Влияние легирующих компонентов на превращения структуру свойства сталей
Обновлено: 17.05.2024
Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а так же взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.
Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе в сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграмме состояния Fe-Fe3C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы.
Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А1, температуру . линии GS – А3, температуру полиморфного превращения Fe (линия NI) А4, температуру линии SE – Асm. Равновесные температуры А3 и А4 для чистого железа равны соответственно 911 и 1392 0 С. В интервале указанных температур устойчива модификация FeПо влиянию на температуры полиморфных превращений А3 и А4 легирующие элементы можно разбить на две группыВ первую группу входят элементы группы никеля, которые понижают температуру А3 и повышают температуру А4. К ним относятся Ni, Mn, Co, Cu.
В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом 3 при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой , но и любые твердые растворы на основе Fe.
Рис 4.1 Схема состояния “железо- легирующий элемент группы никеля”
Рис. 4.2 Схема диаграммы состояния “железо
— легирующий элемент группы хрома”
а) замкнутой -областью
б) с промежуточной фазой
Во вторую группу входят элементы группы хрома, которые повышают температуру А3 и понижают температуру А4. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и, соответственно, расширяется температурный интервал устойчивости Fe. Таких легирующих элементов большинство: Cr, Mo, W, V, Si, Ti и др.
Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» - областью (рис. 4.2). Концентрация, соответствующая точке с, для хрома составляет 12%.
Из перечисленных элементов, дающих замкнутую - область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому - область «открывается». Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (рис. 4,2, б).
Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe, но и любые твердые растворы на основе Fe.
По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на:
не образующие карбиды, которые, в свою очередь, подразделяются на графитизирующие – кремний, алюминий, медь; и нейтральные – кобальт и никель
карбидообразующие – марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и титан (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).
При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли; для несильных карбидообразователей - 12%) образование карбида этого элемента чаще не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.
Процесс взаимодействия легирующего элемента с фазами стали (ферритом и цементитом) можно представить протекающим в следующей последовательности: вначале происходит взаимодействие с карбидной фазой, в результате которого образуется легированный цементит либо специальные карбиды. Неизрасходованная часть легирующего элемента растворится в феррите (железе). Если легирующий элемент карбидов не образует, то он целиком растворится в железосодержащей (ферритной) фазе и оказывает влияние на полиморфные превращения железа.
Легирующие элементы существенно влияют на концентрацию углерода в эвтектоиде (перлите) и максимальную растворимость углерода в аустените (точки S и Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точки S и Е влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали с 1011% Cr ледебурит появляется в структуре при содержании углерода около 1%. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебурит, классифицируют как ледебуритные.
Рассмотрим, какой будет структура различных легированных сталей в равновесном состоянии с учетом указанных закономерностей.
Пример 1. Сталь 30ХГСА содержит небольшие количества (около 1% карбидообразующих элементов – хрома и марганца – и не образующий карбидов кремний). Часть хрома и марганца израсходуется на легирование цементита, а остальная часть этих элементов и кремний пойдут на легирование феррита. В связи с изменением состава феррита и цементита изменяется состав эвтектоида в сторону меньших концентраций углерода, следовательно, в структуре стали 30ХГСА количество перлита увеличивается по сравнению со сталью 30.
Пример 2. Сталь шарикоподшипниковая ШХ15 содержит большое количество углерода (0,951,05%) и небольшое количество хрома (1,301,65%). Поскольку хром является активным карбидообразователем, он весь израсходуется на легирование цементита и образование собственных карбидов. Кроме того, он снижает содержание углерода в эвтектоиде. Поэтому структура стали в этом состоянии будет содержать перлит и повышенное количество карбидов хрома и легированного цементита.
Пример 3. Сталь нержавеющая 08Х13 содержит более 0,08% углерода и 1214% хрома. Поскольку содержание углерода невелико, то расход хрома на образование карбидов будет незначительным. Поэтому практически весь хром израсходуется на легирование феррита. А поскольку хром при концентрации около 12% замыкает область аустенита, то сталь 08Х13 будет иметь ферритную структуру при всех температурах, вплоть до плавления.
Пример 4. Сталь шарикоподшипниковая 95Х18 содержит около 1% углерода и 1719% хрома. Ввиду большого содержания хрома меньшая часть его израсходуется на образование карбидов, а большая на легирование феррита. Поэтому структура этой стали будет состоять из легированного феррита и большого количества карбидов хрома и железа, а точнее из перлита и карбидов. Поскольку хром сдвигает точки S и Е диаграммы влево, и поскольку содержание его велико, то в структуре литой стали появится ледебуритная эвтектика, т.е. это сталь ледебуритного класса.
Пример 5. Сталь 12Х18Н10Т содержит не более 0,12% углерода, 1719%, хрома, 911% никеля, 0,65% титана. Поскольку титан является более сильным карбидообразователем, чем хром, то в первую очередь будут образовываться карбиды титана, а хром и никель будут легировать феррит. При совместном легировании стали хрома и никеля, которые противоположно воздействуют на полиморфизм железа, влияние никеля проявляется сильнее, поэтому сталь будет иметь аустенитную структуру с небольшим количеством карбидов.
