Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирую- щий элемент	Входит в твердый раствор с Fe и упроч- няет его	Увели- чивает удар- ную вяз- кость	Расши- ряет область аусте- нита	Сужает область аустени- та	Увели- чивает прока- лива- емость	Способ- ствует раскис- лению	Образует устой- чивые карбиды	Повышает сопротив- ление коррозии
Ni	^+	+	+	—	+	—	—	+
Cr	+	—	—	+	—	—	+	+
Mn (более 1%)	+	+	+	—	+	+	+	+
Si (более 0,8%)	+	+	—	+	—	+	—	—
W	—	—	—	—	—	—	+	—
Сu (0,3 - 0,5%)	+	—	—	—	—	—	—	+

По характеру влияние на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение g—>a, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность. Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нор­мальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести. Легированный аустенит является основной составляющей (матрицей) многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение. Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз) - при малом их содержании растворяются в цементите, замещая в нем атомы железа. Состав карбида в этом случае может быть выражен формулой (Fe, M)_mC_n, где М - символ суммы легирующих элементов, a m, n - коэффициенты, определяемые химической формулой карбида. При повышении содержания карбидообразующих элементов могут образовываться самостоятель­ные карбиды.

Выделение из твердого раствора карбидов МС, M₂C нередко вызывает повышение твердости - дисперсионное упрочнение. Карбидообразующие элементы (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве, а также замедляют процесс коагуляции дисперсных частиц, поэтому сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служитьFe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

Легирующие элементы оказывают влияние на электронную и дислокационную структуру металла. Замещая атомы в решетке основы, они создают барьеры ближнего действия на пути движущихся дислокаций. От легирования зависят характер и величина межатомного взаимодействия в сплаве, что влияет на подвижность дислокации. Так, при легировании может увеличиваться плотность дислокации, вызванная изменением энергии дефектов упаковки, меняется время релаксации вакансий и, как следствие, их избыточная концентрация. Значения констант диффузии и упругости, условия протекания фазовых превращений и в конечном итоге прочность твердого раствора, безусловно, связаны с легированием. Часто легирование сопровождается повышением сопротивления твердого раствора пластической деформации, поскольку при его образовании более вероятным является множественное скольжение дислокации по нескольким плоскостям вместо единичного. Так, легирование железа марганцем способствует образованию мартенситной структуры марганцевого феррита, повышению плотности дислокации и, как следствие, значительному возрастанию прочности твердого раствора (рис.9.l). Но есть и исключения: например, легирование железа хромом в определенных пределах уменьшает прочность твердого раствора. При встрече перемещающихся дислокации с примесными атомами поля упругих напряжений вокруг них взаимодействуют между собой, что приводит к пере­распределению примесей. Энергия взаимодействия примеси с дислокацией составляет 1—0,01 эВ. Примесные атомы замещения с меньшим, чем у ос­новы, атомным радиусом замещают атомы основы в сжатой области поля дислокации, в противоположном случае — в растянутой области. Примеси внедрения заполняют растянутые участки вокруг дислокации. Концентрируясь у ядра дислокации, примесные атомы внедрения образуют облака Коттрелла. Эффект упрочнения при легировании железа элементами внедрения (азот, углерод) значительно сильнее, чем элементами замещения (например, никель, марганец). Так, добавление в железо каждой очередной сотой доли процента углерода или азота (0,01%) повышает предел текучести сплава на 40—50 Мпа, в то время как введение аналогичного количества никеля — всего на 0,3 Мпа, т.е. эффект упрочнения в последнем случае на два порядка меньше.

Тема №40

Качественные и высококачественные легированные стали

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов:

Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам,

К – кобальт, Т – титан, А – азот (указывается в середине марки),

Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний,

П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий,

Ю – алюминий

 

Легированные конструкционные стали

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах,

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Легированные инструментальные стали

Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Быстрорежущие инструментальные стали

Сталь Р18

Р – индекс данной группы сталей (от rapid – скорость). Содержание углерода более 1%. Число показывает содержание основного легирующего элемента – вольфрама.

В указанной стали содержание вольфрама – 18 %.

Если стали содержат легирующие элемент, то их содержание указывается после обозначения соответствующего элемента.

Шарикоподшипниковые стали

Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС

Ш – индекс данной группы сталей. Х – указывает на наличие в стали хрома. Последующее число показывает содержание хрома в десятых долях процента, в указанных сталях, соответственно, 0,6 % и 1,5 %. Также указываются входящие с состав стали легирующие элементы. Содержание углерода более 1 %.

Тема №41

Автоматическая электродуговая наплавка под флюсом. Процесс наплавки происходит при горении дуги между электродом и деталью под слоем флюса, покрывающего ванну расплавленного металла. В зоне наплавки создается избыточное давление газов, препятствующее проникновению воздуха к расплавленному металлу.

Автоматическая вибродуговая наплавка. Сущность процесса заключается в периодическом замыкании и размыкании контакта между электродной проволокой и деталью, находящихся под напряжением. Каждый цикл вибрации проволоки включает четыре последовательно протекающих процесса: Короткое замыкание, Отрыв электрода от детали, Электрический разряд, Холостой ход.

Лазерная наплавка. Лазерный луч используется в качестве источника тепла для наплавки металлического порошка на поверхность детали. Рубиновый стержень облучается импульсной лампой, питаемой от конденсаторной батареи. Возникающий лазерный луч, отражаясь от заднего зеркала и отражателя, направляется на полупрозрачное зеркало и поворотное зеркало, далее фокусируется на линзе и попадает на деталь. В зону на плавления подается порошок и защитный газ аргон.

Плазменная сварка и наплавка. Источником тепла является струя плазмы. Плазма – это ионизированный газ, нагретый до очень высокой температуры и обладающий электропроводностью. Плазму получают в плазматронах или плазменных горелках. Катод плазматрона представляет собой стержень диаметром от 6 до 8мм из лантанированного вольфрама, охлаждаемый проточной водой. Анод в виде сопла изготовлен из меди, также охлаждаемый водой.

Тема №42

Превращения в стали при нагреве (образование аустенита).

Нагрев стали при термической обработке в большинстве случаев применяют для получения структуры аустенита.

Как известно, структура доэвтектоидной стали с содержанием углерода менее 0,8% при нагреве до температуры A_Cl состоит из зерен перлита и феррита. В точке A_C1 начинается фазовая перекристаллизация перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от температур A_C1 до А_Сз избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении температуры Ас_п (соответствует линии GSE на диаграмме состояния железо-углерод) превращения заканчиваются. Выше точки А_Сз структура стали состоит только из аустенита.

Таким же образом происходят превращения при нагреве заэвтектойдной стали, но с той лишь разницей, что выше температуры A_C1 в аустените начинает растворяться избыточный цементит. Выше точки А_ст структура состоит только из аустенита.

По окончании превращений, после того как весь перлит перейдет в аустенит, структура стали имеет большое количество мелких аустенитных зерен. На скорость процесса образования аустенита и выравнивание его концентрации влияет ряд факторов. С повышением температуры эти процессы ускоряются. Легирующие элементы в стали-хром, вольфрам, молибден и др.- замедляют процесс образования аустенита.

Аустенит неоднороден по химическому составу, В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше верхней критической точки А_Сз и выдерживают некоторое время при этой температуре. При дальнейшем повышении температуры мелкие зерна аустенита начинают соединяться между собой, и чем выше температура нагрева, тем интенсивнее увеличиваются размеры зерен. В стали различают три вида зерен: начальные, действительные и природные.

Под начальным зерном аустенита подразумевают размер зерна в момент окончания превращения перлита в аустенит.

Действительное зерно аустенита - это зерно, полученное в данных конкретных условиях нагрева. Величина такого зерна зависит от метода выплавки стали и вида последнего нагрева под закалку или отжиг. Величину действительного зерна можно регулировать режимами термической обработки.

Природное (наследственное) зерно характеризуется способностью к росту зерна аустенита. В сталях даже одинакового химического состава зерно аустенита может расти с различной скоростью. Это зависит от свойств стали данной плавки. В связи с этим стали делятся на мелкозернистые и крупнозернистые. У мелкозернистых сталей мелкое зерно сохраняется при температуре 950-1000°С, а у крупнозернистых сталей зерно начинает быстро расти даже при нагреве немного выше 800°С.

Тема №43

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали, — это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита с карбидом. Кинетика эвтектоидного превращения изображается С-образными кривыми на диаграмме изотермического превращения аустенита.