2.3 Анализ материалов идущих типовых деталей.

Материалы, применяемые в конструкции стального летательного аппарата.

Для обеспечения надежной работы агрегатов в условиях высоки температур, возникающих в жестких условиях эксплуатации изделия, а также для получения необходимой весовой отдачи в качестве основных материалов в конструкции стального летательного аппарата нашли широко применение высокопрочные конструкционные коррозионно-стойкие стали и титановые сплавы.

Высокопрочные коррозионно-стойкие стали используются для изготовления особо ответственных узлов и агрегатов, подвергающихся пpи эксплуатации изделий одновременному воздействию многочисленны факторов, влияющих на выносливость и работоспособность материала — это коррозионно-активные среды, повышенные температуры сложные по схеме динамические нагружения и др. Кроме того, для стального летательного аппарата требуется надежная герметичность с применением различных видов сварки, так как из-за большого объема применения в качестве обшивки фюзеляжа и крыла тонкого стального листа (0,4—0,8 мм) трудно создать герметичные полости клепкой.

При этом в конструкции летательного аппарата еще достаточно большой объем по-прежнему занимают и традиционные конструкционные среднелегированные и малолегированные стали, упрочнение которых при термической обработке обусловливается повышенным содержанием углерода (до 0,3—0,45%). Детали из этих сталей вполне удовлетворительно работают в менее нагруженных зонах, а недостаточная их коррозионная стойкость компенсируется защитными гальваническими или лакокрасочными покрытиями.

Основные свойства применяемых в конструкциях сталей и сплавов, а также примерный объем их использования приведен в таблице.

2.3.1 Основные характеристики высокопрочных нержавеющих сталей

Решение задачи по созданию машин с минимальной материалоемкостью возможно только при широком применении в конструкциях изделий сталей и сплавов высокой и повышенной прочности. Несмотря на высокую прочность, удовлетворительную вязкость и пластичность, традиционные конструкционные среднелегированные стали иногда проявляют повышенную склонность к хрупким преждевременным разрушениям. Эти стали чувствительны к концентраторам напряжений, в особенности при малоцикловых нагружениях, когда уровень возникающих в материале напряжений близок к критическим-разрушающим, а также к действию поверхностно-активных веществ, коррозии под напряжением и водородной хрупкости. Большое значение для повышения эксплуатационной надежности имеет состояние тонкого поверхностного слоя. Поэтому поверхностный наклеп, создающий сжимающие напряжения и повышающий сопротивление хрупкому разрушению, является важнейшей технологической операцией, способствующей высокой надежности при эксплуатации деталей из высокопрочных сталей.

Наиболее перспективными материалами в настоящее время для изготовления ответственных высоконагруженных сварных конструкций являются мартенситно-стареющие конструкционные и нержавеющие стали, а также высокопрочные нержавеющие (коррозионностойкие) стали переходного аустенитно-мартенситного класса. Благодаря специфичному механизму упрочения технология изготовления самых разнообразных изделий из этих сталей отличается простотой и надежностью. Мартенситно-стареющие стали, и малоуглеродистые высоколегированные стали переходного аустенитно-мартенситного класса обладают комплексом физико-механических свойств, которые наиболее полно удовлетворяют возрастающим требованиям к качеству ответственных узлов и агрегатов стального летательного аппарата. Кроме того, эти стали обладают еще и рядом уникальных специфичных свойств, таких, как свариваемость всеми видами сварки, относительно высокая коррозионная стойкость сварных соединений даже без последующей термической обработки после сварки (что особенно важно при изготовлении больших по объему герметичных конструкций), высокая размерная стабильность деталей в эксплуатации, высокая теплостойкость и т. д.

Характеристика некоторых марок сталей и сплавов, имеющих широкое применение в конструкции летательного аппарата, а также условия их работы, технологические особенности и термическая обработка приведены ниже.

