Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа (классификация сталей по равновесной структуре)
Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа (классификация сталей по равновесной структуре)
4.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей
Тема 2.3. Влияние легирования на структуру и свойства сталей
В предыдущих темах 2.1 и 2.2 изучались структура и свойства углеродистых сталей, в составе которых помимо железа и углерода, (теоретически 0,02…2,14 %С – см. диаграмму «железо–цементит», рис. 2.1.1; практически 0,05…1,5 %С) содержится лишь небольшое количество (≤ 1,5 %) металлургических примесей. Их механические свойства определяются содержанием углерода и могут целенаправленно изменяться в широких пределах посредством структурных превращений, вызываемых термической обработкой.
Оптимальный комплекс механических свойств достигается завершающей термической обработкой стальных изделий, состоящей из закалки и отпуска. Высокий уровень механических свойств углеродистых сталей в термически упрочненном состоянии позволяет использовать их для широкого круга изделий различного назначения (деталей и инструмента). Эти стали технологичны (хорошо свариваются и обрабатываются давлением и резанием) и экономичны, поэтому на их долю приходится около 80 % общего объема производства сталей.
Однако существенным недостатком углеродистых сталей является их невысокая прокаливаемость (≤ 12 мм) – способность приобретать мартенситную структуру при закалке на определенную глубину изделия (подробнее в разделе 2.3.2). Это ограничивает размеры (сечение) изделий, упрочняемых термической обработкой.
Этот недостаток устраняется легированием стали. Сталь, в которую специально, в определенных концентрациях вводятся примеси – легирующие элементы – называется легированной.
Введение даже небольшого количества легирующих элементов влияет на температуры и кинетику (скорость) фазовых превращений и, соответственно, на режимы термической обработки сталей. Значительное легирование специальными элементами может привести к качественному изменению структуры и свойств сталей (появлению особых физико-механических свойств).
2.3.1. Классификация легированных сталей по структуре
Структура и свойства легированных сталей зависят не только от содержания углерода, но также от индивидуальных особенностей и количества легирующих элементов.
В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (критические точки G и N в железе, см. рис. 2.1.1; в сталях их принято обозначать А3 и А4 соответственно) зависят от содержания углерода в соответствии с диаграммой «Железо–цементит».
Легирующие элементы, растворяясь в α и γ–модификациях Fe, влияют на положение критических точек (А3 и А4), что в свою очередь определяет область существования α–фазы (феррита) и γ–фазы (аустенита) – рис. 2.3.1.
Рис. 2.3.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфизм железа и структуру легированных сталей
Видно, что элементы I группы повышают А4 и понижают А3, соответственно сужая область α–фазы и расширяя γ–область (рис. 2.3.1,а). Из таких элементов наибольшее практическое значение имеют Ni и Mn (подобным образом влияет и углерод – см. диаграмму «Железо–цементит», рис. 2.1.1).
Элементы II группы снижают А4, повышают А3, в результате расширяется область α–фазы (рис. 2.3.1,б). В основном это элементы, имеющие ОЦК решетку подобно α–Fe (Cr, W, V, Mо, Ti и др.).
Видно, что, если содержание легирующих элементов превышает концентрацию х, то стали при любой температуре имеют аустенитную (рис. 2.3.1,а) либо ферритную (рис. 2.3.1,б) структуры. Обычно это стали, которые в результате сильного легирования приобретают особые свойства, например, коррозионностойкие стали аустенитного и ферритного классов.
Очевидно, что такие стали при закалке не претерпевают мартенситного (γ → α) превращения и значит не упрочняются термической обработкой (закалка+отпуск, см. раздел 2.2).
В разделе 2.1 обсуждалась классификация углеродистых сталей по равновесной структуре: доэвтектоидные (структура феррит+перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+вторичный цементит1).
В легированных сталях помимо этих трех классов возможны также стали с аустенитной и ферритной структурами. Как отмечалось, такое принципиальное изменение структуры качественно изменяет свойства высоколегированных сталей.
studfiles.net
4.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали
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 Fe (линия NI) А4, температуру линии SE – Асm. Равновесные температуры А3 и А4 для чистого железа равны соответственно 911 и 13920 С. В интервале указанных температур устойчива модификация Fe с решеткой ГЦК.
По 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 - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3 при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой - областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точку b, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-250 С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fe, 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%.
studfiles.net
4.2. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали
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 ??? линииGS– А3, температуру полиморфного превращенияFeFe(линияNI) А4, температуру линииSE– Асm. Равновесные температуры А3и А4для чистого железа равны соответственно 911 и 13920С. В интервале указанных температур устойчива модификацияFeс решеткой ГЦК.
По влиянию на температуры полиморфных превращений А3и А4легирующие элементы можно разбить на две группыВ первую группу входят элементы группы никеля, которые понижают температуру А3и повышают температуру А4. К ним относятсяNi,Mn,Co,Cu.
В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А3при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 4.1. показан участок диаграммыFe– легирующий элемент с открытой- областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точкуb, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-250С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода вFe, но и любые твердые растворы на основеFe.
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 А3и понижают температуру А4. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и, соответственно, расширяется температурный интервал устойчивостиFe. Таких легирующих элементов большинство:Cr,Mo,W,V,Si,Tiи 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 основеFe.
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 Sи Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точкиSи 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%Crледебурит 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 большаяна легирование феррита. Поэтому структура этой стали будет состоять из легированного феррита и большого количества карбидов хрома и железа, а точнееиз перлита и карбидов. Поскольку хром сдвигает точкиSи 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 частьна 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 среднеили высоколегированные стали с содержанием углерода более 0,8%.
studfiles.net
Тема 2.3. Влияние легирования на структуру и свойства сталей
В предыдущих темах 2.1 и 2.2 изучались структура и свойства углеродистых сталей, в составе которых помимо железа и углерода, (теоретически 0,02…2,14 %С – см. диаграмму «железо–цементит», рис. 2.1.1; практически 0,05…1,5 %С) содержится лишь небольшое количество (≤ 1,5 %) металлургических примесей. Их механические свойства определяются содержанием углерода и могут целенаправленно изменяться в широких пределах посредством структурных превращений, вызываемых термической обработкой.
Оптимальный комплекс механических свойств достигается завершающей термической обработкой стальных изделий, состоящей из закалки и отпуска. Высокий уровень механических свойств углеродистых сталей в термически упрочненном состоянии позволяет использовать их для широкого круга изделий различного назначения (деталей и инструмента). Эти стали технологичны (хорошо свариваются и обрабатываются давлением и резанием) и экономичны, поэтому на их долю приходится около 80 % общего объема производства сталей.
Однако существенным недостатком углеродистых сталей является их невысокая прокаливаемость (≤ 12 мм) – способность приобретать мартенситную структуру при закалке на определенную глубину изделия (подробнее в разделе 2.3.2). Это ограничивает размеры (сечение) изделий, упрочняемых термической обработкой.
Этот недостаток устраняется легированием стали. Сталь, в которую специально, в определенных концентрациях вводятся примеси – легирующие элементы – называется легированной.
Введение даже небольшого количества легирующих элементов влияет на температуры и кинетику (скорость) фазовых превращений и, соответственно, на режимы термической обработки сталей. Значительное легирование специальными элементами может привести к качественному изменению структуры и свойств сталей (появлению особых физико-механических свойств).
