Расчет конструктивной прочности стали по параметрам структуры

  Наиболее  эффективно действие обоих механизмов проявляется в стали 16Г2АФ с двумя карбонитридными фазами, карбонитридом ванадия и V(C, N) и нитридом алюминия AlN^*. Благодаря этому зерно измельчается особенно сильно, что приводит, наряду с дисперсионным упрочнением, к наиболее существенному суммарному упрочнению. Так как Ds_з >> Ds_ду , то при всех содержаниях ванадия | DT_з | > DT_ду и сталь имеет пониженную температуру перехода T_пр. В этой стали повышением запаса вязкости намного перекрывается охрупчивающее действие упрочнения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 4. Схема  совместного  влияния  двух  взаимозависящих  механизмов – дисперсионного и зернограничного упрочнений – на изменение предела текучести и температуры перехода низколегированных ферритно-перлитных сталей 

^* Сталь содержит 0,02 – 0,03% Al, не указанного в обозначении марки.

  В сталях с карбонитридным упрочнением  высокая прочность сочетается с  малой склонностью к хрупким  разрушениям, т.е. низкой температурой перехода из вязкого состояния в  хрупкое. Такие стали обладают наиболее высокой конструктивной прочностью по сравнению с другими строительными ферритно-перлитными сталями.

  Сталь 16Г2АФ, имеющая наиболее мелкое зерно, обладает наивысшей прочностью и  наименьшей температурой перехода из вязкого состояния в хрупкое. В результате применения этой стали в строительстве достигается экономия металла 30 – 50% при замене ею углеродистой стали Ст. 3 и  
15 – 30% – при замене ею низколегированных сталей типа 09Г2С и 14Г2. При этом стали с карбонитридным упрочнением обеспечивают надежную эксплуатацию металлоконструкций в районах с низкими климатическими температурами вплоть до –70°С. 

7. Основы  рационального выбора стали

Влияние углерода. Структура стали после медленного охлаждения состоит из двух фаз – феррита и цементита. Количество цементита в стали возрастает прямо пропорционально содержанию углерода (0,2% С = = 4% Fe₃C; 0,6% C = 8% Fe₃C; 0,7% C = 10% Fe₃C).

Твердые и хрупкие  частицы цементита повышают сопротивление  движению дислокаций, т.е. повышают сопротивление деформации, но уменьшают пластичность и

вязкость. Вследствие этого с увеличением в стали  углерода возрастают пределы прочности и текучести, твердость, но уменьшаются относительное удлинение, ударная вязкость и трещиностойкость К_1с. Повышение содержания углерода облегчает переход стали в хладноломкое состояние. Каждая 0,1% С повышает порог хладноломкости Т₅₀ в среднем на 20°С. Кремний и марганец в углеродистой раскисленной стали повышают предел текучести, но снижают пластичность. Сера, фосфор и газы загрязняют сталь неметаллическими включениями, понижают "металлургическое качество стали", повышают анизотропию механических свойств, повышают порог хладноломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению.

Основой большинства  современных легированных сталей является феррит, легированный одним или несколькими элементами.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при  содержании их в растворе выше определенного  предела снижают прочность и  повышают порог хладноломкости.

Малоуглеродистые  строительные стали подвергаются закалке  с прокатного нагрева в воде. Это приводит к образованию тонкой ферритно-цементитной структуры (тростита, сорбита).

Среднеуглеродистые  стали (0,3 - 0,5% С) применяют после нормализации и улучшения.

Для изделий  крупных сечений (d > 20 мм) используют легированные стали, имеющие механические свойства значительно выше, чем углеродистые стали. Особенно сильно повышаются предел текучести относительное сужение и ударная вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали обладают меньшей критической скоростью закалки, а следовательно, лучшей прокаливаемостью. Кроме того, после термической обработки они имеют более мелкое зерно и более дисперсные структуры.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь  чаще легируют более дешевыми элементами – марганцем, хромом и бором, а  также более дорогими – никелем и молибденом. Наибольшая прокаливаемость достигается при комплексном легировании стали. Однако следует иметь в виду, что по достижении необходимой для данного сечения прокаливаемости дальнейшее увеличение в стали легирующих элементов может не улучшить, а, напротив, ухудшить механические и технологические свойства. При этом повышается порог хладноломкости. Например, увеличение содержания в стали хрома и марганца до 1% практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. В связи с этим содержание легирующих элементов должно быть минимальным, обеспечивающим необходимую для данного сечения и условий охлаждения сквозную прокаливаемость.