Пример 6. Сталь 110Г13Л (сталь Гатфильда) содержит 0,91,3% углерода и 11,514,5% марганца. Часть марганца израсходуется на легирование цементита, а большая часть на легирование феррита. Поскольку марганец является элементом, расширяющим область существования аустенита и его содержание достаточно велико, то равновесная структура стали будет состоять из аустенита и легированного марганцем цементита.
При определении структуры легированных сталей следует учитывать следующие закономерности:
1. В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов, легированные стали по структуре в равновесном состоянии могут быть отнесены к одному из классов: перлитному, ферритному, аустенитному, ледебуритному (карбидному).
2. Прежде чем рассматривать влияние легирующего элемента на полиморфные превращения железа, необходимо определить отношение этого легирующего элемента к углероду. Элементы, расширяющие область аустенита, имеют решетку ГЦК, т.е. изоморфную решетке аустенита. И наоборот, элементы с решеткой ОЦК, изоморфные решетке феррита, расширяют область. Если же легирующий элемент является карбидообразующим, то при кристаллизации образуется сложная кристаллическая решетка, отличающаяся от ОЦК и ГЦК решетки, т.е. если легирующий элемент образует карбид, то его влияние на полиморфизм проявляться не будет.
3. Большинство легированных сталей относятся к перлитному классу, в основном это низколегированные стали с любым количеством углерода.
4. Стали аустенитного класса могут содержать любое количество углерода, но обязательно присутствие никеля (не менее 67%) или другого элемента группы никеля.
5. В сталях ферритного класса должен присутствовать хром в количестве не менее 12% при низком содержании углерода (до 0,1%). С увеличением количество углерода для образования ферритной структуры содержание хрома должно быть тоже увеличено.
При совместном легировании хромом и никелем, которые противоположно действуют на полиформизм железа, влияние никеля проявляется сильнее приблизительно в 2,5 раза.
6. Стали ледебуритного (или карбидного) класса это средне или высоколегированные стали с содержанием углерода более 0,8%.
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей
Легирование - это введение в состав стали элементов, оказывающих полезное влияние на ее структурное состояние и свойства. Легирующими считают любые компоненты, введенные в сталь, кроме основных - железа и углерода, если они не являются примесями. Как правило, содержание примеси в составе стали ограничивается верхними пределами. Легирующими компонентами могут быть: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий и др.
Примесями в первую очередь являются: сера, фосфор, кислород, водород и др., т.е. такие элементы, которые оказывают вредное влияние на свойства сталей. Примесями могут считаться и такие элементы, как медь, никель, хром (если они не предусматриваются марочным составом стали, и их содержание ограничивается по верхнему пределу с указанием "не более"). Кремний и марганец вводят во все стали в качестве технологических добавок, и легирующими элементами не считаются, если их содержание не превышает нескольких десятых долей процента. Если они вводятся в сталь в количествах, превышающих норматив для технологической добавки (кремния - более 0,4-0,5%, марганца - выше 0,8%), то они также являются легирующими элементами.
Влияние легирующих элементов на фазовый состав сталей
Железу свойственны два полиморфных (аллотропических) превращения при температурах 911 и 1392 ºС. В соответствии с диаграммой железо-углерод (глава 4), углерод повышает температуру высокотемпературного полиморфного превращения (линия NI) и понижает температуру нижней критической точки (линия GS), расширяя область γ-твердого раствора (аустенита).
Все легирующие компоненты разделяются на две группы: расширяющие или сужающие область аустенита (рисунок 6.1). К элементам, расширяющим γ-область, и понижающим критическую точку Ас3, относятся: Mn, Co, Ni, Cu. Сужают аустенитную γ-область и повышают критическую точку Ас3: Si, Al, Cr, Mo, W, V, Ti. При большом содержании компонентов, расширяющих γ-область (рисунок 6.1, а), температура полиморфного превращения может снизиться ниже комнатной. В этом случае равновесной фазовой составляющей сталей становится аустенит (γ-фаза), и такие стали называют аустенитными.
| Рисунок 6.1. Схема преобразования диаграмм фазового равновесия в связи с влиянием легирующих элементов на температуру полиморфных превращений железа |
При высоком содержании элементов α-стабилизаторов стабильной фазой в широком интервале концентраций становится α-фаза. Стали с такой структурой называют ферритными.
Легирующие элементы растворяются в α- и γ-железе, образуют, соответственно, легированный феррит и легированный аустенит. Все легирующие элементы, в отличие от углерода, образуют твердые растворы замещения.
Растворенные в аустените, все легирующие элементы понижают содержание углерода в эвтектоиде. Причем почти все легирующие элементы, за исключением никеля и марганца, повышает температуру эвтектоидного превращения (рисунок 6.2).