2.3.1. Классификация легированных сталей по структуре
Структура и свойства легированных сталей зависят не только от содержания углерода, но также от индивидуальных особенностей и количества легирующих элементов.
В углеродистых сталях температуры полиморфных превращений (критические точки G и N в железе, см. рис. 2.1.1; в сталях их принято обозначать А3 и А4 соответственно) зависят от содержания углерода в соответствии с диаграммой «Железо–цементит».
Легирующие элементы, растворяясь в α и γ–модификациях Fe, влияют на положение критических точек (А3 и А4), что в свою очередь определяет область существования α–фазы (феррита) и γ–фазы (аустенита) – рис. 2.3.1.
Рис. 2.3.1. Влияние легирующих элементов (л.э.) на полиморфизм железа и структуру легированных сталей
Видно, что элементы I группы повышают А4 и понижают А3, соответственно сужая область α–фазы и расширяя γ–область (рис. 2.3.1,а). Из таких элементов наибольшее практическое значение имеют Ni и Mn (подобным образом влияет и углерод – см. диаграмму «Железо–цементит», рис. 2.1.1).
Элементы II группы снижают А4, повышают А3, в результате расширяется область α–фазы (рис. 2.3.1,б). В основном это элементы, имеющие ОЦК решетку подобно α–Fe (Cr, W, V, Mо, Ti и др.).
Видно, что, если содержание легирующих элементов превышает концентрацию х, то стали при любой температуре имеют аустенитную (рис. 2.3.1,а) либо ферритную (рис. 2.3.1,б) структуры. Обычно это стали, которые в результате сильного легирования приобретают особые свойства, например, коррозионностойкие стали аустенитного и ферритного классов.
Очевидно, что такие стали при закалке не претерпевают мартенситного (γ → α) превращения и значит не упрочняются термической обработкой (закалка+отпуск, см. раздел 2.2).
В разделе 2.1 обсуждалась классификация углеродистых сталей по равновесной структуре: доэвтектоидные (структура феррит+перлит), эвтектоидные (перлит) и заэвтектоидные (перлит+вторичный цементит1).
В легированных сталях помимо этих трех классов возможны также стали с аустенитной и ферритной структурами. Как отмечалось, такое принципиальное изменение структуры качественно изменяет свойства высоколегированных сталей.
studfiles.net
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали
Легированными называют стали, в которые кроме железа и углерода вводят легирующие добавки для обеспечения требуемой структуры и придания сталям специальных свойств. Основными легирующими элементами являются Мn, Si, Сг, Ni, W, Мо, Со, Ti, V, Zг, NЬ и др. Большинство легирующих элементов распределяется между ферритом, аустенитом и карбидной фазой.
Твердые растворы легирующих элементов в α–Fe (ОЦК решетка) называются легированным ферритом, а в γ–Fe (ГЦК решетка) – легированным аустенитом. Наибольшей растворимостью в феррите и аустените обладают элементы, имеющие близкие к железу размеры атомов и изоморфные кристаллические решетки. При различии в размерах атомов компонентов до 8 % образуется непрерывный ряд твердых растворов замещения, а при различии до 15…17 % наблюдается их ограниченная растворимость в твердом растворе.
Легированный феррит является основой структуры некоторых нержавеющих сталей и может быть самостоятельной фазой или (и) входить в строение перлита.
Легированный аустенит является основной структурной составляющей многих нержавеющих, жаропрочных и немагнитных сталей.
Элементы с очень малым атомным диаметром (H, B, C, N) образуют с железом твердые растворы внедрения малой концентрации.
Интерметаллидыобразуются только в высоколегированных сталях и сплавах со специальными свойствами, в которых они играют роль упрочнителей, однако при этом снижаются пластичность и сопротивление разрушению. В обычных массовых промышленных сталях интерметаллические соединения легирующих элементов не встречаются.
Карбидная фаза. По отношению к углероду легирующие элементы делятся на две группы: карбидообразующие (т. е. образующие соединения железа с углеродом) и некарбидообразующие (графитизирующие).
Легирующие элементы, расположенные в периодической системе Д. И. Менделеева справа от железа (Co, Ni, Cu, Al, Si), не образуют в стали карбидов. Эти элементы, растворяясь в феррите и аустените, образуют твердые растворы замещения. Некарбидообразующие элементы (Si, Al, Сu) понижают устойчивость цементита и других карбидов.
Карбидообразующие элементы имеют высокую степень химического сродства к углероду и образуют более прочные и устойчивые при нагревании карбиды, чем карбид железа (цементит).
К карбидообразующим относятся элементы, расположенные в периодической системе слева от железа. По степени способности к карбидообразованию эти элементы располагаются в такой последовательности: Ti, Zr, Nb, V, W, Mo, Cr, Mn. Чем дальше от железа находится легирующий элемент, тем более устойчивые карбиды он образует. Устойчивость карбидов от марганца к цирконию возрастает, а растворимость в феррите, аустените и цементите уменьшается. При небольшом содержании Mn, Cr, Mo, W они растворяются в феррите и цементите, образуя легированный феррит и легированный цементит. В легированном цементите – (Fe, Mn)3C, (Fe, Cr)3С и др. – атомы этих элементов частично замещают атомы железа, не изменяя его структуру. При повышении содержания этих элементов (Cr, W, Mo) образуются сложные карбиды следующих типов – (Cr, Fe)7C3, (Cr, Fe)23C6, Fe3W3C, Fe3Mo3C и др. Легированный цементит и сложные карбиды указанного типа при нагревании сравнительно легко растворяются в аустените.
К сильным карбидообразователям относятся Nb, V, Zr, Ti, которые практически не растворяются ни в феррите, ни в цементите. Они образуют собственные специальные карбиды типа NbC, VC, ZrC, TiC. Даже при очень высокой температуре эти карбиды не полностью растворяются в аустените из-за их высокой энергии межатомной связи, которую в известной степени характеризует их температура плавления (WC – 2900 oC, VC – 3100 oC, TiC – 3450 °C, ZrC – 3800 °C). Карбиды в сталях являются упрочняющей фазой из-за их высокой твердости и высокого сопротивления сдвигу. Наличие карбидообразующих элементов в стали оказывает также значительное влияние на величину зерна (уменьшая их рост при нагреве) и на процессы, происходящие при термообработке (при нагреве и при охлаждении в процессе отжига и, особенно, при закалке и отпуске). Недостатком карбидов является их хрупкость.
Легирующие элементы по-разному влияют на свойства стали.
Марганец повышает прочность, износостойкость, а также глубину прокаливаемости стали при термической обработке.
Кремний способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали. Кремний способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15...20 % придает стали кислотоупорность.
Хром повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозионную стойкость.
Никель действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.
Вольфрам уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенной температуре.
Молибден действует аналогично вольфраму, а также повышает коррозионную стойкость.
Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Ti, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Легирование стали, когда концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее называют микролегированием.
infopedia.su
Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали. — КиберПедия
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
1. Общая классификация сталей.
2. Маркировка сталей.
3. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.
4. Стали обыкновенного качества. Классификация.
Стали классифицируются по химическому составу, назначению, качеству, степени раскисления и структуре.
По химическому составу стали подразделяют на углеродистые и легированные. По концентрации углерода те и другие подразделяют на низкоуглеродистые (менее 0,3%С), среднеуглеродистые (0,3-0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7%С).
