Распределение легирующих элементов в сталях.

ЛЕКЦИЯ 12

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

 

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

 

Распределение легирующих элементов в сталях.

1. Легированный феррит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_α. Формула: Fe_α (С, л.э.).

2. Легированный аустенит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_γ; Формула: Fe_γ (С, л.э.).

3. Легированный цементит – химическое соединение железа, легирующего элемента и углерода. Формула (Fe, л.э.)₃ С.

4. Специальные карбиды – соединения легирующих элементов с углеродом. Формула: МеС; Ме_nC_m; (Ме-Ме)С.

Карбиды могут образовывать не все легирующие элементы.

Не образуют карбиды: Co, Ni, Cu, Al, Zn.

Образуют карбиды: Cr, V, Ti, Mn, Mo, Nb, Zr, W.

5. Соединения с неметаллами – оксиды Ме-О; нитриды Ме-N.

6. Интерметаллидные соединения -соединения легирующих элементов друг с другом (Ме_nMe_m).

 

Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Основные легирующие элементы повышают твердость и прочностьферрита. Наиболее сильно повышают прочность феррита кремний, марганец и никель.

Большинство легирующих элементов снижают ударную вязкость, кроме никеля. При этом никель понижает порог хладноломкости, уменьшая склонность к хрупкому разрушению.

Хром повышает механические свойства конструкционных сталей, а также повышает специальные свойства сталей, например, устойчивость против агрессивных сред. Хром вводят в легированные стали в количестве от 2 до 25%.

Никель и хром являются важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

Марганец и кремний повышают предел текучести стали.

Молибден и вольфрам являются сильными карбидообразующими элементами, поэтому они образуют карбиды и легированный цементит. Они способствуют измельчению зерна, повышают прочность ижаропрочность.

Для измельчения зерна также вводят ванадий и титан, но содержание этих элементов ограничивается (до 0,3 – 0,5%), так как эти элементы образуют карбиды по границам зерен, которые могут способствовать хрупкому разрушению.

 

 

Влияние легирующих элементов на превращения в сталях.

1. Влияние на критические температуры железа А₃ и А₄. При этом увеличивается вероятность образования в структуре сталей либо составляющей феррита, либо составляющей аустенита. В легированных сталях в отличии от углеродистых сталей аустенит может образоваться при комнатной температуре.

-- элементы расширяющие α-область.

Они понижают температуру А₄ и повышают температуру А₃.

К ним относятся Cr, Si, Al, V, W, Mo и другие. При этом в сталях образуется структура легированного феррита.

-- элементы расширяющие γ-область.

Ониповышают температуру А₄ и понижают температуру А₃.

К ним относятся Ni, Mn, Co, N. При этом в сталях образуется структура аустенита. Такие стали, как правило, обладают специальными свойствами, такими как жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

Влияние на рост зерна аустенита.

Большинство легирующих элементов замедляют рост зерна аустенита

при нагреве. Особенно титан и ванадий.

Стали с особыми свойствами.

К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.

Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.

Коррозионностойкие стали.

Коррозионностойкие стали устойчивы воздействию агрессивных сред – коррозии.

Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Различают:

1. Электрохимическую коррозию (контакт двух материалов, обла-

дающих разными электродными потенциалами);

2. Точечную (язвенную) коррозию (возникает при локальном воз-

действии агрессивной среды);

3.Щелевую коррозию (возникает в узких зазорах между металлами);

4. Коррозионное растрескивание КР (возникает под воздействием

агрессивной среды и нагрузки);

5. Межкристаллитная коррозия (растрескивание по границам зерен).

Методы защиты от коррозии:

1. Нанесение защитных покрытий и пленок.

2. Легирование.

Основной легирующий элемент в нержавеющих (коррозионностойких) сталях – Хром.

Хром вводят в нержавеющие стали в количестве более 12,5%. При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали меняется с отрицательного на положительный (рис.12.1).

Рис.12.1.

Помимо хрома в нержавеющие стали вводят дополнительно никель. В зависимости от легирующих элементов коррозионностойкие стали подразделяются на:

1. Хромистые (легирующий элемент – только хром)

2. Хромоникелевые (легирующие элементы - хром и никель).