При растворении атомов легирующих компонентов искажается решетка железа, усиливаются межатомные связи, существенно повышается прочность твердых растворов практически без снижения вязкости. Это благоприятно сказывается на всем комплексе механических свойств сталей как в отожженном состоянии, так и, особенно, после упрочняющей термической обработки (рисунок 6.3). Практически все легирующие элементы повышают твердость феррита (а). Ударная вязкость изменяется неоднозначно (б). Никель, хром и до некоторой степени марганец одновременно с повышением твердости феррита увеличивают и его ударную вязкость, тем самым улучшая весь комплекс свойств.
| Рисунок 6.2. Влияние легирующих элементов на положение эвтектоидной точки на диаграмме железо-углерод: а - на содержание углерода в эвтектоиде; б - на температуру эвтектоидного превращения |
| Рисунок 6.3. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а - твердость; б - ударная вязкость |
При дальнейшем увеличении содержании никеля, хрома и марганца, а также при любых содержаниях молибдена, вольфрама и кремния ударная вязкость феррита уменьшается.
Все легирующие элементы (за исключением кобальта), растворенные в твердом растворе - аустените, при переохлаждении с высоких температур увеличивают устойчивость его к распаду, смещая вправо С-образные линии диаграмм изотермического распада (глава 7). Это очень сильно уменьшает критическую скорость закалки, позволяет проводить закалку легированных сталей в масле или, даже на воздухе. Это также снижает опасность образования закалочных трещин, уменьшает коробление изделий и увеличивает прокаливаемость сталей. Комплексное легирование несколькими элементами (Cr, Ni, Mo, W, V) в количестве 5 - 10% позволяет создавать стали с практически сквозной прокаливаемостью даже для очень крупных изделий.
Растворенные в переохлажденном аустените, легирующие элементы (кроме кобальта) понижают точки начала и конца мартенситного превращения (рисунок 6.4). Наиболее сильно влияют на положение мартенситных точек марганец, хром и никель.
| Рисунок 6.4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) для сталей, содержащих 1% С |
Этим объясняется то, что основные стали аустенитного класса содержат эти элементы. Примером такой высокомарганцевой стали является высокоизносостойкая аустенитная сталь Гадфильда (110Г13Л) с 13% Mn. После закалки с высоких температур (1050 - 1100 ˚С) в воде эта сталь имеет аустенитную структуру, а при ударах в поверхностных слоях изделия (например, зуба ковша экскаватора) происходит образование кристаллов мартенсита деформации, что обеспечивает высокую ударно-абразивную стойкость.
Другим примером такого легирования являются аустенитные хромо-никелевые нержавеющие стали типа 08Х18Н10Т, которые после закалки приобретают чисто аустенитную структуру, что обеспечивает важнейшее свойство таких сталей - высокую коррозионную стойкость.
Легирующие компоненты в сталях проявляют различное сродство к углероду, что существенно влияет на их фазовый состав. Малое сродство к углероду проявляют Si, Ni, Co, Cu, Al. Эти элементы, хотя и могут образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом, но в сталях в присутствии железа такие карбиды не образуются.
Компоненты, имеющие повышенное сродство к углероду, образуют в стали карбиды. Чем выше сродство легирующего элемента к углероду, тем выше устойчивость карбидов в стали при нагреве. Эти компоненты в порядке увеличения сродства к углероду и, следовательно, в порядке повышения устойчивости карбидов в стали, можно расположить в следующей последовательности: Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti. Наименее устойчивы и легче всего растворяются в аустените при нагреве карбиды марганца, затем хрома и молибдена. Практически нерастворимыми являются карбиды титана и циркония. Именно эти элементы и вводят в сталь для измельчения размера зерна.
При малом содержании Mn, Cr, Mo, W растворяются в цементите, образуя легированный цементит: (Fe,Mn)3C , (Fe,Cr)3C. При более высоком содержании этих легирующих элементов могут образовываться и самостоятельные карбиды: Mn3C, Cr7C3, Cr23C7, Fe3W3C и др. Более сильные карбидообразующие элементы (Nb, V, Zr, Ti) в цементите не растворяются и образуют только самостоятельные карбиды.
Карбиды, присутствующие в стали, имеют очень большую твердость, упрочняют сталь, делают ее износостойкой. Поэтому карбидообразующие элементы являются обязательными компонентами в инструментальных сталях. Количество таких элементов в инструментальных быстрорежущих сталях может достигать 20 - 25% по массе.
Особенности термической обработки легированных сталей
Легированные стали характеризуются пониженной теплопроводностью, в связи с чем при нагреве и охлаждении в ней могут возникать более значительные по сравнению с углеродистой сталью градиенты температур по сечению, а, следовательно, и более высокий уровень термических напряжений. Учитывая, что легированные стали более хрупки, по сравнению с углеродистой, эти напряжения оказываются более опасными в отношении образования трещин. Поэтому, нагрев легированной стали при отжиге, под закалку должен проводиться более медленно или с применением ступенчатых режимов.
Легирующие элементы сами трудно диффундируют и затрудняют диффузию углерода в стали. Поэтому для полного завершения фазовых превращений, развивающихся по диффузионным механизмам, а также процессов гомогенизации твердых растворов, легированные стали требуют более длительных выдержек при нагреве под закалку, при отпуске и отжиге. По этой же причине при термической обработке оказывается необходимым и возможным применение более высоких температур нагрева, как при закалке, так и при отпуске. При одной и той же температуре отпуска легированная сталь остается более твердой по сравнению с углеродистой сталью.