Легированные стали в зависимости от введенных элементов делят на хромистые, марганцовистые, хромо-никелевые, хромо-кремниево-марганцовые и другие.
По количеству введенных элементов их классифицируют на низко-, средне - и высоколегированные. В низколегированных сталях количество легирующих элементов не превышает 5%, в среднелегированных - от 5 до 10%, в высоколегированных - более 10%.
По назначению стали делятся на конструкционные и инструментальные и стали специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные стали представляют собой наиболее обширную группу, предназначенную для изготовления строительных сооружений, деталей машин и приборов. Среди них можно выделить цементируемые, улучшаемые, высокопрочные и рессорно-пружинные стали.
Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего, измерительного инструмента; штампов холодного и горячего деформирования. К сталям специального назначения относят коррозионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, электротехнические стали.
По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные. Под качеством стали понимают совокупность свойств, определяемых процессом ее производства.
Однородность химического состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания газов (О2, Н2, N2) и вредных примесей, например, S и Р. Но количество примесных газов трудно определить, поэтому основными показателями качества сталей служат нормы содержания вредных примесей.
Стали обыкновенного качества содержат до 0,06% S и 0,07%Р, качественные не более 0,04% S и 0,035%Р; высококачественные не более 0,025% S и 0,025% P, особо высококачественные не более 0,015% S и 0,025%Р.
Стали обыкновенного качества выплавляют только углеродистыми (до 0,5%С), качественные и высококачественные – углеродистыми и легированными, особо высококачественные – легированными.
По степени раскисления и характеру затвердевания стали классифицируют на спокойные, полуспокойные и кипящие.
Раскисление – процесс удаления из жидкого металла О2, иначе сталь хрупко разрушается при горячем деформировании. Спокойные стали раскисляют Mn, Si и Al. Такие стали содержат мало О2 и спокойно, без газовыделения затвердевают. Кипящие стали раскисляют только Mn. Перед разливкой в них содержится повышенное количество О2, который частично взаимодействуя с углеродом при затвердевании удаляется в виде “СО”.
Выделение пузырей СО производит впечатление кипения стали. Кипящие стали дешевы, их производит низкоуглеродистыми и практически без Si (Si≤ 0,07%), но с повышенным содержанием газообразных примесей.
Полуспокойные стали по степени раскисления занимают промежуточное положение между спокойными и кипящими.
Легированные стали производят спокойными, углеродистые – спокойными, полуспокойными и кипящими.
По структуре сталь классифицируют в отожженном и нормализованном состояниях. В зависимости от структуры в отожженном (равновесном) состоянии стали делят на 6 классов:
1. Доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные, структура которых состоит из перлита.
3. Заэвтектоидные, имеющие в структуре вторичные, выделяющиеся из аустенита карбиды.
4. Ледебуритные, содержащие в структуре первичные (эвтектические) карбиды.
5. Аустенитные.
6. Ферритные.
В отличие от легированных, углеродистые стали могут быть 1х 3-х классов.
Стали аустенитного класса образуются при введении большого количества элементов (Ni, Mn), расширяющих g - область, стали ферритного класса – при введении элементов, расширяющих a-область (Cr, Si, V, W).
При легировании возможна частичная перекристаллизация (a↔g) и образование промежуточных классов – полуферритных и полуаустенитных.
По структуре после нормализации стали подразделяют на следующие основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.
Стали перлитного класса имеют невысокую устойчивость переохлажденного аустенита (А'). При охлаждении на воздухе они приобретают структуру перлита, сорбита или троостита, в которых могут присутствовать также избыточные феррит или карбиды.
К сталям перлитного класса относятся углеродистые и низколегированные стали. Это большая группа дешевых и широко применяемых сталей.
Стали мартенситного класса отличаются высокой устойчивостью А'. При охлаждении на воздухе они закаляются в мартенсите. К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.
Стали аустенитного класса из-за повышенного количества Ni или Mn (обычно в сочетании с Cr) имеют интервал мартенситного превращения ниже 0 оС и сохраняют аустенит при комнатной температуре. В перлитной и промежуточной областях аустенит не распадается.
Структурный класс аустенитных и ферритных сталей совпадает по той и другой классификации.
Маркировка сталей.
Углеродистые стали, за исключением сталей обыкновенного качества, маркируются по содержанию углерода. Марка легированной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. По ГОСТу 4543-71 принято обозначать N2 – A, Se – E, P – П, РЗЭ – Ч, Cr - X, Ni – H, Mn - Г, Si-C, Mo-M, W – B, Ti – T, V - Ф, Al - Ю, Cu - Д, Nb - Б, бор – Р, Co – K. Цифра, стоящая после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента, %. Если цифра отсутствует, то легирующего элемента содержится меньше или около 1%.
В конструкционных сталях две цифры в начале марки показывают содержание углерода в сотых долях процента, например, сталь 20ХН3А в среднем содержит 0,2%С, 1% Cr и 3% Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная.
Особо высококачественные имеют в конце марки букву Ш, например, 30ХГС-Ш. Иногда в сложнолегированных сталях некоторые цифры опускаются.
Особые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих – с буквы Р, электротехнических – с буквы Э, магнитотвердых – Е, автоматных – с буквы А.
ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
1. Классификация.
2. Углеродистая инструментальная сталь.
3. Легированная инструментальная сталь.
4. Быстрорежущая сталь.
Инструментальными сталями называют углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью (HRC 60-65), прочностью и износостойкостью. Применяют для изготовления различного инструмента. Обычно это заэвтектоидные или ледебуритные стали, структура которых после закалки и низкого отпуска мартенсит – избыточные карбиды.
По назначению инструментальные стали в основном разделяются на 4 группы: 1.для режущего инструмента; 2. для холодных штампов; 3. для горячих штампов; 4. для измерительного инструмента.
1. Для режущего инструмента применяют углеродистые стали, преимущественно высокоуглеродистые (заэвтектоидные) и легированные перлитного и карбидного классов, поставляемые со структурой зернистого перлита.
По составу сталь для режущего инструмента разделяется на следующие 3 подгруппы: углеродистая и легированная с небольшой прокаливаемостью; легированная с большой прокаливаемостью; быстрорежущая. Исключительно важное значение для режущего инструмента имеют твердые сплавы (не относящиеся к сталям), которые находят все большее применение, особенно при скоростной обработке.
За последнее время появились керамические (неметаллические материалы) для режущего инструмента, которые допускают еще большие скорости резания, чем твердые сплавы и при этом более дешевые.
Сталь для режущего инструмента после закалки и отпуска должна отличаться высокой твердостью и износостойкостью, а вместе с тем небольшой хрупкостью, чтобы не выкрашиваться в работе.
2.Стали для холодных штампов делят на 4 подгруппы: углеродистые малой прокаливаемости; легированные повышенной прокаливаемости; легированные карбидного класса, имеющие повышенную износостойкость; повышенной вязкости.
Стали 1х 3х подгрупп с высоким соединением углерода – эвтектоидные и заэвтектоидные – после термической обработки должны быть твердыми, износостойкими, прочными и достаточно вязкими. Стали 4-й подгруппы со средним содержанием углерода – доэвтектоидные – должны иметь повышенную вязкость.
3. Стали для горячих штампов делят на молотовые, высадочно-прессовые, для прессформ (форм для литья под давлением).
