ных, транспортных самолетов и магистральных самолётов гражданской авиации (Ил-96, Ил-96 М/Т, МС-21, Sukhoi Superjet 100, Ту-204 и др.). Планер самолёта Су-100 изготовлен более чем на 90% из титана.
Титановые сплавы находят также применение в авиационных двигателях в качестве материала рабочих и направляющих лопаток компрессоров, дисков компрессоров, валов, деталей корпусов и оболочек. Применение титановых сплавов в авиационных двигателях стало возможным, в частности, благодаря разработке технологий изготовления титановых деталей методами литья, штамповки, сварки и механической обработки.
Титановые сплавы применяются и в химическом машиностроении. В отечественной практике был изготовлен гидролизный аппарат вместимостью 160 м3, представляющий собой сварной сосуд диаметром 3,8 м и высотой 17 м.
1.4. Легированные стали
Сталь - это железный сплав, содержащий углерод. Повышение содержания углерода свыше 0,8 %, хотя и повышает временное сопротивление разрыву металла, но снижает его пластичность и затрудняет возможность получения сварного соединения без дефектов.
Углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качества общего назначения марки «сталь Ст0», содержащая до 0,23 % углерода, характеризуется временным сопротивлением
разрыву σв = 300 МПа, имеет плотность 7.8 г/см3; теплопроводность при 20°С составляет 6,3 10-2 кал/см с °С; удельное электрическое сопротивление – 16,9 10-6ом см. температура плавления железа – 1539°С.
Для повышения механических свойств в стали вводят легирующие элементы, которые, вступая во взаимодействие с железом и углеродом, изменяют свойства сплава. В результате появляется возможность снижения массы конструкции. Леги-
16
рованными называются стали, содержащие специально введённые элементы. Так, марганец считается легирующим элементом при содержании его в стали более 0,7 % по нижнему пределу, а кремний – свыше 0,4 %. Сталь 20Г, содержащая угле-
рода 0,17-0,24 %, кремния 0,17-0,37 % и марганца 0,7-1,0 %
имеет значение временного сопротивления разрыву 450 МПа
при сохранении той же пластичности, что и у стали Ст0 (δ5 = 23 %).
Комплексное легирование позволяет получать высокопрочные стали (σв = 1000-1500 МПа) и тем самым решать важнейшую задачу авиационного материаловедения применительно к военным сверхзвуковым самолётам – повышение массовой отдачи (удельной прочности) сталей.
В зависимости от содержания легирующих элементов стали разделяют на три основные группы: низколегированные, содержащие в сумме до 4 % легирующих элементов; среднелегированные, содержащие до 10 % легирующих элементов и высоколегированные, содержащие более 10 % легирующих элементов.
Низколегированные стали, применяемые для изготовления сварных конструкций, условно можно разделить на три основные группы: низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали; низколегированные теплоустойчивые стали и низколегированные стали с повышенным содержанием углерода.
Содержание углерода в низколегированных низкоуглеродистых конструкционных сталях не превышает 0,23 %. Стали этого типа легируют рядом элементов, например марганцем, хромом, кремнием, ванадием и др., что приводит к повышению их прочности. Поэтому их часто называют низколегированными сталями повышенной прочности.
В зависимости от легирования стали рассматриваемого типа подразделяют на марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцовистые и др
17
Низколегированные конструкционные стали повышенной прочности обладают следующими достоинствами:
−высокой устойчивостью против перехода в хрупкое состояние;
−относительно простой технологией сварки; −сравнительно невысокой стоимостью.
По содержанию серы и фосфора низколегированные низкоуглеродистые конструкционные стали могут быть отнесены к качественным сталям.
Низколегированные стали с повышенным содержанием углерода при суммарном легировании до 4 % могут содержать углерода до 0,5 %. Примерами марок сталей этой подгруппы могут служить 30Х, 40Х, 35Г2, 40Г2, 50Г2 и др. Соответствующая термообработка позволяет повысить их прочность на разрыв до 600-1000 МПа. Повышение содержания углерода, а также степени легирования сталей увеличивает их склонность к закалке, в связи с чем такие стали характеризуются высокой чувствительностью к термическому циклу сварки, и околошовная зона оказывается резко закаленной и, следовательно, охрупченной при всех режимах сварки, обеспечивающих удовлетворительное формирование сварного шва.
Среднелегированные стали в зависимости от химическо-
го и фазового состава характеризуются высокими пределами текучести и прочности в сочетании с достаточной пластичностью, относительно высокой жаропрочностью и окалиностойкостью.
Высокие механические свойства среднелегированных сталей достигаются легированием элементами, повышающими прокаливаемость стали, и надлежащей термообработкой, после которой в полной мере проявляется положительное влияние легирующих элементов. Среднелегированные стали, предназначенные для изготовления сварных конструкций, как правило, подвергаются улучшению (закалке с последующим высоким отпуском) или закалке и низкому отпуску.
18
Высокие прочностные и пластические свойства среднелегированных сталей обычно сочетаются с высокой стойкостью против перехода в хрупкое состояние, что и определяет их использование для конструкций, работающих в тяжелых условиях, например при ударных или знакопеременных нагрузках, при низких или высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах и пр. Среднелегированные стали используют для создания облегченных высокопрочных конструкций с широким применением сварки.
Необходимо отметить, что изменение механических свойств этих сталей в широких пределах в зависимости от вида термообработки вызывает значительные трудности при сварке. Стали этого класса склонны к образованию как горячих, так и холодных трещин. В то же время относительно низкая стоимость этих сталей, отсутствие в них дефицитных легирующих элементов, хорошая технологичность и большой накопленный опыт их применения во многих случаях являются факторами, определяющими сохранение среднелегированных сталей в конструкциях современных летательных аппаратов.
Высоколегированные стали и сплавы в настоящее время принято классифицировать в зависимости от системы легирования, структуры, свойств и назначения. В зависимости от свойств высоколегированные стали и сплавы делят на коррозионностойкие, жаропрочные и жаростойкие. К коррозионностойким относят стали и сплавы, способные сопротивляться коррозии в атмосфере, воде, кислотах, солях. К жаропрочным предъявляется требование сохранения прочности при повышенных температурах, к жаростойким - стойкости против окисления на воздухе и в различных средах при высоких температурах вплоть до 1200-1300° С.
Такое деление является условным. Например, сталь 12Х18Н10Т применяют в качестве коррозионностойкого и жаропрочного материала, а также для изготовления хладостойкой аппаратуры. Сталь 20Х20Н14С2 используют как жаростойкий
19
и коррозионностойкий материал.
По системе легирования высоколегированные стали делят на хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелемарганцевые, хромомарганцеазотистые.
Главными легирующими элементами являются хром и никель. Они определяют основные свойства и структуру высоколегированных сталей и сплавов. Стали и сплавы с содержанием хрома более 12 % являются нержавеющими. В качестве легирующих элементов применяют также углерод, кремний, вольфрам, молибден, ниобий, ванадий, титан, алюминий, бор и др., которые придают сталям и сплавам особые свойства: прочность, жаропрочность, жаростойкость, стойкость против некоторых видов коррозии. Они влияют также на структуру сталей и сплавов.
В зависимости от структуры высоколегированные стали делят на следующие классы:
−мартенситные - 20Х13, 14Х17Н2, 08Х15Н5Д2Т (ВНС-
2), 06Х14Н6Д2МБТ (ЭП-817) и др.;
−мартенситно-ферритные - 12Х13, 15Х12ВНМФ
(ЭИ802), 15Х11МФ и др.;
−ферритные - 08Х13 (ЭИ496), 12Х17 (ЭЖ17), 08Х17Т (ЭИ645) и др.;
−аустенитно-мартенситные - 07Х16Н6 (ЭП288), 09Х17Н7Ю (ЭИ973), 13Х15Н4АМ3 (ВНС-5); 08Х17Н5М3 (СН-3) и др.;
−аустенитно-ферритные - 08Х20Н14С2 (ЭИ732), 08Х21Н6М2Т (ЭП54), 10Х20Н6МД2Т (ВНС-4) и др.;
−аустенитные - 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т (ЭИ448), 09Х14Н18В2БР, 10Х23Н18, 12Х17Г9АН4 (ЭИ-878) и др.
Подразделение сталей на классы по видам структуры является условным и произведено в зависимости от основной структуры, получаемой при их охлаждении на воздухе от высоких температур.
Стали мартенситного класса (σв = 1100-1250 МПа) в виде
20