При закалке быстрорежущих сталей температура нагрева может достигать значений 1200 - 1280 ºС, что на 350-400 превышает критические точки стали. Несмотря на это, быстрорежущие стали остаются после такой закалки одними из самых мелкозернистых. Способствует получению сверхмелкозернистых структур быстрорежущих сталей большое количество устойчивых карбидов, сохраняющихся в сталях вплоть до температур плавления. Еще одной особенностью термической обработки быстрорежущей стали является необходимость проведения многократного (2-3-х- кратного) отпуска при температуре 550-570ºС, в результате чего достигается уменьшение количества остаточного аустенита с 25-35% до 2-3% и появление вторичной твердости стали, превышающей твердость закаленной стали (HRC = 63-65). Отпуск при таких температурах обеспечивает сохранение свойств закаленной стали при высокотемпературных нагревах до 600 ºС, что делает ее теплостойкой (красностойкой).
Влияние углерода и постоянных примесей на структуру и свойства стали
Тема: УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ. ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА И ПОСТОЯННЫХ ПРИМЕСЕЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СТАЛИ. КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО СОСТАВУ, КАЧЕСТВУ И СТРУКТУРНЫМ КЛАССАМ. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ. ТЕНДЕНЦИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТАЛИ
Углеродистой сталью называется сплав железа с углеродом, содержащим до 2% С и постоянные примеси: кремний до 0,5%, марганец до 1%, сера и фосфор до 0,05%. Элементы, специально вводимые в сталь при ее производстве в определенных концентрациях с целью повышения ее свойств называют легирующими, а сталь - легированной. Основным элементом, при помощи которого изменяются свойства стали является углерод. К числу наиболее часто используемых специальных легирующих элементов относятся Cr, Ni, Mo, V, Ti, W, Si и Mn. Свойства стали в значительной степени определяются тем, какие фазы образуются при сплавлении с легирующими элементами, в результате термической обработки. Основными структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, перлит, ледебурит, сорбит, троостит, бейнит и мартенсит. Легирующие элементы присутствуют в сталях в виде твердого раствора в железе, в виде карбидной фазы, в форме интерметаллидных соединений с железом, бором, азотом, кремнием и углеродом или между собой. Каждая структура определяется химическим составом и технологией стали, т.ж. зависят ее свойства. Обычно, сталь имеет плотность 7,6-7,9 г/см 3 , временное сопротивление растяжению от 800 до 3000 МПа, относительное удлинение от 5 до 12%, ударную вязкость от 10 до 160 Дж/см 2 .
Влияние содержания углерода на основные механические свойства стали показано на рис. 33. С увеличением содержания углерода изменяется структура стали. Сталь, содержащая углерода меньше 0,8%, состоит из феррита и перлита, при содержании С, равном 0,8%, сталь состоит только из перлита, при увеличении содержания углерода более 0,8% в стали кроме перлита появляется вторичный цементит. Изменение химического состава приводит к изменению структуры стали и ее свойств. Увеличение содержания углерода приводит к повышению прочности и понижению пластичности. Приводимые механические свойства относятся к горячекатанным изделиям без термической обработки, т.е. при структуре перлит + феррит или перлит + цементит. С увеличением содержания углерода плотность изменяется незначительно от 7.85 до 7.7 г/см 3 , коэрцетивная сила, электросопротивление возрастают на от 3 до 18 Э. и от 0,12 до 0,23 ОМмм 2 /м, соответственно, при изменении С от 0,2 до 1,6%.
Хрупкой фазой в стали является цементит. Увеличение содержания углерода приводит в стали к образованию структур на основе перлита (феррит + цементит), в связи с чем при С = 0,8% прочность стали при растяжении начинает падать, а твердость продолжает увеличиваться. Для сохранения прочностных свойств стремятся получить не пластинчатый, а зернистый цементит после термической обработки.
Постоянными примесями в стали считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород). Обычно содержание их ограничивается верхними пределами: % 0,8 Mn; 0,5 Si; 0,05 S; 0,05 P.
Рис. 33. Влияние содержания углерода на механические свойства стали.
Марганец - вводят в сталь при раскислении для устранения вредного влияния закиси железа. Mn повышает прочность горячекатанной стали, прокаливаемость, упругие свойства. При содержании более 1,5% сообщает склонность к отпускной хрупкости. При содержании более 13% и выше придает стали аустенитную структуру, противоударную стойкость, высокую износостойкость. При нагреве способствует росту зерна.
Кремний - вводится для раскисления. Полностью растворим в феррите. Увеличивает прочность, износостойкость и придает антифрикционные и упругие качества. Более 2% - снижает пластичность. Повышает прокаливаемость, но увеличивает температуры закалки, нормализации и отжига.
Фосфор - Растворяясь в феррите, вызывает хладноломкость стали. При совместном действии С и Р (Р не более 1,2%) вызывается фосфидная эвтектика, плавящаяся при Т менее 1100 о С. Фосфор - вредная примесь стали. Однако повышает обрабатываемость резанием и в присутствии меди повышает сопротивление коррозии.