Сталь для молотовых штампов должна отличаться большой прокаливаемостью [т.е. достаточной твердостью и износостойкостью при повышенных температурах], удовлетворительной теплопроводностью. Она должна хорошо сопротивляться тепловой усталости, проявляющейся в образовании сетки трещин на рабочей поверхности штампа.
Сталь для высадочно-прессовых штампов в сравнении со сталью для молотовых штампов подвергается меньшей ударной нагрузке, но более продолжительное время соприкасается с горячим металлов. Подобная сталь должна иметь большую сопротивляемость тепловой усталости и большую прочность. Ударная вязкость может быть меньше.
Сталь для прессформ и для литья под давлением работает в очень тяжелых условиях. Она охлаждается водой, подвергается термическим напряжениям, изнашивается и разъедается жидким металлом.
4. Сталь для измерительного инструмента не должна изменять со временем свои размеры: от нее требуется высокая поверхностная твердость, хорошее сопротивление износу и достаточная вязкость.
В ГОСТах и технических условиях инструментальная сталь по химическому составу, т.к. одна и та же марка инструментальной стали может иметь разное назначение и требовать различной термической обработки инструмента.
Инструментальная сталь [по ГОСТ] разделяется на углеродистую, легированную и быстрорежущую.
Быстрорежущая сталь.
Быстрорежущей называется сталь, которая после термической обработки сохраняет структуру высоколегированного, отпущенного мартенсита с карбидами. Она обладает высокой твердостью и износостойкостью. Режущие свойства сохраняются при высоких скоростях резания, когда инструмент продолжительное время нагревается до 560 оС.
У инструментальной углеродистой стали, например, У10 или У10А, после закалки и отпуска при 1500С получается структура отпущенного мартенсита с мелкими частицами цементита. Высокая твердость при последующем нагреве сохраняется только до 1500С. При работе таким инструментом нельзя допускать нагрева его режущей кромки выше 1500С, что ограничивает скорость резания.
Режущая кромка инструмента из термически обработанной быстрорежущей стали во время работы может нагреваться до 5000С без изменения структуры и свойств, поэтому для такого резца можно увеличить скорость резания в 8-10 раз по сравнению с инструментом из стали У10 или У10А.
Быстрорежущие стали маркируют буквой Р. Следующая за ней цифра указывает среднее содержание главного легирующего элемента быстрорежущей стали – W в %. Среднее содержание V в стали обозначают цифрой, проставляемой за буквой Ф, кобальта – цифрой за буквой К и т.д. Среднее содержание Cr в большинстве быстрорежущих сталей составляет 4% и в обозначении марки стали не указывается.
Наиболее распространенными марками БРСТ являются Р18 и Р9, применяемые для обработки мягких и средней твердости материалов. Химический состав Р18: С=0,7-0,8%, W=17,5-19,0; V=1,0-1,4; Cr=3,8-4,4; Р9 – С 0,85-0,95; W=8,5-10,0; V=2,0-2,6; Cr=3,8-4,4.
Сталь Р18Ф2 отличается повышенной стойкостью при удовлетворительной шлифуемости, а стали Р14Ф4 и Р10К5Ф5 применяются для обработки нержавеющих и жаропрочных сплавов и твердых материалов.
Влияние легирующих элементов: W обеспечивает красностойкость быстрорежущей стали. Gr способствует большей прокаливаемости. V в нормальном количестве способствует стойкости карбидов и повышает производительность режущего инструмента. Однако, повышение содержания V требует увеличения содержания углерода. Избыток V ухудшает шлифуемость быстрорежущей стали.
Сложные карбиды W, Cr и V с трудом растворяются в аустените. W, вследствие большого атомного объема, а V из-за большого химического сродства с углеродом при отпуске не перемещаются в решетке Fe, и вследствие этого, твердость сохраняется даже при повышенных температурах (до 5600С).
“Со” присутствует в твердом растворе и не влияет на карбиды. При содержании более 5% ,“Со” повышает твердость, красностойкость и режущие свойства стали, но увеличивает ее хрупкость и способствует обезуглероживанию.
Литая БР сталь имеет в структуре карбиды, главным образом в составе эвтектики, которая в результате прокатки и ковки разрушается и дает отдельные карбиды в виде зерен разной величины. Структура кованой и отожженной БР стали состоит из сорбитообразного перлита и частиц двойного карбида (Fe2W2)C. В свою очередь, сорбитообразный перлит состоит из ферритной основы и мельчайших частичек того же карбида, называемого эвтектоидным.
Cr и V находятся в БР стали в твердом растворе в двойном карбиде (Fe2W2)С или феррите.
Пороком структуры БР стали является карбидная полосчатость. Она сильно снижает прочность режущего инструмента при нагружении вдоль хрупких полос карбида.
При нагреве под закалку карбиды растворяются в аустените, увеличивая его легированность. Но, общее количество карбидов, содержащихся в быстрорежущей стали, превышает их предельную растворимость в аустените, поэтому часть карбидов остается в структуре. Это увеличивает износостойкость режущей кромки и препятствует росту аустенитного зерна. Таким образом, создается природная мелкозернистость аустенита, в связи с чем Бр сталь имеет мелкий фарфоровидный излом. Большое количество первичных и вторичных карбидов в структуре стали Р18 являются ее преимуществом перед сталью Р9.
Высокие режущие свойства Бр сталь получает только после соответствующей термической обработки.
Бр сталь Р9 имеет 2 области температур быстрого превращения:
1. Перлитную (в пределах 700-8000С), где при достаточном времени изотермической выдержки превращение аустенита может полностью завершиться.
2. Промежуточную (250-3500С), в которой хотя превращение аустенита начинается рано, но протекает медленнее и останавливается при содержании аустенита приблизительно 60%.
В области температур 370-6000С аустенит Бр стали очень устойчив.
Положение точек Мн и Мк, т.е. начала и конца мартенситного превращения, находится в зависимости от температуры нагрева для закалки Бр стали: чем выше температура закалки, тем легированнее аустенит Бр стали и тем ниже положение точек Мн и Мк.
После прокатки или ковки Бр сталь подвергают изотермическому отжигу, чтобы понизить ее твердость и облегчить механическую обработку. После нагрева выше точки Ас1 (8800С) с соответствующей выдержкой, производится охлаждение до температуры наиболее быстрого перлитного превращения аустенита в сорбитообразный перлит.
После отжига структура Бр стали должна состоять из сорбитообразного перлита с включением большого количества карбидов.
Твердость отожженной Бр стали не должна превышать НВ255.
Магний и его сплавы.
Из применяемых в машиностроении металлов и сплавов магний является наиболее легким (d»1,7). Температура кипения 10970С. При температуре, близкой к Тпл (6500С), Mg легко воспламеняется и горит ослепительным пламенем, выделяя много тепла.
Механические свойства Mg, особенно предел текучести, очень низки и потому он применяется только в сплавах.
Mg и его сплавы отличаются относительно плохой деформированностью. Основными легирующими элементами в сплавах Mg являются Al, Zn и Mn. Алюминий добавляется в сплавы магния в количестве 11% и увеличивает их механические свойства. Цинк добавляется в количестве до 2%, повышая механические свойства меньше, чем алюминий, увеличивает пластичность и улучшает их литейные качества.
Mn увеличивает сопротивление коррозии, для чего добавляют 0,1-0,5% Mn.