Примеры хромистых нержавеющих сталей: 08Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х17, 15Х25, 15Х28.

Примеры хромоникелевых нержавеющих сталей: 08Х18Н9, 10Х18Н10, 12Х18Н10Т.

 

Жаростойкие стали.

Как было показано выше жаростойкость (окалиностойкость ) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Железо с кислородом может образовывать оксиды следующего вида: FeO, Fe₂О₃, Fе₃О₄. При рабочих температурах порядка 550 - 600°С окалина состоит в основном из достаточно прочного слоя оксидов Fe₂О₃ и Fе₃О₄. При температурах выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов. Поверхность металла защищена только рыхлым оксидом FeO, который не осуществляет необходимого по прочности защитного слоя, что приводит к интенсивному окислению сталей при температурах, превышающих 600°С.

Таким образом, основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав стали, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Основными принципами легирования жаростойких сталей является введение в их состав элементов, образующих прочные соединения скислородом. В первую очередь это такие элементы, как хром, кремний и алюминий.

Однако, следует учитывать влияние этих элементов и на другие факторы и свойства стали. Так, высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологические свойства стали. Поэтому, основным легирующим элементом в жаростойких сталях считаетсяхром. Причем с увеличением содержания хрома растут жаростойкие свойства, а, следовательно, и применение сталей при более высоких рабочих температурах.

Сталь с 5% хрома сохраняет свои свойства до 600°С, содержащая 9% хрома не подвержена образованию окалины в газовой среде до температур 800°С, а сталь с 17% - до 900°С. Для сохранения высокой окалиностойкости при температурах 1000 - 1100°С следует применять хромо-никелевые стали аустенитного класса.

Жаростойкие стали используют для изготовления различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Большинство жаростойких сталей являются также нержавеющими, а некоторые коррозионностойкие стали являются также жаростойкими.

Таким образом нержавеющие и жаростойкие стали могут быть взаимозаменяемыми.

 

Жаропрочные стали.

Ранее было показано, что жаропрочность - способность сталей сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Также были рассмотрены такие характеристики жаропрочности, как горячая прочность, предел длительной прочности и предел ползучести.

В качестве жаропрочных сталей используют стали легированные хромом, молибденом, ванадием. Эти стали сохраняют свои свойства при рабочих температурах 500 - 550°С. Их используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей энергетических установок.

При температурах 600 - 620°С используются стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, никелем. Эти стали используют для деталей энергетического оборудования таких как роторы, турбинные лопатки и диски.

Хромо-никелевые стали используются для изготовления лопаток и дисков газовых турбин, клапанов дизельных двигателей и других деталей, работающих при температурах 650 - 700°С. Эти стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием.

Для деталей и изделий, работающих при более высоких рабочих температурах, порядка 1000 - 1100°С. применяют так называемые суперсплавы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок.

Для работы при еще более высоких температурах применяют сплавы на основе тугоплавких металлов и керамические материалы.

Краткая характеристика всех групп легированных сталей (конструкционные, инструментальные, нержавеющие) приведена в таблицах 1 и 2..

Классификация конструкционных сталей ТАБЛИЦА 1.

Название стали	Содержание углерода, %	Основные легир. элементы	Термическая обработка	Свойства	Применение	Примеры
Низколегиро-ванные строительные	0,08 - 0,25	Mn, Si	Без спец. Т/о после нормализации	Низкая прочность, хорошая свариваемость	Сварные конструкции. Строительство, мостостроение вагоностроение, трубы нефте- и газопроводов	08Г2С 14Г2 14ХГС
Цементуемые	0,15-0,20	Cr, Ni	Цементация + Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость и износостойкость поверхности; мягкая сердцевина	Зубчатые колеса, валы коробки передач; детали, работающие в условиях поверхностного износа.	20ХН 15Х 20Х
Улучшаемые	0,3-0,5	Cr, Ni, Mn, Si, Mo, V, W	Закалка + Высокий отпуск. (улучшение)	Хорошее сочетание прочности, пластичности, вязкости; высокая прокаливаемость	Детали различного сечения, работающие в условиях нагружения	ЗОХГСА 40Х ЗОХМ 38ХНЗМФА
Рессорно-пружинные	0,5 - 0,7	Mn, Si,	Закалка + Средний отпуск	Высокая упругость, твердость, прочность, предел выносливости	Пружины, рессоры	60С2 50С2
Шарикопод-шипниковые	0,9-1,1	Cr, Si, Mn,	Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость, контактная выносли­вость	Подшипники качения	ШХ9 ШХ15 (X - хром в десятых долях %)
Высокопроч-ные	Менее 0,03	Ni, Co, Mo	Закалка на воздухе + старение (выделение из мартенсита дисперсных частиц интерметал-лидов)	Высокая прочность; высокая вязкость и пластичность.	В ракетостроении, авиа­строении, судостроении; детали, работающие при низких температурах	03Н18К9М5Т 03Н10Х11М2Т