Сталь ВНС-2 является хромоникелевой нержавеющей сталью мартенситного класса, упрочняемой старением. Сталь ВНС-2 применяется для изготовления обшивки летательного аппарата и деталей внутреннего набора, работающих в различных атмосферных условиях и в контакте с топливом при температурах до 400° С.

Химический состав стали ВНС-2 в % приведен в табл.

Таблица 2.6

Fe	С	Sl	Мп	Сг	Wl	Си	72	S	Р
Осно­ва	≤0,08	0,07	1,0	14,1-15,1	4,5-5,5	1,75-2,5	0,1-0,3	≤0,025	0,03

Листы и ленты стали ВНС-2 в нормализованном (закаленном) состоянии имеют удовлетворительную пластичность и могут применяться для изготовления штампованных деталей средней сложности.

Максимальное смягчение стали достигается после проведения отжига при температуре 640° С.

Упрочнение стали осуществляется термической обработкой, состоящей из закалки с температуры 950°С и старения при температуре 450° С.

Сталь ВНС-2уш является нержавеющей хромоникелевой сталью мартенситного класса, упрочняемой старением. Сталь хорошо сваривается и применяется для изготовления объемных деталей внутреннего силового набора, работающих длительно в различных атмосферных условиях и кратковременно в контакте с топливом при температурах до 300° С.

Химический состав стали ВНС-2уш приведен в табл.

Таблица 2.7

Fе	С	Si	Mп	Сr	Ni	Си	Ti	S	Р
Ос­но­ва	≤0,08	≤0,7	≤1,0	13,5-14,8	4,8-5,8	1,75-2,5	0,03-0,15	≤0,0025	<0,03

Из стали ВНС-2уш изготовляются горячедеформированные полуфабрикаты в виде штамповок, поковок, прутков, профилей. Для улучшения механообрабатываемости горячедеформированные заготовки подвергают обработке, состоящей из закалки с температуры 1000°С и по следующего отпуска при температуре 660—670° С.

Упрочнение стали достигается проведением закалки с температуры 950°С, обработкой холодом при —50... —70° С и старением при 415° С. При отсутствии обработки холодом необходимый уровень прочности достигается повышением температуры старения до 450° С.

Сталь ВНС-5 является нержавеющей хромоникелемолибденовой сталью, легированной дополнительно сильным γ - стабилизатором — азотом, переходного (аустенитно-мартенситного) класса. Сталь хорошо сваривается и применяется для изготовления сложных объемных деталей внутреннего силового набора летательного аппарата. Она обладает хорошей коррозионной стойкостью, может длительно работать в условиях влажной среды, в контакте с топливом и при повышенных (до 300° С) температурах.

Химический состав стали ВНС-5 приведен в табл.

Таблица 2.8

Fе	С	Мп	Si	Сг	Hi	Mo	N	S	Р
Ос­но­ва	0,11-0,16	≤1,0	≤0,7	14,0-15,0	4,0-5,0	2,3—2,8	0,05-0,10	≤0,02	≤0,035

В процессе изготовления деталей сталь ВНС-5 многократно подвергается различным видам термической обработки (отжигу, нормализации, обработке холодом, отпуску), при которых происходит фазовая перекристаллизация, сопровождающаяся изменением линейных размеров деталей, что необходимо учитывать при механической обработке.

Для улучшения обрабатываемости резанием все горячедеформированные заготовки из стали ВНС-5 подвергаются двухступенчатому отжигу при температурах 890 и 660° С.

Смягчение перед сваркой производят при температуре 600° С.

Упрочнение стали достигается проведением высокотемпературной закалки (нормализации) при температуре 1070°С, обработкой холодом и отпуском при 200° С на прочность σ_в= (1600+100) МПа~ (160+10) кгс/мм² и при 350° С — на прочность σ_в= (1500± 100) МПа~(150±10) кгс/мм².