Вредными примесями в сплавах магния являются Ni, Fe, Cu и Si.
Магниевые, как и алюминиевые сплавы подразделяют на 2 группы:
1. Литейные сплавы – для получения деталей методом фасонного литья, маркируются буквами Мл.
2. Деформируемые сплавы, подвергаемые прессованию, прокатке, ковке, штамповке и другим видам обработки давлением, маркируются буквами МА.
Термическая обработка магниевых сплавов имеет много общего с термической обработкой алюминиевых сплавов. Обычно их отжигают в течение 15-20 часов при температуре 400-4200С. Для устранения наклепа магниевые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре ~ 350 oС.
Некоторые магниевые сплавы могут быть упрочнены закалкой и старением. В зависимости от состава закалку осуществляют при нагреве до 380-540 oС, а последующее старение – при 150-200 oС. Прочность магниевых сплавов в процессе старения можно повысить на 20-35%.
Из литейных сплавов наибольшее применение получили сплавы Мл5 [7,5-9,0 Al; 0,2-0,8 Zn; 0,15-0,5 Mn] и Мл6 [9-10,2 Al; 0,6-1,2 Zn; 0,1-0,15 Mn]. Достоинства литейных сплавов: меньший удельный вес по сравнению со сплавами Al, хорошая обрабатываемость режущим инструментом.
Недостатки: низкая устойчивость против коррозии, худшие, по сравнению с алюминиевыми сплавами литейные свойства, необходимость мер предосторожности для предотвращения загорания сплава.
Деформированные сплавы магния близки к литейным и принадлежат к системам Mg-Mn; Mg-Al-Zn. Применяют их в основном для изготовления деталей горячей штамповкой в интервале температур 280-4500С для улучшения их пластичности, т.к. гексагональная решетка магния затрудняет их пластическую деформацию при комнатной температуре.
Наиболее прочны деформируемые сплавы – МАЗ и МА5, содержащие в среднем (соответственно) 6 и 8,5% алюминия при 1,0 и 0,5 цинка и 0,3% марганца.
Предел прочности у этих сплавов достигает σв 30-35 кГ/мм2 (294-343 Мн/м2). Сплав МА1, содержащий в среднем 2% Mn без других компонентов, применяется как листовой материал и имеет повышенную пластичность, но меньший предел прочности (σв ≈ 20 кГ/мм2, 196 Мн/м2).
Для предохранения от коррозии магниевые сплавы обрабатываются раствором Н2О+К2Cr207+HNO3 и тщательно окрашиваются.
МЕДЬ И ЕЕ СПЛАВЫ
1. Характеристика меди.
2. Классификация медных сплавов. Латуни.
3. Оловянные бронзы.
4. Алюминиевые бронзы.
5. Кремниевые, бериллиевые, свинцовые бронзы.
В электромашиностроении и при производстве проводов очень широко применяется чистая медь, которая по электропроводимости занимает среди металлов 2-е место после серебра. Медь – вязкий металл красновато-розового цвета. Кристаллическая решетка меди – куб с центрированными гранями.
Микроструктура чистой меди состоит из зерен с характерными двойниками. Медь отличается хорошей теплопроводимостью и стойкостью против атмосферной коррозии.
Присутствие даже незначительных количеств других элементов может сильно понизить ее электропроводимость. Нерастворимые в меди и неметаллические включения (Pb, Bi, S-стые и О2-е включения) мало изменяют ее электропроводимость.
Элементы, образующие твердые растворы с медью по-разному влияют на ее электропроводимость. Например, полностью растворимое в медь серебро очень мало снижает ее электропроводимость. Элементы, ограниченно растворимые в твердом состоянии, например, As резко снижают электропроводимость меди, причем, чем меньше растворимость, тем больше снижается электропроводимость.
Различные элементы могут сжижать или расширять решетку меди, но чем сильнее они искажают ее, тем больше снижение электропроводимости. Так, Ni полностью может растворяться в меди, но вызывает большое снижение электропроводимости вероятно потому, что Ni сильно сжимает решетку меди.
Медную проволоку используют тогда, когда не требуется высокая механическая прочность. Утроить предел прочности в случае необходимости можно добавками Cd (0,8-1,0%). Электропроводимость при этом составляет приближенно 90% от электропроводимости чистой меди.
Оловянные бронзы.
Оловянистая бронза – один из старейших металлических сплавов. Медь дает с Sn диаграмму состояния, состоящую, подобно меди с цинком, из ряда перитектических диаграмм. Однако, влияние олова на структуру сплавов эффективнее влияния цинка приближенно в 2 раза. Оловянистые бронзы подвержены сильной дендритной ликвации [на что указывает очень большое расстояние между линиями ликвидус и солидус на диаграмме состояния Cu-Sn].
В системе Cu-Sn образуется a - твердый раствор Sn и Cu с ГЦК решеткой и ряд промежуточных твердых растворов, полученных на основе соединений электронного типа. Основой b - твердого раствора является соединение Cu5Sn с отношением числа валентных электронов к числу атомов 3/2; основой g - твердого раствора – соединение Cu31Sn8 (21/13) и основой e - твердого раствора Cu3Sn – 7/4.
Структура промышленных оловянистых бронз из-за малой скорости диффузии олова в меди, а также по причине сильной ликвации не всегда соответствует диаграмме сплавов Cu-Sn. Из-за малой скорости превращения литые бронзы с 8-10% Sn состоят из a - твердого раствора в Cu неоднородной концентрации и эвтектоида. Дендриты бронзы, богатые медью, при травлении темнеют, а междендритные пространства, богатые оловом, а также эвтектоид, остаются светлыми.
Если в бронзе присутствует цинк, он полностью находится в твердом состоянии и не обнаруживается под микроскопом. Он улучшает ее механические свойства и жидкотекучесть. Свинец присутствует в виде отдельных темных включений, которые можно различить даже без травления. Он улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость режущим инструментом. Никель повышает механические свойства, измельчая зерно.
Фосфор служит раскислителем и устраняет хрупкие включения оксида олова, повышает жидкотекучесть, износостойкость и антифрикционные свойства. Химический состав оловянистых бронз: БрОЦС6-6-3, Sn 6, Zn 6, 3%Pb.
Наилучшими литейными свойствами – минимальной усадкой – обладают оловянистые бронзы, например, БрОФ-10-1, называемая фосфористой, но она дорогая. Более дешевые и доступные вторичные бронзы, получаемые при переплавке лома и отходов, например, БрОЦС6-6-3.
Алюминиевые бронзы.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозийными и антифрикционными свойствами. Они широко применяются. Бывают двойные, например, марки БрА5 (алюминий 5%) и многокомпонентные с присадками Fe, Mn, Ni, марки БрАЖ9-4; БрАЖМц10-3-1,5; БрАЖН-10-4-4.
В a - твердом растворе может находиться до 9,8% Al. Двойная алюминиевая бронза марки БрА5 отличается высокой прочностью и пластичностью и хорошо поддается как холодной, так и горячей обработке давлением.
Многокомпонентные сплавы прочнее и технологичнее, но менее пластичны.
Железо замедляет фазовую перекристаллизацию алюминиевой бронзы за счет образования крупнозернистой и хрупкой g - фазы при охлаждении отливок. Mn входит в твердый раствор и повышает прочность и коррозионные свойства бронзы. Никель улучшает механические свойства бронз при повышенных температурах, увеличивает износостойкость и создает возможность их термической обработки.