Сера - нерастворима в железе, образует с Fe соединение FeS сульфид железа. Последний входит в состав эвтектик, плавящихся при 988 о С. Наличие зерен хрупкой и легкоплавящейся эвтектики по границам зерен стали делает ее при температурах 800 о С и выше (в районе температур красного каления) - красноломкой. В тоже время, сера повышает обрабатываемость резанием. Вредное влияние серы нейтрализуют введением марганца, образующего с ней сульфид MnS. MnS при горячей обработке давлением деформируется и создает продолговатые линзы - строчки. Их присутствие стали, как и других включений, в стали не допустимо для ответственных изделий. MnS стремятся перевести в шлак при плавке стали.
Водород, азот, кислород - растворяются в стали. Кислород и азот образуют твердые труднодеформирующиеся вредные включения. Водород вызывает флокены. А газы вообще - эффекты деформационного старения, снижающие усталостные характеристики (вязкость и порог хладноломкости). Неметаллические включения после обработки давлением создают - полосчатость (или строчечность), вызывающую сильную анизотропию свойств. Для устранения вредного влияния растворяющихся газов применяют вакуумную разливку стали и специальные приемы раскисления.
Классификация сталей по составу, качеству и структурным классам
В соответствии с современными стандартами углеродистые и легированные стали разделяют на: конструкционные легированные стали, стали обыкновенного качества, углеродистые качественные конструкционные стали, повышенной обрабатываемости (автоматные) стали, рессорно-пружинные стали, подшипниковые стали, углеродистые инструментальные стали, инструментальные легированные стали, литейные стали, коррозионностойкие стали, порошковые стали.
Множество сталей относится к группе машиностроительных материалов с повышенной и высокой прочностью. В этом случае стали разделяют на углеродистые и низколегированные стали, высокопрочные среднелегированные стали, высокопрочные высоколегированные (мартенситно-стареющие) стали. Легированные стали классифицируют по четырем признакам: по равновесной структуре, по структуре после охлаждения на воздухе, по составу, по назначению.
По содержанию углерода стали разделяются на малоуглеродистые до 0,2-0,2%, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали 0,6-1,7% С.
По структуре - доэвтектоидные (феррит + перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит + цементит) стали.
По способу выплавки стали делятся на кипящую, полуспокойную и спокойную сталь. Слитки кипящей стали имеют в структуре большое количество газовых пузырей - результат раскисления стали в изложницах и выделения СО. Кроме того, различают стали на мартеновские, полученные в конвертерах и электропечах, в установках непрерывной разливки стали и т.п. Способ выплавки влияет на химический состав: содержание примесей и неметаллических включений, в итоге на качество стали.
Конструкционные стали (машиностроение) разделяются по технологическим признакам на цементуемые (С обычно не более 0,2%), улучшаемые (подвергающиеся ТО - улучшению) и автоматные стали.
По качеству: обыкновенного качества - углеродистая широкого применения, качественная - для деталей машин, рессор, пружин и т.д., высококачественную - с минимальным содержанием серы, фосфора, минимальным содержанием металлических включений.
Углеродистые стали классифицируют по назначению. Это стали: общего назначения Ст0, Ст1кп, СтГпс (ГОСТ 380-88), нелигированные для отливок 15л, 50л, 35л (ГОСТ 977-79), рессорно-пружинные 65, 70, 80, 85 (ГОСТ 1459-79), повышенной и высокой обрабатываемости резанием А11, А20, А30, А40Г (ГОСТ 1414-75), среднеуглеродистые пониженной прокаливаемости НИПРА, 50ПСТ, качественные конструкционные стали 05, 08, 10, 15, 55ПП, 60 (ГОСТ 1050-74).
Тема. Понятие легирующий элемент и легированная сталь. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Принцип маркировки.
На структуру чугуна, кроме железа и углерода сильно влияет химический состав. Кремний, титан, никель, хром, алюминий – способствуют выделению графита, их называют граффитизирующими. Марганец, молибден, сера, вольфрам, ванадий – тормозят граффитизацию. Их называют антиграффитизирующими. Чем больше кремния, тем чугун мягче (1,5 – 3,5% кремния). Чем больше фосфора, тем чугун жидкотекуч, тверд и хрупок (0,3 – 0,4%). Сера (0,08 – 1%) – понижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и склонность к образованию трещин.
Серые чугуны маркируют буквами СЧ и цифрами, характеризующими прочность чугуна.
Например: СЧ 20 – серый чугун, предел прочности 20 кгс/мм 2 . Применение: станины станков, корпусов.
3)высокопрочный чугун – серый чугун с шаровидной формой графита. Для получения графита в виде шаровидных включений в ковш с жидким чугуном вводят металлический магний (0,03 -0,07%).
А) феррит + шаровидный графит
Б) феррит + перлит + шаровидный графит
В) перлит + шаровидный графит
Высокопрочные чугуны маркируют буквами ВЧ и цифрой, которая показывает предел прочности на растяжение.
Пример: ВЧ 60 – высокопрочный чугун, предел прочности на растяжение 600 МПа или 60 кгс/мм 2 .
1) ковкий чугун – серый чугун с хлопьевидной формой графита. Получается в результате отжига белого чугуна. Структура: ледебурит + цементит (вторичный) + перлит. Маркируют буквами КЧ и 2 числа: 1 – е показывает предел прочности на растяжение, 2-е относительное удлинение.
Пример: КЧ 33-8 – ковкий чугун, предел прочности на растяжение σв = 33 кгс/мм 2 , относительное удлинение δ = 8%.
