Стали пониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют

1.14 Стали пониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют

В сталях пониженной прокаливаемости (как 55ПП – сталь 58 по ГОСТ 1050) гарантируется низкая прокаливаемость при высоком содержании углерода.

Стали пониженной прокаливаемости можно применять для деталей с твердой поверхностью, при вязкой сердцевине (шестерни, зубчатые передачи).

Обычной закалкой можно получать тонкий (1,5…3 мм) твердый (полумартенситный) слой с зерном № 11-12 на поверхности зуба шестерен.

Аналогичного эффекта можно добиться только многочасовой цементацией малоуглеродистой стали.

1.15 Процесс старения стали

В низкоуглеродистой стали, в структуре которой преобладает феррит, известно изменение свойств при хранении (или в эксплуатации) после быстрого охлаждения от высоких температур (закалочное старение) или после пластической деформации (деформационное старение).

Старение обусловлено примесями внедрения (углеродом и азотом), растворенным в феррите. Они достаточно быстро диффундируют уже при комнатной температуре, а «носители» пластической деформации – дислокации – их притягивают и, «обрастая» сегрегациями примеси, закрепляются. После старения, пока «свободных» дислокаций мало, пластическая деформация идет лишь по мере рождения новых. По мере размножения дислокаций сопротивление течению с деформацией падает.

Появляется «зуб текучести». Пока «смягчённая» размножением зона распространяется на весь образец, сопротивление деформации не меняется. Старение длится дни и месяцы при комнатной температуры (часы и дни – при 100 ˚С) и проходит четыре стадии. На первой стадии вдоль дислокаций оседают сплошные в «одноатомные» цепочки атомов примеси, от чего растут предел текучести и деформация Людерса. На второй стадии длина площадки неизменна, но вместе и одинаково с пределом текучести поднимается вся диаграмма. На третьей стадии на дислокациях есть и частицы размером в несколько нанометров. Они упрочняют и сами по себе, так что подрастает предел прочности, но соответственно падают удлинение и работа разрушения. Иногда можно дождаться и четвёртой стадии – «перестарения» (медленного смягчения от укрепления частиц).

Старение вредно понижением пластичности (листа для холодной штамповки) или же охрупчиванием конструкции (зуб текучести означает большое сопротивление малым пластическим деформациям – местные перегрузки хуже «рассасываются»). Старение усиливает хладноломкость, отчего, например, несвязанный азот понижает ударную вязкость строительной стали.

1.16 Требования к автомобильному листу

Кузов автомобиля изготавливается холодной штамповкой (и точечной сваркой) из тонкого (0,5…3 мм) листа низкоуглеродистой стали.

Обычно до толщины около 2мм лист доводят горячей прокаткой на непрерывном широкополосном стане, затем окалину удаляют травлением. После холодной прокатки до конечной толщины полосу отжигают.

Из норм штампуемости (удлинение δ>34…40%: вытяжки по Эриксену, нормальной R и плоскостной ∆R пластической анизотропии) вытекает много дополнительных требований к структуре: к зернограничному цементиту, к величине зерна (балл № 6-8 – из-за полос Людерса и «Апельсиновой корки»), к старению от остаточного азота и к наночастицам (например, A1N или MnS).

Для выполнения этого набора требований нужна цепь технологий высокого уровня, начинающаяся от плавки (чтобы обеспечить, например, в 1Р-сталях 0,003…0,005%С и 0,003…0,005%N и в строгой пропорции с их количеством вводить 0,03…0,05%А1 и 0,05…0.08%Тi к моменту кристаллизации).

Конечную величину зерна определяют четвертичные включения АIN или МnS –наночастицы, которые могут неоднократно растворяться (при нагреве сляба или при отжиге) и вновь выпадать - при горячей прокатке, после нее, в смотанном рулоне, при отжиге. Всей их «историей» надо управлять по всему производственному температурно-временному циклу и с учетом исходного состояния слитка.

Наночастицы задают в конечном счете и пластическую анизотропию - через взаимосвязи кристаллографических текстур: слитка, горячей и холодной прокатки и рекристаллизации. Например, когда сталь О8Ю сумели разлить сразу на толщину подката, понадобилась его смотка для требуемого выделения АlN и МnS - иначе замедлялась рекристаллизация при непрерывном отжиге.

До 35% от массы автомобиля (как в Японии) мог бы составлять более высокопрочный лист. Но легирование ухудшает штампуемость, и найдено компромиссное решение: оставлять в стали типа О8Ю после отжига немного несвязанного азота и алюминия, чтобы при нагреве для сушки в окрашенной детали прошло старение (ВН-стали: «упрочняемые при сушке»). Прирост предела текучести Δδ0,2 – 30…40Мпа – небольшой, но для мягкой стали это 15%.

1.17 Термин хорошая “свариваемость стали”?

Довольно редко прокат есть конечная продукция, готовая к применению. Потребитель, как правило, сваривает все листовые стали, практически все строительные (балки, плиты, арматуру) и часто даже рельсы (в длинные плети). Хорошая свариваемость стали – возможность получать сварной шов без трещин, который по прочности и вязкости не хуже основного металла. Свариваемость проверяется испытаниями после сварки специальных образцов. Условия хорошей свариваемости стали обычно противоречат требованиям прокаливаемости.

С точки зрения металлургии дуговая, контактная, точечная электросварки заключаются в расплавлении и быстрой кристаллизации стали – почти закалке из расплава. Неодинаковое тепловое расширение зоны сварки создает высокие сварочные напряжения в шве и около него – и во время кристаллизации, и после охлаждения.

Термические напряжения в ходе сварки вызывают в шве горячие трещины (разрушение в твердожидком состоянии). Риск их появления тем выше, чем шире интервал температур кристаллизации (чем больше в стали углерода) и чем больше легкоплавких сульфидов.

1.18 От чего зависит контактная прочность стали?

Чем выше контактная прочность стали, тем меньше вероятность возникновения контактной усталости. Контактная усталость- зарождение и рост трещин при циклическом нагружении, ниже предела текучести.

Такое свойство стали, как контактная прочность имеет важное значение для деталей испытывающих постоянно повторяющиеся циклические нагрузки.

Например, при качении шарика по кольцу в подшипнике или колеса по рельсу.

Повысить контактную прочность стали можно получив структуру мартенсита с мелкими равновесными зернышками цементита, без следов цементитной сетки. Но тогда наиболее опасны неметаллические включения «умеренных размеров» – на порядок крупнее, чем цементит.

Если же крупных включений много, то долговечность падает катастрофически: в 100 раз, когда оксидов крупнее 30 мкм стало больше в 10 раз. Чем выше твердость и модуль упругости включения, тем больше концентрация напряжений в нем, а следовательно хуже контактная прочность.

Например, для стали ШХ15 наиболее опасны самые твердые остроугольные включения - зерна корунда Аl₂О₃. При равном содержании кислорода, подшипники из кислой мартеновской стали в 2,5 раза долговечнее, чем из электростали, так как в них вместо строчек крупных оксидов были глобули недеформируемых силикатов.

На контактную усталость влияет содержание серы. Содержание серы следует понижать, но сохраняя пропорцию[S]:[O]=2,5 т.к. выгодно, чтобы более легкоплавкий сульфид марганца кристаллизовался на поверхности частиц корунда, обволакивая их острые углы мягкой пленкой и снимая перегрузки в работе. Поэтому, например, наблюдается рост долговечности с повышением содержания серы от 0,01% до 0,023%, а далее - снижение.