По сравнению с оловянистыми бронзами алюминиевые обладают несколько худшими литейными качествами: дают большую усадку, больше склонны к образованию трещин при затрудненной усадке. Неблагоприятные условия плавки и заливки способствуют большому насыщению газами и окислению. У алюминиевых бронз из-за образования оксида алюминия труднее получаются герметичные отливки сложной формы, труднее поддаются пайке.
Но многокомпонентные алюминиевые бронзы широко применяются для отливок и штамповок как качественные заменители оловянистых бронз.
5.Кремнистая бронза: БрКМц 3-1 идет на изготовление пружин.
Бериллиевая: Бр-Б2 после закалки и старения имеет высокие механические свойства. Если после закалки при 8000С бериллиевая бронза имеет σв=50 кГ/мм2 (490 Мн/м2), d ≈ 30% и НВ ~ 100, то после старения в течении 2 часов при 350 оС твердость увеличится до НВ400, предел прочности σв =130¸150 кг/мм2 (1275-1470Мн/м2), но относительное удлинение падает до δ = 1,5÷2 %.
Свинцовые бронзы. Свинец полностью не растворяется в жидкой меди. Эвтектика по составу почти совпадает с чистым свинцом (99,95%Рв), поэтому сплавы после затвердевания состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен и заполняют междендритные пространства.
Такая структура обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это определяет широкое применение бронзы БрС30 для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях. По сравнению с оловянными подшипниковыми бронзами теплопроводимость бронзы БрС30 в 4 раза больше, поэтому она хорошо отводит теплоту, возникающую при трении.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПЛАВЫ
1. Нержавеющая сталь.
2. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.
3. Стали с высоким электрическим сопротивлением.
4. Стали с особым тепловым расширением.
5. Магнитные стали и сплавы.
6. Титан и его сплавы.
Развитие ядерной, нефтяной и химической промышленности вызвало бурный рост производства сплавов с особыми физическими и химическими свойствами.
Основным требованием, предъявленным к специальным сплавам, является обеспечение определенного уровня физических свойств.
В зависимости от назначения, стали и сплавы с особыми физическими и химическими свойствами можно разделить на следующие 5 групп:
1. Нержавеющие стали с высоким сопротивлением коррозии и действию кислот.
2. Стали и сплавы с высоким электрическим сопротивлением.
3. Стали и сплавы для работы при высоких температурах.
4. Стали с особым тепловым расширением.
5. Магнитные стали и сплавы.
Механические свойства этих сталей и сплавов чаще имеют второстепенное значение, но многие из них должны иметь химических состав высокой точности и строго соблюдаемую технологию производства.
Сталь с высоким сопротивлением коррозии, т.е. по отношению к химическому или электрохимическому разрушению металла вследствие взаимодействия с внешней средой, называется нержавеющей.
Высокое сопротивление коррозии нержавеющей стали объясняется очень большим содержанием в ней хрома. Оксиды хрома (FeCr)2О3 образуют на ее поверхности очень тонкую, но достаточно прочную и непроницаемую (благодаря структурному соответствию с основным металлом) защитную пленку.
При нарушении целостности этой защитной пленки коррозионная стойкость нержавеющей стали снижается (например, окалина, царапины и риски после механической обработки, неметаллические включения).
Нержавеющие стали разделяются в основном на 2 типа: мартенситные (хромистые) и аустенитные (хромо-никелевые или хромо-марганцевые), например, состав коррозионно-стойких сталей по ГОСТ 5632-61 таков: мартенситно-ферритная сталь марки 1Х13 содержит 0,09-0,015% С, 12,0-14,0Cr.
Мартенситная сталь 2Х13 содержит 0,16-0,24% С, 12-14 Cr, аустенитная сталь Х18Н9Т содержит менее 0,12С, 17-19Cr, 8,0-9,5 Ni, (С-0,02)х5-0,7Ti.
Ферритная сталь ОХ17Т содержит менее 0,08 С, 16-18 Cr, 5С-0,8 Ti. По назначению эти стали разделяются на конструкционные и инструментальные.
Конструкционные низкоуглеродистые стали, 1Х13 и 2Х13 должны содержать не менее 12% хрома. Термическая обработка деталей из сталей 1Х13 и 2Х13 заключается в закалке их при 10000С в масле и отпуске при 600-7000С с целью получения сорбитной структуры. Такие стали отличаются хорошей ковкостью и вязкостью, из них изготавливаются турбинные лопатки, детали для холодильного оборудования и т.д. Сталь 2Х13, а иногда и сталь 3Х13 применяется для деталей, работающих при высоких напряжениях.
Инструментальные хромистые нержавеющие стали 3Х13 и 4Х13 применяются для изготовления ножей, хирургического инструмента, пружин.
Режущий инструмент из этих сталей закаливают при 1050 оС в масле и отпускают при 200-280 оС до HRC 48-56. Структура стали после термической обработки состоит из отпущенного мартенсита с незначительным количеством карбидов. Сталь с такой структурой принадлежит к мартенситному классу и хорошо сопротивляется коррозии.
Низкая теплопроводимость сталей с высоким содержанием хрома требует осторожного нагрева их и ступенчатой закалки. Добавка свыше 8% никеля в хромистую сталь Х18Н9 и 1Х18Н9Т позволяет получить после закалки с 11500С в воде аустенитную структуру. Высокая температура нагрева необходима для растворения карбидов и получения однородного аустенита. Подобная закалка создает у стали повышенную, по сравнению с хромистой нержавеющей сталью, коррозионную стойкость, вязкость и прочность при повышенных температурах. Аустенитные стали технологичны, хорошо поддаются холодной прокатке, штамповке, волочению, хорошо свариваются.
Хромо-никелевые стали устойчивы в отношении HNO3, на холоду, и к h3SO4, а в соляной – на холоду и в малых концентрациях.
Магнитные стали и сплавы.
Магнитные сплавы разделяются на магнитотвердые, применяющиеся для постоянных магнитов и магнитомягкие, предназначающиеся для сердечников трансформаторов, электродвигателей и генераторов.
Магнитотвердые сплавы. Постоянные магниты получают из твердых закаленных сталей, безуглеродистых стареющих сплавов или прессуются и спекаются из мельчайших порошков.
Они должны обладать возможно большей магнитной энергией (ВН), максимально высокой и устойчивой коэрцитивной силой Нс, препятствующей их размагничиванию; высоким остаточным намагничиванием – остаточной индукцией Br; не изменять своих свойств с течением времени
Наибольшая трудность для магнитотвердых материалов обуславливается получением высокой коэрцитивной силы Нс. Для получения высокой коэрцитивной силы стали должны иметь неравновесную структуру, обычно мартенсит с большим количеством дефектов строения (дислокаций, блоков, границ зерен и т.д.), являющихся источниками искажений кристаллической решетки и внутренних напряжений.
Наивыгоднейшая структура с повышенными напряжениями Ш рода у стали для постоянных магнитов – мартенсит с частицами цементита или других карбидов, получаемый после закалки и старения. Например, высокоуглеродистая хромистая сталь для постоянных магнитов ЕХ3 отличается значительной устойчивостью аустенита и хорошей прокаливаемостью. Ее подвергают закалке при 850 оС в масле и старению при 100 оС в течение 5-ти часов. При этом получается достаточная коэрцитивная сила и остаточная индукция.