Серый чугун. Свойства определяются пластинчатой формой графита. Обладает хорошими антифрикционными свойствами, высокой износостойкостью, хорошо гасит вибрации. Сплав обладает хорошей жидкотекучестью, малой склонностью к образованию усадочных дефектов. Изготавливают отливки сложной конфигурации с толщиной стенок 2 – 500 мм.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Характерны: пластичность и вязкость. Применяется для высоких и механических нагрузок, для деталей работающих при знакопеременных нагрузках. Это экономичный материал для напорной арматуры, в тяжелом машиностроении, в автостроении (коленчатые валы).
Белый чугун. Отливки, имеющие белый излом применяются, когда детали не требуют механической обработки, не подвергаются ударным нагрузкам. Отбеленные чугуны – это чугунные отливки, в которых поверхностные слои имеют структуру белого, а сердцевина – серого чугуна. Такие отливки применяются для деталей, работающих при повышенных нагрузках и усиленном износе.
Ковкий чугун. Хорошо сваривается, обрабатывается резанием. Используется для получения сварно-литых конструкции. Хорошо подвергается запрессовке, расчеканке. Толщина отливок 6-60 мм.
МАРКИ РАСШИФРОВЫВАЕМ СОГЛАСНО МОЕГО ОБРАЗЦА.
ИЗ ИНТЕРНЕТА СКАЧАННУЮ МАРКИРОВКУ ПРОВЕРЯТЬ НЕ БУДУ.
Задание : расшифровать марки углеродистых сталей и чугунов
Тема. Понятие легирующий элемент и легированная сталь. Влияние легирующих элементов на свойства стали. Принцип маркировки.
Свойства обычной углеродистой стали улучшаются от прибавления к ней некоторых элементов (хрома, никеля, вольфрама, ванадия, молибдена, алюминия, меди и т.д.), которые называют легирующими элементами (ЛЭ).
Легирующий элемент – это химический элемент, при добавке которого в углеродистую сталь улучшаются свойства стали. Такая сталь, называется легированной (ЛСт).
Цель легирования – изменение структуры и физико – механических свойств стали, ее твердости, прочности, износостойкости, антифрикционности, жаропрочности, теплопроводности.
Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотропические превращения в железе, на карбидную фазу, на фазовые превращения в стали.
Углерод – количество карбидов зависит от содержания углерода. Они обладают более высокой твердостью.
Хром - при введении хрома в перлитную сталь повышается прочность при сохранении достаточной вязкости. Хром повышает прокаливаемость, а при больших добавках повышает сопротивление стали коррозии и жаропрочность.
Молибден – повышает прочность и твердость стали при повышенных температурах, придает мелкозернистость, повышает прокаливаемость, устраняет хрупкость.
Вольфрам – сохраняет твердость при повышенных температурах и вводится в инструмент быстрорежущей стали, является основным элементом в сверхтвердых режущих сплавах.
Марганец – повышает прочность, твердость и прокаливаемость стали, но увеличивает склонность к отпускной хрупкости. При содержании марганца 12 – 14% получается марганцевая аустенитная сталь с высоким сопротивлением износу.
Кремний – увеличивает прочность и упругость стали, не снижая вязкости (рессорная сталь), увеличивает стойкость против кислот, жаропрочность и электросопротивление стали.
Никель – улучшает механические свойства стали, особенно вязкость, повышает прокаливаемость. Хромоникелевые стали склонны к отпускной хрупкости,поэтому в сталь вводят вольфрам или молибден, понижающие отпускную хрупкость и повышающие прочность стали. При больших добавках никеля получают немагнитную кислотоупорную или малорасширяемую при нагревании сталь.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой:
| Н – никель – Ni | Б – ниобий – Nb |
| К – кобальт – Co | Ц – цирконий – Zr |
| Х – хром - Cr | С – кремний – Si |
| М – молибден – Mo | П – фосфор – P |
| Г – марагнец - Mn | В – вольфрам – W |
| Д - медь – Cu | Т –титан – Ti |
| Р – бор – B | Ф – ванадий - V |
| Ю – алюминий - Al |
Первые цифры в маркировке конструкционных сталей указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после букв, указывают среднее содержание данного легирующего элемента. Если содержание легирующего элемента равно 1%, то цифра отсутствует. В высококачественных сталях в конце ставят букву А. Шарикоподшипниковые стали обозначают буквой Ш, быстрорежущие – Р.
5.1. Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства сталей и превращения при термообработке
Введение легирующих элементов значительно усложняет взаимодействие компонентов в стали между собой, приводит к образованию новых фаз и структурных составляющих, изменяет кинетику превращений и технологию термической обработки. Причем распределение легирующих элементов в сталях весьма разнообразно – они могут находиться в сталях:
· в свободном состоянии (медь, свинец, серебро);
· в виде интерметаллидных соединений(металла с металлом) с железом или между собой;
· в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических соединений (алюминий, титан и ванадий, являясь раскислителями, образуют оксиды
Αl 2 О 3 , TiO 2 , V 2 O 5 );
· в карбидной фазе – в виде твердого раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;
· в растворенном виде в железе.
Взаимодействие легирующих элементов с углеродом.