Сталь BHJI-3 является литейной нержавеющей сталью мартенситного класса. Она хорошо сваривается аргонодуговой сваркой и рекомендуется для деталей внутреннего силового набора, работающих в атмосферных условиях при температурах до +300 и —70° С, а также для деталей, работающих в контакте с топливом. Поверхности деталей точного литья по выплавляемым моделям из стали BHЛ-3 могут не подвергаться механической обработке. Термообработка стали BHJI-3 состоит из предварительной и окончательной обработок. Предварительная термическая обработка производится по режиму: нагрев под нормализацию (под слоем эмали ЭВТ-101) при температуре 1110°С; выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе плюс отпуск при 650° С; выдержка 10 мин, охлаждение на воздухе.

Окончательная термическая обработка отливок на σ_в=(1350⁺¹⁵⁰_-100 ) МПа~(135⁺¹⁵_-10 ) кгс/мм² производится по режиму: нормализация под ем эмали или в среде аргона при температуре 970°С; выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе плюс отпуск при температуре 460° С; выдержка 1ч. охлаждение на воздухе.

Сталь 07X16H6 является нержавеющей сталью переходного аустенитно-мартенситного класса. Она хорошо сваривается, обладает хорошим сочетанием прочности, пластичности и вязкости. Применяется она для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур от —196 до +400° С.

Химический состав стали 07Х16Н6 приведен з табл.

Таблица 2.9

Fе	С	Сг	Ni	Si	Mn	S	P
Ос­но­ва	0,05-0,01	15,5-16,5	5,0-8,0	≤0,7	≤1,0	≤0,02	≤0,035

Для улучшения механообрабатываемости горячедеформированных заготовок применяется двухступенчатый отжиг при температурах 780 и 680°С.

Упрочнение достигается проведением закалки при температуре 1000° С, обработкой холодом и отпуском при температуре 375—425°С.

Сталь СН-3 является нержавеющей хромоникельмолибденовой сталью переходного (аустенитно-мартенситного) класса. Она предназначена для изготовления деталей обшивки внутреннего набора, а также сварных узлов изделий, работающих в атмосферных условиях температуре до 500° С.

Химический состав стали приведен в табл.

Таблица 2.10

Fе	С	Сг	Ni	Mo	Мn	Si	S	Р
Ос­но­ва	0,06-0,10	16,0-17,5	4,5-5,5	3,0-3,5	<0,7	<0,7	≤0,02	≤0,035

Листы и ленты стали СН-3 в мягком состоянии (после закалки с 1050° С) обладают высокой пластичностью и могут подвергаться глубокой вытяжке, гибки с малыми радиусами закругления и другим технологическим операциям, где требуется высокая степень деформации. Сталь СН-3 может подвергаться деформационному упрочнению прокаткой с получением полунагартованного и нагартованного состояния.

Упрочнение стали СН-ЗМ достигается проведением закалки с 910°С, обработкой холодом и старением при 450° С. Упрочнение полунагартованной и нагартованной стали СН-3 осуществляется одним старением при 450° С. Уровень прочности при этом для СН-ЗМ составляет σ_в= 1200-1450 МПа~ 120-145 кгс/мм².

Сталь 14Х17Н2 является нержавеющей сталью мартенситно-ферритного класса. Применяется сталь для изготовления крепежных деталей, работающих при температурах до 400°С в условиях влажной среды, а также в контакте с топливом.

Химический состав стали 14Х17Н2 приведен в табл.

Таблица 2.11

fe	С	Сг	Ni	Si	S	Р
Основа	0,11-0,17	16,0-18,0	1,5-2,5	≤0,8	0,025	0,050

Для улучшения механообрабатываемости сталь подвергают отжигу при температуре 650—680° С.

Упрочнение стали достигается проведением закалки при 1020°С и отпуском при 520—560° С на уровень прочности σ_в= (12 000_-150) МПа ~ (120_-15) кгс/мм² или при (650±10)° С на σ_в= (950± 100) МПа~ (95± 10) кгс/мм².