Легирующие элементы повышают коэрцитивную силу, остаточную индукцию и улучшают температурную стабильность и стойкость постоянного магнита к механическим ударам. Хромистые, вольфрамовые и кобальтовые сплавы легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают относительно малой магнитной энергией, поэтому их применяют для неответственных магнитов массового производства.
Магнитны сплавы, содержащие никель и алюминий сокращенно называют альни, с добавлением кобальта – альнико.
Сплавы альни и альнико обладают большой твердостью, хрупки и плохо обрабатываются, поэтому магниты из них изготавливают литыми и обрабатывают шлифованием. Небольшие магниты весом 50-100 г выгоднее изготавливать из мелких порошков методами прессования и спекания.
Магниты из микропорошков Fe или Fe и Со по магнитным свойствам находятся на уровне литых магнитов альни и альнико.
Магнитомягкие стали, электротехническая сталь и сплавы обладают малой коэрцитивной силой Нс и очень высокой магнитной проницательностью μ. Наиболее вредными примесями в магнитомягких сталях и сплавах являются “С”, S, О2 и N2, которые почти не растворяются в феррите. Они присутствуют в виде частичек цементита.
В качестве магнитомягкого материала можно использовать чистое железо. Электротехническое железо (марки ЭА, ЭАА) используют для изготовления сплошных сердечников, работающих в условиях постоянной температуры магнитного потока, когда потери на вихревые токи не значительны. Такой металл отличается высокой магнитной проницательностью и малой коэрцитивной силой, однако электрическое сопротивление его низкое и поэтому для электрических машин и трансформаторов оно непригодно.
Для изготовления трансформаторов применяют тонколистовую кремнистую сталь. Маркируется она следующим образом: Э-31 – 1-я цифра указывает приблизительное количество Si (примерно 2,-3,8%). Вторая цифра обозначает уровень электрических и магнитных свойств. Далее могут стоять один или два нуля. Один нуль указывает, что сталь холоднокатаная текстурованная, т.е. с высокими электромагнитными свойствами вдоль направления прокатки. Два нуля – сталь холоднокатаная, малотекстурованная.
Для слаботочной промышленности требуются сплавы с высокой начальной магнитной проницательностью в слабых магнитных полях. Такие сплавы называются пермаллоями. Они отличаются очень высоким содержанием никеля 76,5-79,5%. Свою высокую начальную магнитную проницательность пермаллои получают после сложной термической обработки. Сплав подвергают высокотемпературному нагреву в атмосфере Н2 для создания крупнозернистости, удаления углерода и снятия внутренних напряжений, после чего производится охлаждение в магнитном поле. Более дешевые никелевые сплавы, содержащие 45-50% никеля, называют гайперниками, но их свойства ниже свойств термически обработанных пермаллоев.
Легирование Fe-Ni сплавов Si, Mo, Mn и Cu, увеличивая у них электрическое сопротивление, позволяет применять их на повышенных и высоких частотах, снижает их восприимчивость к наклепу и обеспечивает постоянство свойств.
Титан и его сплавы.
Один из самых распространенных металлов в земной коре – Ti отличается малым удельным весом (4,5), высоким сопротивлением коррозии и высокой прочностью. Он обладает высокой температурой плавления (1660±10 оС), парамагнитен и существует в 2-х аллотропических модификациях a и b. Важнейшими легирующими элементами для сплавов из титана являются Al, V, Mo, Mn, Cr и Sn, которые образуют у них твердые растворы замещения.
По структуре различают 3 группы титановых сплавов: на основе a - твердого раствора, на основе a+b твердого раствора, на основе b - твердого раствора. Наиболее широко применяются сплавы П группы, термообработка которых позволяет значительно повышать механические свойства.
Очень распространенным сплавом является сплав ВТ6, он теплоустойчив, его a - фаза упрочнена алюминием, а b - фаза стабилизирована вахадием. Он рекомендуется для изделий, подвергаемых термической обработке и сварке, работающих при повышенных температурах в пределах 400 оС
Наиболее перспективным является сплав ВТ15 со структурой из b - фазы. Сплав ВТ15 после нагрева до 800 оС, последующей закалки в воде и старения при 4500С в течение 50 ч получает предел прочности 155 кг/мм2. Высокая прочность сплава ВТ15 сохраняется до 500 оС (при выдержке 30 мин.), резкое разупрочнение наступает только при температуре 600 оС.
Для титановых сплавов, содержащих вредные примеси, образующие твердые растворы замещения, характерна “омега-хрупкость”. Промежуточная w - фаза благодаря сложности своей кристаллической решетки отличается высокой твердостью и хрупкостью. Она образуется из неустойчивой b - фазы в интервале температур от комнатной до 4800С при следующем превращении: b®w+b®a+b. Алюмини
cyberpedia.su
Влияние легирующих добавок на свойства сталей
Влияние легирующих добавок на свойства сталей Категория:
Черные металлы
Влияние легирующих добавок на свойства сталей Легирующие элементы по-разному взаимодействуют в стали с твердыми растворами о и у и с углеродом.
Первая группа охватывает элементы: Ni, Мп, Со, (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt), образующих первую подгруппу, и С, N, Си, возможно В, (Zn, Аи, Re), образующих вторую подгруппу. Элементы, помещенные в скобки, пока еще не имеют практического 1 значения при легировании сталей.
Элементы обеих подгрупп способны растворяться в железе у и стабилизировать его. Однако элементы первой подгруппы неограниченно растворимы в у-железе и очень сильно расширяют область его устойчивого существования. Элементы второй подгруппы ограниченно растворимы в железе у и расширяют 1 область у значительно меньше.
Вторая группа содержит Сг и V в первой подгруппе; Al, Si, W, j Mo, Ti, Be, P (Sn, Sb, As) — во второй и Nb, Та, Zr, Се, О —в третьей подгруппе.
Элементы всех трех подгрупп второй группы способны растворяться в железе а и стабилизировать его, резко суживая область у. Элементы двух первых подгрупп сходны тем, что образуют сплошные области растворов а, причем в первой подгруппе растворимость неограниченна (рис. 1,в), а во второй ограниченна (рис. 1,г). Элементы третьей подгруппы образуют не одну, а две области растворов а, отделенные друг от друга и от области у гетерогенными областями у + о (рис. 1,д).
Рис. 1. Схемы двойных диаграмм состояний сплавов железа с легирующими элементами
Из сказанного следует, что элементы первой группы можно назвать аустенитобразователями, а второй группы — ферритоб-разователями.
Легирование позволяет получать стали со структурами и свойствами, не присущими в тех же условиях углеродистым сталям. Так, например, используя легирование такими элементами, как никель или хром, можно получить стали с устойчивой аусте-нитной или ферритной структурой, обладающей новыми механическими и физическими свойствами и ценными служебными характеристиками, недоступными для нелегированных железоуглеродистых сплавов.
Большое значение имеет в стали взаимодействие легирующих элементов с углеродом. Железо и ряд элементов, находящихся левее его в таблице Менделеева, образуют с углеродом карбиды Различной устойчивости, из которых одни сравнительно легко переходят в твердый раствор с железом у при термической обра-отке (1 группа карбидов), а другие почти не растворяются в нем, даже при температурах нагрева, близких к линии солидус (II группа карбидов).