Исключение составляют никель и молибден. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вязкость, и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается на 60 - 80°С, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3 – 4% вызывает менее сильное снижение хладноломкости.

Легирование стали  небольшим количеством (до 0,15%) V, Ti, Nb, Al и Zr, образующими труднорастворимые в аустените карбиды и нитриды, приводит к измельчению зерна, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещин.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к  отпуску и задерживают коагуляцию карбидов. Легирующие элементы существенно  повышают прочность стали после  улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения  

большей плотности  дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных и карбонитридных частиц.

Выбор стали  для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяются уровнем требуемой конструктивной прочности, технологичностью механической, термической и химико-термической обработки, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки.

Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, т.е. его вязкости разрушения К_1с.

Повысить сопротивление  хрупкому разрушению при сохранении высокой статической прочности можно измельчением зерна, легированием, ТМО, очисткой стали от вредных примесей.

Для многих строительных и машиностроительных сталей определение вязкости разрушения затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения, а по температурному порогу хладноломкости Т₅₀ (рис. 5). Наиболее низкую конструктивную прочность имеют горячекатаные стали обыкновенного качества (Ст. 2 … Ст. 4) с ферритно-перлитной структурой. Чем больше в них содержание углерода, тем выше s_т и Т₅₀. Термическое упрочнение углеродистых сталей повышает s_т и несколько снижает порог хладноломкости (У_ТУ).

Рис. 5. Диаграмма конструктивной прочности строительных (I) и машиностроительных (II) сталей: I – < 0,2% C; II – (0,2 - 0,5)% C; У_ГК и У_ТУ – углеродистые, горячекатаные и термоупрочненные стали; НЛ_ГК , НЛ_ТУ и НЛ_КП – низколегированные стали: горячекатаные, термоупрочненные и после контролируемой прокатки; Л_ЗНО, Л_ЗВО и Л_ТМО  – легированные  стали после закалки и низкого отпуска, закалки и высокого отпуска и ТМО

Низколегированные стали имеют более высокую  конструктивную прочность в горячекатаном и нормализованном состояниях (НЛ_ГК). После термической обработки низколегированных сталей s_т возрастает, а Т₅₀ практически не изменяется. Верхняя часть области НЛ_ГК относится к сталям с карбидным упрочнением (14Г2АФ, 15Г2СФ и др.), а нижняя – к сталям 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД и др. Высокой конструктивной прочностью обладают низколегированные строительные стали после контролируемой прокатки (НЛ_ГК). Машиностроительные легированные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность s_т, но склонны к хрупкому разрушению (Л_ЗНО). Улучшение в зависимости от температуры отпуска и состава стали обеспечивает низкий порог хладноломкости при достаточной прочности (Л_ЗВО). Наилучший комплекс прочности (s_т, К_1с, Т₅₀) легированные стали имеют после ТМО (Л_ТМО). Для изделий, требующих высоких значений К_1с и низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжений), следует применять мелкозернистые, спокойные стали предпочтительно легированные никелем и молибденом.

Кроме того, материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей и, наконец, их эксплуатационную стойкость в машинах, в которых они должны работать. В первую очередь, нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь. Например, стоимость легированной стали в 1,5 – 6 раз больше стоимости углеродистой стали. Применение легированной стали должно быть технически и экономически целесообразно и оправданно в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

Требования к материалу нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штамповке, сварке и т.д. Решение при выборе материала обычно компромиссно между указанными требованиями к стали. Вместе с тем не следует стремиться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности самой машины.

Обычно рассматривается  возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

8. Расчетные формулы для оценки вклада в упрочнение

  различных механизмов. Расчеты

Таблица 1