Классификация инструментальных сталей ТАБЛИЦА 2.

Название стали	Основные легир. элементы	Термическая обработка	Свойства	Применение	Примеры
Для режущего инструмента повышенной прокаливаемости	Cr, W	Закалка в масле + Низкий отпуск.	Высокая твердость, высокая прокаливаемость	Для режущего инструмента, работающего с небольшими скоростями резания; сверла, лезвия	9ХВГ 13Х 9ХС
Быстрорежущие	W, Мо	Закалка с 1250- 1270°С + 3-х кратный отпуск при 550 -570 °С	Высокая твердость, высокая теплостойкость	Режущий инструмент, работающий при высоких скоростях резания (фрезы, сверла, протяжки, метчики и т.д.)	Р9, Р18, Р6М5 (Р-быстрореж., цифра-содерж. W в %)
Штамповые	Cr, Mo, W, V, Ni	Закалка в масле + отпуск при 150-200°С (для холодной деформ); Закалка в масле + отпуск 500-580 °С (для горячей деформации)	Высокая твердость, изностойкость	Штампы для холодного и горячего деформирования (пресс-формы, матрицы, пуансоны и т.д.)	Х12М Х12Ф

Нержавеющие стали

Обозначение стали	Содержание углерода, %	Содержание легир. элем., %	Термическая обработка	Свойства	Применение
08X13 12X13	0,08-0,12	Сr = 13%	Отжиг	Высокая пластичность	Работа в слабоагрессивных средах при нормальной температуре
30X13 40X13	0,3 - 0,4	Сr = 13%	Закалка + Низкий отпуск.	Высокая твердость, высокая устойчивость против коррозии	Режущий, измерительный, медицинский, хирургический инструмент
12X17	0,1 - 0,12	Сr = 17%	Рекристаллизацион-ный отжиг	Высокая пластичность, техно­логичность	Оборудование пищевой и легкой промышленности, кухонная утварь
15Х25Т 15X28	0,12 - 0,15	Сr = 25 - 28%	Отжиг	Высокая коррозионная стойкость	Сварные детали пищевой и легкой промышленности, детали, работающие в более агрессивных средах; трубы теплообменной аппаратуры
08Х18Н10 12Х18Н9 08Х18Н10Т	0,08 - 0,12	Сr = 18% Ni = 9 - 14% Mo, Ti, Nb	Закалка в воде при 1000-1100°С (аустенизация)	Высокая коррозионная стойкость в сильно агрес. средах; высокая пластичность, деформируемость, немагнитны	Детали холодильной промышленности, криогенной техники, пищевой пром.; работа в средах (кислоты, щелочи, морская вода)

 

ЛЕКЦИЯ 12

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

 

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

 

Распределение легирующих элементов в сталях.

1. Легированный феррит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_α. Формула: Fe_α (С, л.э.).

2. Легированный аустенит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Fe_γ; Формула: Fe_γ (С, л.э.).

3. Легированный цементит – химическое соединение железа, легирующего элемента и углерода. Формула (Fe, л.э.)₃ С.

4. Специальные карбиды – соединения легирующих элементов с углеродом. Формула: МеС; Ме_nC_m; (Ме-Ме)С.

Карбиды могут образовывать не все легирующие элементы.