К первой группе (в порядке возрастания стойкости) относятся: Fe3C, Мп3С, Сг23С6, Сг7С3 и двойные карбиды, образованные двумя металлами, Fe2Mo2C и Fe2W2C.
Все эти карбиды принимают важнейшее участие при фазовых превращениях и упрочнении сталей в процессе термической обработки.
При ненормально медленном охлаждении W и Мо могут образовать почти нерастворимые карбиды второй группы Мо2С, W2C и WC, что портит сталь.
К второй группе карбидов принадлежат VC, TiC, NbC, ТаС, Та2С и ZrC. Несмотря на малую растворимость в аустените, они находят известное применение при изготовлении жаростойких жаропрочных сплавов и быстрорежущих сталей.
Карбиды первой группы переходят в твердый раствор и выпадают из него гораздо трудней и при значительно более высоких температурах по сравнению обыкновенным цементитом, так как при этом должны происходить сложные и медленно текущие диффузионные процессы.
Это обстоятельство используется для упрочнения сталей против смягчающего действия высоких температур. В результате легированные аустенит и мартенсит приобретают способность сохранять прочность при повышенных и высоких рабочих температурах за счет медленного выделения и укрупнения (коагуляции) частиц сложных карбидных фаз.
Если при этом усложнить и состав исходного твердого раствора за счет введения таких элементов, как никель, кобальт и некоторые другие, то эффект упрочнения еще более возрастает.
Этот комбинированный метод легирования широко практикуется при создании и использовании многочисленных жаропрочных сплавов.
Судить о способности легирующих добавок стабилизировать аустенит, замедлять его распад и повышать способность к переохлаждению можно по виду С-образных диаграмм. Если взять в качестве исходной С-образную диаграмму углеродистой стали i проследить, как меняется положение кривых начала и конца аустенитного распада под влиянием различных легирующих добавок, то окажется, что, за исключением кобальта, все легирующие элементы первой группы, а также кремний из второй группы, растворяясь в аустените, делают его более устойчивым при изотермической выдержке; это выражается на диаграмме в сдвиге ее вправо. Характер кривых начала и конца распада аустенита при этом сохраняется.
Рис. 2. Диаграмма состояний сплавов железа с никелем
Рис. 3. Типичные диаграммы состояний для элементов второй группы: а — первая подгруппа; б — вторая подгруппа
Карбидобразующие элементы (Cr, Mo, W и др.), переходя из карбидов в твердый раствор, также стабилизируют аустенит и сдвигают С-образную диаграмму вправо. Однако характер Кривых при этом меняется: на них вместо одного минимума устойчивости аустенита, лежащего примерно при 550°, появляется два минимума, лежащих соответственно при 600 и
Это означает, что карбидобразующие примеси способствуют выявлению двух максимумов скорости распада аустенита: пер-вый (при 600°) соответствует преобразованию аустенита в пластинчатую смесь (сорбит), а второй (при 300°) — в игольчатую смесь (игольчатый тростит).
Общим в действии легирующих добавок первой и второй групп (кроме Со) является сдвиг вправо кривой начала аусте-нитного распада, или расширение на С-образной диаграмме поля устойчивости аустенита во времени, а это равноценно возможности проводить закалку на мартенсит при уменьшенных скоростях охлаждения, т. е. увеличивать прокаливаемость. Другими словами, подавляющее большинство легирующих примесей снижает критическую скорость закалки легированных сталей. Это влияние нетрудно понять из схемы на рис. 4.
Рис. 4. Влияние никеля и хрома на изотермический распад аустенита в сталях с 0,5% углерода
На С-образных диаграммах видно также, что с увеличением степени легированности точка Мн постепенно снижается, что свидетельствует о все большей задержке превращения аустенита в мартенсит и непрерывном возрастании количества остаточного аустенита. В конце концов мартенситное превращение оказывается полностью подавленным и сталь, охлажденная до обычных температур, целиком сохраняет исходную аустенитную структуру.
Различные легирующие элементы по-разному смещают точку Мн.
Определяя способность аустенита к переохлаждению, можно классифицировать сталь по микроструктуре. Для этого ту или иную сталь в виде небольших образцов нагревают до заведомо аустенитного состояния, а затем охлаждают на воздухе.
Нелегированные или малолегированные стали испытывают при этом превращение аустенита в структуру перлитного типа; стали средней легированности приобретают мартенситную структуру. Стали высоколегированные сохраняют переохлажденный аустенит при комнатных температурах.
В соответствии с указанным поведением стали делятся на перлитный, мар-тенситный и аустенитный классы.
Рис. 5. Влияние легирующих элемен тов на положение начальной мартенситной точки
С изменением режима охлаждения или толщины образца результаты могут получиться искаженными. Так, легированная сталь перлитного класса при охлаждении вместо воздуха в масле и тем более в воде может приобрести мартенситную структуру. Наоборот, охлаждение с высоких температур сталей мартенситного и аустенитного классов более замедленное, чем на воздухе, может привести к получению структур перлитного типа.
Рис. 6. Диаграммы изотермического распада аустенита для сталей классов: а — перлитного; б — мартенситного; в — аустенитного
Соответствующим образом должна учитываться и толщина образца, изменяющая скорость охлаждения сердцевины и могущая обусловить получение структур, не предусмотренных классификацией.
Стали, содержащие в структуре специальные карбиды, относят к карбидному классу. Кроме того, существуют стали феррит-ного класса. Подавляющее большинство конструкционных сталей относится к перлитному классу. Для получения высоких служебных характеристик эти стали проходят закалку на мартенсит. Прокаливаемость у таких сталей высокая и тем выше, чем большее количество легирующих примесей в них содержится.
Рис. 7. Влияние легирующих элементов на концентрацию углерода в перлите
Из сталей перлитного класса с успехом изготовляют сравнительно простые детали, закаливаемые на мартенсит в масле.
Отпуск низкий, средний и высокий обеспечивают получение структур соответственно кубического мартенсита, тростита и сорбита.
Мартенсит легированных сталей, отличаясь высокой твердостью и прочностью, имеет гораздо лучшие характеристики пластичности и ударной вязкости по сравнению с мартенситом углеродистых сталей с такой же прочностью.
Стали мартенситного класса успешно применяются для тяже-лонагруженных деталей сложной формы и достаточно массивного сечения. В этом случае сталь мартенситного класса при охлаждении на воздухе прокаливается насквозь и приобретает мартенситную структуру без значительных температурных и остаточных напряжений и связанных с ними недопустимо больших деформаций детали, как это бывает с углеродистыми сталями при охлаждении в воде.
ИЗ сталей аустенитного класса, обладающих суммой свойств, не обеспечиваемых сталями других классов, изготовляются многие детали жаростойкого и жаропрочного назначения.
Легирование оказывает сильное влияние на критические точки обычной диаграммы Fe—Fe3C как в отношении концентраций углерода, так и положения на температурной шкале.
Почти все легирующие примеси смещают эвтектоидную точку влево, т. е. уменьшают содержание углерода в перлите. Так, например, 4% Ni смещают эвтектоидную точку с 0,8 до 0,7% С; 1 % W смещает ее с 0,8 до 0,55% С и т. д.
Рис. 8. Влияние легирующих элементов
Читать далее:
Легированные конструкционные стали
Статьи по теме:
pereosnastka.ru