Углерод, взаимодействуя с железом, формирует в сталях внутреннее строение и механические свойства. Введение легирующих элементов нарушает это взаимодействие. По характеру взаимодействия с углеродом легирующие элементы подразделяются на некарбидообразующие и карбидообразующие.
К некарбидообразующим элементам относятся никель, кремний, ко-
бальт, алюминий, медь. Они растворяются во всех кристаллических состояниях железа и изменяют его свойства. Карбидообразующими элементами являются хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан, ниобий, цирконий. Они могут растворяться в железе или образовывать карбиды ( Mn 3 C , Cr 23 C 6 , Cr 7 C 6 , Fe 3 Mo 3 C , Fe 3 W 3 C и др.), сравнительно легко растворяющиеся в аустените при нагреве, и карбиды ( MoC , W 2 C , WC , VC , TiC и др.), практически не растворяющиеся в аустените при нагреве.
Кроме того, все карбидообразующие элементы могут растворяться в цементите, образуя легированный цементит. Все карбиды и легированный цементит обладают более высокой температурой распада и твердостью и в дисперсном виде значительно упрочняют сталь.
Влияние легирующих элементов на полиморфные модификации желе-
Полиморфные состояния железа при образовании твердых растворов введением легирующих элементов смещаются по температуре. Все легирующие элементы по влиянию на полиморфные состояния железа можно разделить на две группы:
· расширяющие область Fe γ (или легированного аустенита);
· сужающие область Fe γ .
К первой группе относятся никель, марганец, кобальт, медь. Точка А 3 железа с увеличением содержания этих элементов снижается, расширяя
область существования Fe γ на диаграмме«Железо – легирующий элемент». Такое состояние сплава может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие стали называются аустенитными. Примером может служить износостойкая сталь 110Г13Л, содержащая 13 % марганца.
Ко второй группе относятся кремний, хром, вольфрам, молибден, алюминий, ванадий, титан. Точка А 3 железа с увеличением содержания этих элементов повышается, расширяя область Fe α и сужая область Fe γ . Область Fe α легированного феррита также может существовать от температуры плавления до весьма низких отрицательных температур. Такие
стали называются ферритными. Примером может служить жаростойкая сталь Х25.
Свойства феррита существенно изменяются при введении легирующих элементов. Причиной изменения свойств является размерное несоответствие атомов легирующих элементов и железа, приводящее к искажению кристаллической решетки железа, возникновению внутренних напряжений и торможению движения дислокаций. Прочность и твердость феррита возрастает, а ударная вязкость снижается. Исключением является хром (до 3 %) и никель, с введением которых ударная вязкость возрастает.
Кроме того, добавки никеля до6 % снижают температурный порог хладноломкости железа до– 200 °С. Поэтому детали механизмов и машин, работающих при низких температурах, изготавливаются из сталей с добавками никеля. Остальные элементы существенно повышают температурный порог хладноломкости, что ухудшает надежность работы деталей при низких температурах из-за увеличения вероятности их разрушения.
Влияние легирующих элементов на равновесную структуру железоуглеродистых сплавов.
Важнейшими точками диаграммы « Fe – Fe 3 C », позволяющими классифицировать железоуглеродистые стали, являются точки S и E. Большинство легирующих элементов сдвигают эти точки в сторону меньшего содержания углерода, что означает смещение границ для сталей и чугунов. Например, при введении 5 % хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6 % углерода, эвтектоидные – 0,6 %, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5 %. Свыше 1,5 % углерода – в структуре стали появляется ледебурит, поэтому такие стали названы ледебуритными . Эти стали, обладая высокой износостойкостью, используются для изготовления холодных штампов. Аналогичные закономерности наблюдаются у сталей с добавками вольфрама и молибдена, которые используются для изготовления быстрорежущего инструмента.
Кроме того, в легированных сталях совместное влияние углерода и легирующих элементов на точки А 1 , А 3 , А m весьма сложное, поэтому температура этих точек для каждой стали определяется экспериментально. Знание этих точек необходимо для назначения режимов термической обработки, например, для сравнения (из марочника сталей):
– сталь 45 имеет А С1 = 730 °С, а А С3 = 755 °С;
– сталь 45Х имеет А С1 = 735 °С, а А С3 = 770 °С;
– сталь 45ХН имеет А С1 = 750 °С, а А С3 = 790 °С;
– сталь 45ХН2МФА имеет А С1 = 735 °С, а А С3 = 825 °С.
Влияние легирующего элемента на изотермический распад аустенита, а также на его распад при непрерывном охлаждении.
Это выражается в увеличении устойчивости переохлажденного аустенита. С-образные области (диффузионные и частично диффузионные пре-
вращения) на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени(увеличивается устойчивость переохлажденного аустенита), что обусловлено меньшей диффузионной подвижностью атомов легирующих элементов (кроме кобальта) по сравнению с атомами углерода (рис. 5.1). Причем, при введении некарбидообразующих элементов (никель, марганец, кремний) форма С-образной области остается такой же, как и для углеродистой стали. Введение же карбидообразующих элементов (хром, вольфрам, молибден) изменяет вид С-образной области
– выделяются области диффузионного и частично диффузионного превращений и между этими областями аустенит может иметь аномально высокую устойчивость.
