трещиностойкость материалов, а именно такие параметры, как Т₅₀ (температуру, при которой излом образцов на 50 % является вязким) и параметр вязкости разрушения К_1С. В отличие от параметра хладноломкости, параметр К_1С может быть использован в расчетах кон­струкционной прочности изделий из высокопрочных ма­териалов, так как он позволяет оценивать допустимые напряжения при известных размерах трещин, или, наобо­рот, допустимый размер трещин при данном уровне при­ложенных напряжений. Чем выше коэффициент К_1С, тем надежнее материал в отношении сопротивления хрупко­му разрушению.

Долговечность конструкций и изделий зависит от ус­ловий их эксплуатации и характеризуется такими пара­метрами, как сопротивление ползучести, усталости и из­носу.

Но следует отметить, что во многих случаях при оцен­ке конструкционной прочности можно пока дать только общие рекомендации по выбору комплекса свойств. На­дежно предсказать поведение металла в той или иной конструкции на основании лишь лабораторных испыта­ний механических свойств затруднительно. Поэтому оценку конструкционной прочности проводят на основа­нии результатов натурных и стендовых испытаний. Это довольно дорогая операция, однако пока она является необходимой, особенно при проектировании ответствен­ных деталей и конструкций.

В связи с возрастающими требованиями к снижению металлоемкости конструкций, растут и требования к по­вышению конструкционной прочности.

Для ее повышения используют металловедческие, тех­нологические и конструкторские методы. Материаловедческие методы направлены на создание материалов с наиболее благоприятным сочетанием прочностных и пластических характеристик. Природа высокой прочно­сти (высокого сопротивления движению дислокаций) была рассмотрена в гл. 3, Часть I. Для повышения прочности применяют легирование, не только повышающее проч­ность межатомных связей, но и меняющее фазовый со­став. Сочетания высокой прочности с пластичностью до­биваются совмещением методов пластической деформа­ции с термической обработкой (методы ТМО).

Из числа технологических приемов, направленных на повышение конструкционной прочности, следует отме­тить металлургические способы повышения качества ме­талла (снижение содержания вредных примесей, неме­таллических включений и др.). Для этого используют различные современные методы электрошлаковый переплав (ЭШП), электронно-лучевой (ЭЛП), и вакуумно-дуговой (ВДП).

Для повышения износостойкости и усталостной дол­говечности используют различные методы упрочнения поверхности (поверхностный наклеп, осуществляемый обдувкой дробью, обкаткой роликами, ультразвуковую обработку, химико-термическую, лазерную термическую закалку и ионную имплантацию).

Если в конструкции нельзя избежать глубоких кана­вок и надрезов, то их подвергают локальной обработке, снижающей уровень напряжений, в частности лазерной.

В последние десятилетия все шире используют компо­зиционные материалы, сочетающие легкую пластичную матрицу с жесткими армирующими волокнами или час­тицами.

Следует отметить, что из множества конструкционных материалов, стали, титановые и алюминиевые сплавы обеспечивают критерии надежности и долговечности из­делий в довольно широком диапазоне требований и яв­ляются в некотором роде универсальными.

1.2. Конструкционные стали общего назначения

В зависимости от химического состава конструкционные стали общего назначения делятся на углеродистые, низ­колегированные (с содержанием легирующих элементов < 5 %), среднелегированные (от 5 до 10 %) и высоколе­гированные (более 10 % легирующих элементов). Как углеродистые, так и легированные стали разделяют на низкоуглеродистые (< 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3…0,7% С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С). В общем объеме производства конструкционных сталей углеродистые составляют более 80 %.

Рис. 1. Полосы прокаливаемости для сталей 12ХН3 (1) и 12Х2Н4А (2)

Несмотря на существенно меньшую долю производст­ва легированных сталей, их роль в машиностроении весь­ма велика и определяется воздействием легирующих элементов на их свойства и структурные составляющие.

Сведения о влиянии легирующих элементов на кон­струкционную прочность необходимы инженеру для обо­снованного выбора марок стали.

Большинство легирующих элементов (за исключени­ем никеля) при их содержании > 1 % снижают ударную вязкость стали. Кроме прямого упрочняющего воздейст­вия, такие элементы, как хром, молибден, никель и бор, повышают прокаливаемость, и поэтому часто проводят комплексное легирование (Cr + Mn), (Cr + Mo), (Cr + Ni) (рис. 1). При этом следует учитывать, что марганец способствует росту зерна и повышает порог хладнолом­кости. Поэтому легирование марганцем дополняют леги­рованием титаном, бором, ванадием и другими элемента­ми, измельчающими зерно. Для снижения порога хлад­ноломкости используют никель и молибден, а молибден и вольфрам вводят так же и для уменьшения склонности стали к отпускной хрупкости. Кремний значительно повышает прочностные свойства, но одновременно повышает также порог хладноломкости, поэтому его содержа­ние обычно не превышает 2 %.

Следует также учитывать, что такие легирующие элементы, как никель, молибден и вольфрам, являются не только дорогими, но и дефи­цитными. Поэтому их содержание, как правило, не пре­вышает 1…5 % Ni; 0,8…1,2 % W и 0,2…0,4 % Мо. В высокопрочных конструкционных сталях, используемых в наиболее ответственных деталях и конструкциях, со­держание таких элементов определяется их оптимальным воздействием на свойства.