Стали Х18Н9Т, 18Н10Т, ЭИ654, ЭИ878 являются свариваемыми нержавеющими, аустенитными сталями, обладающими хорошей коррозионной стойкостью на воздухе в условиях влажной среды. Стали ЭИ654 и ЭИ878 могут также применяться и для эксплуатации в агрессивных средах и в контакте с топливом.

Стали обладают хорошей пластичностью, хорошо штампуются, деформируются, вытягиваются, свариваются. Сварные соединения малочувствительны к агрессивным средам.

Стали термической обработкой не упрочняются. Проведение высокотемпературной однократной закалки обеспечивает высокую коррозионную стойкость в результате образования однофазной аустенитной высоколегированной структуры. Пластичность закаленной стали высокая (σ_в=25-40 %).

Стали 30ХГСН2А, ЭИ643, BЛ1 являются высокопрочными конструкционными сталями средней легированности. Применяются они для изготовления ответственных деталей и узлов летательного аппарата: шасси, нервюр, осей, болтов, шпилек и др.

Стали обладают повышенной чувствительностью к концентраторам напряжений, подрезам, резким переходам в сечениях, натягам при установке болтов и т. п.

Упрочнение сталей достигается проведением изотермической закалки сталей 30ХГСН2А и ЭИ643 и закалкой с охлаждением на воздухе стали BЛ1. После закалки необходим отпуск при температуре 240— 260°С на уровень прочности σ_в= 1600-1850 МПа ~ 160-185 кгс/мм² или при 280—330° С на σ_в= 1400-1600 МПа ~ 140-1600 кгс/мм². Сталь ВЛ1 отпускается при (410±5)°С на σ_в = (1600 ⁺²⁰⁰_-100 ) МПа ~ (160 ⁺²⁰_-10) кгс/мм² или при (350±5)°С на σ_в =(1700⁺²⁰⁰_-100) МПа ~ (170⁺²⁰_-10 ) кгс/мм².

Особо ответственные узлы и детали из этих сталей подвергаются обязательному поверхностному упрочнению.

Таблица 2.12

Хим. состав сталей Х18Н9Т, Х18Н10Т, ЭИ654, ЭИ878

Марка стали	Содержание элементов в %
	Fe	C	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	Al	N2	S	P
Х18Н9Т Х18Н10Т ЭИ654 ЭИ878	Основа	≤0,12 ≤0,12 0,12- 0,17 ≤0,12	0,5- 0,7 0,5- 0,7 3,8- 4,5 0,8	1,0- 2,0 1,0- 2,0 0,5- 1,0 8,0- 10,5	17,0-19,0 17,0- 19,0 17,0- 19,0 16,0-18,0	8,0- 9,0 9,0- 11,0 11,3- 13,0 3,5- 4,5	≤0,8 ≤0,8 0,4- 0,7 -	- - 0,12- 0,15 -	- - - 0,11- 0,25	≤0,035 ≤0,035 ≤0,03 ≤0,020	≤0,20 ≤0,20 ≤0,035 ≤0,035

Хим. состав сталей 30ХГСН2А, ИЭ643, ВЛ1

Марка стали

Содержание элементов в %

Fe

C

Mn

Si

Cr

Ni

Ti

Al

P

S

30ХГСН2А ИЭ643 ВЛ1

0,27- 0,34 0,36- 0,43 0,24- 0,31

1,0- 1,3 0,5- 0,8 1,0- 1,3

0,9- 1,2 0,8-1,1 1,5- 2,0

0,9- 1,2 0,7- 1,0 0,9- 1,2

1,4- 1,8 2,5- 3,0 2,0- 2,5

- - 0,4- 0,5

- 0,1 -

- 0,8- 1,2 0,9- 1,3

- 0,1 -

≤0,03 ≤0,025 ≤0,03

≤0,03 ≤0,025 ≤0,03