Конспект лекции
Классификация легированных сталей
По назначению стали делят на конструкционные (строительные и машиностроительные), инструментальные (для режущего и мерительного инструмента), с особыми физическими и химическими свойствами (корозионностойкие, теплоустойчивые, жаропрочные, электротехнические и др.). В сталях, содержащих легирующие элементы, которые сужают или расширяют
Легированные стали классифицируют:
· • по структуре в равновесном состоянии (после отжига);
· • по структуре после охлаждения на спокойном воздухе (нормализации);
· • по химическому составу;
· • по назначению.
Легированные стали. Основные легирующие элементы в сталях, их влияние на структуру и свойства. Промышленные стали. Их назначение, требуемые свойства, термическая обработка.
Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.
Легированными называют стали, содержащие в своем составе кроме обычных примесей специально вводимые элементы, в количестве, обеспечивающем требуемые физические и механические свойства. Эти элементы называются легирующими.
Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %. Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей
(интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).
Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке.
По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы. К первой группе относятся Ni, Mn, N, Cu и другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора. Эти элементы с Feα и Feγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А4 и понижают точку А3. При содержании некоторых элементов этой группы выше n критическая точка превращения γ-α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).
Ко второй группе относятся Cr, Si, W, Mo, V и другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора. Эти элементы понижают точку А4 и повышают точку А3. При содержании элемента этой группы в количествах, превышающих m, сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).
Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек S и E диаграммы Fe-Fe3C. Большинство элементов(Ni, Si, Co, Cr, W, Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V, Ti, Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точку S вправо.
Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.
По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:
· элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni, Si, Co, Cu, Al);
· элементы, образующие карбиды (Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb и др.).
· элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.
Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а следовательно устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.
При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например (FeMn)3C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr7С3, Mn3C и др.
По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe3C, Mn3C, Сr7С3, Cr23C6. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.
Карбиды второй группы Mo2C, WC, TiC имеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы.
С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.
Маркировка легированных сталей.
Принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный состав стали.
Каждому легирующему элементу присвоена буква русского алфавита: А-азот, Б- ниобий, В-вольфрам, Г-марганец, Д-медь, Е-селен, К-кобальт, М-молибден, Н-никель, П- фосфор, Р- бор, С-кремний, Т-титан, Ф-ванадий, Х-хром, Ц- цирконий, Ч-иттрий и редкоземельные металлы, Ю- алюминий.
В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 30ХГСА- примерно 0,3%С).В инструментальных сталях цифры соответствуют десятым долям процента(сталь 5ХНМ- 0,5%С). Если сталь имеет более 1% углерода, то
начальную цифру, характеризующую содержание углерода, обычно опускают (стали ХВГ, В1).
Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующие элементы, указывают приблизительное содержание легирующего элемента в целых процентах (например, в стали 34ХН3М содержание никеля-3%). При содержании легирующего элемента менее 1% цифра после буквы не ставится.
Буква в конце марки означает: А - данная сталь относится к высококачественной, что в основном определяется количеством вредных примесей серы и фосфора; Л - сталь относится к литейным; Ш и ВД- особо высококачественная сталь, полученная электрошлаковым и вакуумно-дуговым переплавом.
Для сталей специального назначения применяют дополнительную индексацию. Буквы вначале марки стали обозначают: А - автоматная, Ш- шарикоподшипниковая, Р- быстрорежущая, Е- магнитотвердая, Э- электротехническая.