В целом, увеличение устойчивости переохлажденного аустенита повышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных элементов, например, бора 0,001–0,005 %, может увеличить прокаливаемость в десятки раз.
Рис. 5.1. Диаграммы изотермического распада аустенита:
а – углеродистая (1, область А п →Ф + Ц ) и легированная не карбидообразующими элементами (2, область А п →Ф + К ) стали; б – углеродистая (1) и легированная
карбидообразующими элементами (2, область А п →Ф + К ) стали
При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>V КР ) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита при нагреве зависит от их способности образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом. Элементы, не образующие карбиды (никель, кобальт, кремний, медь), практически не препятствуют росту зерна аустенита, а элементы, образующие карбиды (хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан), препятствуют росту зерна аустенита. Сохранение мелкозернистого состояния аустенита до температур930–950 ºС обусловлено высокой теплостойко-
стью карбидов, являющихся барьерами для перемещения границ зерна аустенита. Мелкоигольчатый мартенсит, полученный из мелкозернистого аустенита, обеспечивает стали повышенную вязкость.
Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение ста-
При введение легирующих добавок температурный интервал мартенситного превращения изменяется, что отражается на количестве остаточного аустенита в закаленной стали(рис. 5.2). Как видно из рисунка, алюминий и кобальт повышают мартенситную точку и снижают количество остаточного аустенита, но большинство легирующих элементов(марганец, молибден, хром) снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита, что ухудшает качество стали после закалки. Для устранения остаточного аустенита такие стали после закалки обрабатываются холодом.
Рис. 5.2. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1,0 % углерода
Более того, влияние легирующих элементов на поведение сталей может быть настолько значительным, что точка М Н смещается ниже комнатной температуры. В этом случае мартенситное превращение отсутствует и охлаждением фиксируется аустенитное состояние, например, при введении 5 % марганца.
Влияние легирующих элементов на отпуск стали.
После закалки выполняется обязательная термическая операция для повышения вязкости стали – отпуск. В процессе отпуска неравновесные фазы – мартенсит и остаточный аустенит – превращаются в феррит и цементит. Это превращение протекает диффузионным путем и зависит от температуры нагрева.
Влияние легирующих элементов на отпуск стали выражается количественно и качественно. Количественное влияние легирующих элементов – уменьшение скорости превращений и повышение температуры превращений (выделение углерода Fe α из и коагуляция карбидов). Это наиболее заметно проявляется при введении хрома, ванадия, титана, вольфрама, молибдена, кремния. Поэтому температурные интервалы всех видов отпуска легированных сталей на 100–150 ºС выше по сравнению с углеродистыми.
Качественное влияние легирующих элементов– карбидные превращения (преобразование легированного цементита в специальные карбиды) и влияние вторичной твердости(превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидов).
Таким образом, легирование, изменяя скорости и температуру превращений, а также тепловые свойства стали, существенно влияет на режимы термической обработки. Основные особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются в следующем:
· нагрев изделий производится с меньшей скоростью в связи с уменьшением теплопроводности сталей. Пониженная теплопроводность увеличивает перепад температур по сечению изделий, а следовательно, повышает и напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование;
· температура нагрева для получения аустенита при введении карбидообразующих элементов повышается. Труднорастворимые карбиды сдерживают рост зерна аустенита и сохраняют его мелкозернистоесо стояние;
· охлаждение изделий возможно со значительно меньшей скоростью, так как процесс распада переохлажденного аустенита замедляется. Уменьшение критической скорости закалки позволяет охлаждать изделия
в более мягком охладителе. Это уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин;
· увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении.
5.2. Маркировка и классификация легированных сталей
В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.
По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные,
эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.
Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме 3 С . В структуре литых ледебуритных(карбидных) сталей
присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами
В соответствии с диаграммой « Fe – Fe 3 C » доэвтектоидные стали содержат менее 0,8 % углерода, эвтектоидные около 0,8 %; заэвтектоидные 0,8–2,0 % и ледебуритные примерно до 2,14 %.
Большинство легирующих элементов сдвигает точкиS и E (на диаграмме « Fe – Fe 3 C ») в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными лежит в легированных сталях при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.
При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный,
Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов.
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым -со держанием легирующих элементов, и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры – перлит, сорбит, троостит.
У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо – аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.
Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало
мартенситного превращения в область отрицательных температур, поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуре, сохранит аустенитное состояние.
В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) ста-
ли разделяются на: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т. п.
Кроме того, стали подразделяются по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5 % легирующих эле-
ментов), легированные (от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (более 10 %).
Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс, обеспечиваемых металлургическим процессом свойств, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей (серы и фосфора).
По качеству легированные стали подразделяются на качественные
(до 0,04 % S и до 0,035 % P ), высококачественные (до 0,025 % S и до
0,025 % Р ) и особовысококачественные (до 0,015 % S и до 0,025 % Р ).
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:
· конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве
и обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами;
· инструментальные , применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.
Конструкционные стали подразделяются на:
· стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.
Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.
Первые цифры в обозначении конструкционных сталей показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие
Читайте также: