Основными требованиями, предъявляемыми к деталям типа рессор и пружин, являются высокий предел упругости, высокое сопротивление усталости при достаточной пластичности. Повышенные значения предела упругости пружинных сталей достигаются закалкой с последующим среднетемпературным отпуском при 400…480°С (в зависимости от марки стали).

Для сталей, используемых для пружин и рессор, необходимо обеспечить сквозную прокаливаемость деталей, чтобы получить после отпуска структуру троостита отпуска по всему сечению. Упругие и прочностные свойства пружинной стали достигаются также при изотермической закалке.

Кроме сталей, применяемых для изготовления пружин в термически обработанном состоянии, в качестве пружинного материала применяются также высокоуглеродистые стали (У7…У12) в виде холоднотянутой шлифованной проволоки (серебрянки). Навитые пружины из серебрянки рекомендуется подвергать нагреву на 250…300°С для уменьшения внутренних напряжений.

Износостойкость материала в большой степени зависит от характера изнашивания. В большинстве случаев материалы, износостойкие в одних условиях износа, оказываются совершенно не износостойкими в случае изменения условий износа.

Стали и сплавы, износостойкие в условиях истирающего износа (трения качения, трения скольжения) используются для деталей типа шарико- и роликоподшипников, валов, деталей дорожных и землеройных машин.

Чтобы материал имел повышенную износостойкость в таких условиях, необходима высокая твердость.

Наряду с высокоуглеродистыми сталями в качестве износостойких материалов используют белый чугун, твердые сплавы. Последние имеют исключительно высокую износостойкость.

Особую группу износостойких сталей составляют шарикоподшипниковые стали, имеющие около 1 % С и от 0,6 до 1,5 % Сr: ШХ6 (0,6 % С), ШХ9 (0,9 % С), ШХ15 (1,5% С) и др. К этим сталям предъявляются повышенные требования по чистоте от неметаллических включений, которые могут быть очагами зарождения усталостных дефектов при работе подшипника. Твердость сталей после закалки и низкого отпуска (150…200°С) 61…66 HRC.

В качестве износостойкого сплава используется и графитизированная сталь. Такая сталь имеет в своем составе повышенное содержание углерода (1,3…1,75 %) и кремния (0,75…1,25 %). Благодаря этому часть углерода в стали выделяется в виде графита. Графитизированные стали применяются для изготовления штампов, калибров, валов.

Наиболее износостойкими материалами в условиях ударного абразивного износа являются твердые сплавы типа ВК, состоящие из карбидов вольфрама и кобальта при содержании кобальта около 6 % (ВК6), но этот материал очень дорог и дефицитен. Более перспективными являются спеченные стали с карбидным упрочнением, у которых износостойкость помимо карбидов создается упрочняющей термической обработкой.

Износостойкая высоко-марганцовистая сталь марки Г13 используется для работы в условиях изнашивания, сопровождаемого большими удельными нагрузками. Сталь Г13 имеет в своем составе 1…1,4 % углерода и 12…14 % марганца, она имеет аустенитную структуру и относительно низкую твердость (200…250 НВ). Стали аустенитного класса склонны к аустенитному наклепу. Благодаря этим свойствам сталь Г13 широко используется для изготовления таких деталей, как корпуса шаровых мельниц, щек камнедробилок, крестовин рельсов, гусеничных траков, козырьков землечерпалок и т.д.

Наибольший ущерб деталям механизмов и конструкций наносит электромеханическая коррозия. Коррозионно-стойкие металлы должны иметь повышенное значение электрохимического потенциала: строение их должно быть однофазным.

Наиболее важными техническими коррозионно-стойкими сталями являются хромистые и хромоникелевые стали.

В хромистых нержавеющих сталях в большинстве случаев содержание хрома не ниже 13 % и находится в пределах 13…18 % (реже 25…30 %). Количество углерода в сталях с 13 % хрома может быть от 0,1 до 0,45 % (стали 0Х13, 10Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13).

Стали с повышенным содержанием хрома (17…30 %) бывают двух типов: ферритные и аустенитные. Они не имеют фазовых превращений в твердом виде и поэтому не могут быть подвергнуты закалке.

Значительным недостатком ферритных хромистых сталей является их повышенная хрупкость из-за крупнокрикристаллической структуры. Эти стали склонны к межкристаллической коррозии от обеднения хромом границ зерен. Межкристаллитная коррозия обусловлена тем, что при нагреве часть хрома около границ зерна взаимодействует с углеродом и образует карбиды. Вследствие этого концентрация хрома в твердом растворе у границ зерен становится меньше 13 %, и сталь в этих участках приобретает отрицательный электрохимический потенциал. Для уменьшения межкристаллитной коррозии в состав сталей вводится небольшое количество титана, как более интенсивного карбидообразующего элемента, чем хром.

