Улучшаемые углеродистые и легированные стали (состав, марки, свойства, термическая обработка, применение).

Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3—0,5 % углерода и легирующие элементы обычно в количестве не более 5 %, которые используют после операции так называемого «улучшения», состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно прово­дят в масле. Температура отпуска составляет 550—650 °С.
После термообработки улучшаемые стали имеют структуру, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.
Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, ма­лую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.
Обычное содержание кремния в улучшаемых сталях составляет 0,17—0,37%, марганца — 0,5—0,8 %, и менее 0,035% фосфора и серы.
К этой группе относятся:
углеродистые стали марок 35, 40, 45;
хромистые стали марок 30Х, 40Х;
хромистые стали, дополнительно легиро­ванные еще одним или двумя элементами: 30ХМ, 40ХГ, З0ХГТ
хромансили 20ХГС, ЗОХГС
хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni: 40ХН, 40ХНМ
комплекснолегированные стали, содер­жащие 3—4 % Ni; 38ХНЗМ, 38ХНЗМФА.
Из сталей этой группы изготовляются сложные по конфигурации детали, подвер­гаемые ударным нагрузкам. Их недостаток состоит в склон­ности к флокенообразованию и трудности обработки реза­нием.

Назначение легирующих элементов.

Основным легирующим элементом является хром (0,8…1,2)%. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Порог хладоломкости хромистых сталей - (0…-100)oС.
Дополнительные легирующие элементы.
Бор - 0.003%. Увеличивает прокаливаемость, а такхе повышает порог хладоломкости (+20…-60 oС.
Марганец – увеличивает прокаливаемость, однако содействует росту зерна, и повышает порог хладоломкости до (+40…-60)oС.
Титан (~0,1%) вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
Введение молибдена (0,15…0,46%) в хромистые стали увеличивает прокаливаемость, снихает порог хладоломкости до –20…-120oС. Молибден увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
Ванадий в количестве (0.1…0.3) % в хромистых сталях измельчает зерно и повышает прочность и вязкость.
Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости (этот недостаток компенсируется введением в сталь молибдена). Хромоникелевые стали, обладают наилучшим комплексом свойств. Однако никель является дефицитным, и применение таких сталей ограничено.
Значительное количество никеля можно заменить медью, это не приводит к снижению вязкости.
При легировании хромомарганцевых сталей кремнием получают, стали – хромансиль (20ХГС, 30ХГСА). Стали обладают хорошим сочетанием прочности и вязкости, хорошо свариваются, штампуются и обрабатываются резанием.Кремний повышает ударную вязкость и температурный запас вязкости.
Добавка свинца, кальция – улучшает обрабатываемость резанием. Применение упрочнения термической обработки улучшает комплекс механических свойств.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.
Растворение легирующих элементов в происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти амомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.
Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита – прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а твкже кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.
В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d – электронную полосу.
В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d – электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.
При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C – которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.
При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C – которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.
Все карбиды обладают высокой твердостью и температурой плавления.
Значений букв в названии:
А – азот М - молибден
Ю – алюминий Н - никель
Р - бор Б - ниобий
Ф- ванадий С - селен
В - вольфрам Т - титан
К - кобальт У - углерод
С - кремний П - фосфор
Г – марганец X - хром
Д - медь Ц - цирконий