Из-за склонности к росту зерна ферритные стали требуют строгих режимов сварки и интенсивного охлаждения зоны сварного шва и околошовной зоны. Недостатком сталей ферритного класса является также склонность к охрупчиванию при нагреве в интервале температур 450…500°С.

Хромоникелевые стали аустенитного класса в равновесном и в наклепанном состоянии и при высоких температурах имеют более высокие механические свойства и кислотостойкость, чем хромистые стали.

По химическому составу хромоникелевые стали являются высоколегированными. В большинстве случаев находят применение стали, содержащие 18 % Сr и 9…10 % Ni. Стали марок Х18Н9, 12Х18Н9Т являются сталями аустенитного класса.

Для уменьшения склонности к межкристаллической коррозии в сталь вводят титан. Ворой путь – уменьшение количества углерода, однако технологически выполнить это весьма сложно.

Из всех нержавеющих сталей наибольшее применение находят аустенитные нержавеющие стали. Они имеют высокие антикоррозионные свойства, достаточно высокую прочность, высокую пластичность, хорошую свариваемость. Термическая обработка аустенитных сталей заключается в закалке с температур нагрева 1000…1050°С в воду.

Закаленная аустенитная сталь приобретает повышенную пластичность. Для упрочнения аустенитной стали проводится ее деформирование при нормальных температурах, что вызывает эффект наклепа.

Для получения особо коррозионно-стойких материалов аустенитные стали дополнительно легируют медью или медью и молибденом (сталь 0Х23Н28М3Д3Т).

Жаропрочностью называется способность материала сопротивляться пластическим деформациям и разрушению при высоких температурах. Жаропрочные материалы используются для изготовления деталей, работающих при высокой температуре, когда возникает явление ползучести (детали котлов, паровых и газовых турбин и др.).

При ползучести деформация вызывается перемещением дислокаций в пределах зерен. Дополнительно к этому значительная доля деформации реализуется за счет течения приграничных участков зерен.

При ползучести параллельно происходят процессы упрочнения (наклеп) от пластической деформации и устранение наклепа от возврата, полигонизации и рекристаллизации, которые сильно зависят от степени развитости диффузионных процессов.

Развитие ползучести в значительной степени зависит от температуры и длительности нагружения материала.

Второй важной характеристикой для материалов, работающих при высоких температурах, является жаростойкость (окалиностойкость). Свойство металла сопротивляться химическому действию окружающей среды при высокой температуре называется жаростойкостью.

На интенсивность окисления влияет состав стали и строение окисной пленки; Сr, Si, A1 – повышают плотность (защитной) окисной пленки.

Например: сталь 15Х5 жаростойка до 700 °С, сталь 12Х17 – до 900 °С, сталь 15Х28 – до 1100…1150 °С. Сплавы на никелевой основе с Cr и A1 обладают жаростойкостью до 1200 °С.

Факторами, способствующими жаростойкости, являются:

· высокая температура плавления основного металла;

· наличие в сплаве твердого раствора и мелкодисперсных упрочняющих фаз;

· пластическая деформация, вызывающая наклеп;

· высокая температура рекристаллизации;

· рациональное легирование;

· термическая и термомеханическая обработка;

· введение в жаропрочные стали бора, церия, ниобия, циркония (в десятых, сотых и даже тысячных долях).

Жаропрочные стали классифицируются по температуре эксплуатации:

1) для работы при температуре до 350…400 °С применяют обычные конструкционные стали (углеродистые и малолегированные);

2) для работы при температуре 400…550°С применяют стали перлитного класса 15ХМ, 12X1MГ (детали котлов, трубы паропроводов и пароперегревателей сравнительно мало нагруженные, но работающие до 100 000 ч);

3) для работы при температуре 500…600°С применяют стали мартенситного класса: высокохромистые 15Х11МФ (лопатки паровых турбин); сильхромы 40Х9С2 (клапаны моторов); 20Х12БНМД (диски, роторы, валы);

4) для работы при температуре 600…750°С применяют стали аустенитного класса:

- нестареющие 09Х14Н16Б (трубы пароперегревателей высокого давления);

- стареющие 40Х15Н7Г7Ф2МС (лопатки газовых турбин);

5) для работы при температуре 800…850…1200 °С применяют жаропрочные сплавы на никелевой основе ХН77ТКЮР, ХН55ВМТФКЮ (лопатки турбин).