Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Свойства и применение легированных сталей

Свойства и применение легированных сталей

По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость.

Стали предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, разделяют в зависимости от применяемой к ним термообработки на цементуемые (содержат не более 0,25 %С) и улучшаемые (0.25. 0,5%С). Детали из цементуемых сталей подвергают цементации, закалке и низкому отпуску. В результате получается твёрдая, износостойкая поверхность (НКС 56. 62), со структурой высокоуглеродистого

мартенсита и более мягкая, вязкая сердцевина (НЕС 15. 45) со структурой малоуглеродистого мартенсита.

Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением. Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит., сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок.

Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5. 0,65 %С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность.

К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5 %). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.

Кроме деталей машин из легированных сталей перлитного класса с высоким содержанием углерода (более 0,8 %) изготавливают режущий и мерительный инструмент. Такой инструмент подвергается неполной закалке и низкому отпуску. Приобретая высокую твёрдость и износостойкость, инструмент, однако, не обладает достаточной теплостойкостью. Некоторые марки перлитных сталей используют для изготовления инструмента для горячего деформирования. Пониженное по сравнению с другими инструментальными сталями содержание углерода (от 0,3 до 0,7%) позволяет получить достаточную вязкость, т.к. такой инструмент часто работает с ударными нагрузками.

Легирующие элементы в сталях перлитного класса не оказывают существенного влияния на структуру. В основном они способствуют увеличению прокаливаемости и тем самым дают возможность получить высокие механические свойства в деталях больших сечений.

Среди сталей мартенситного класса широкое применение находят стали, содержащие около 13 % хрома и до 0,4 % углерода. При содержании хрома более 12,5 % сталь становится коррозионностойкой. Стали этой группы хорошо сопротивляются атмосферной коррозии и коррозии в среде водяного пара, т.е. являются нержавеющими из них изготавливают различные детали машин, требующие повышенной прочности и коррозионной стойкости, а также некоторые виды инструмента. Упрочнение достигается закалкой в масле или на воздухе на структуру мартенсита. Отпуск в зависимости от назначения может быть высоким (для деталей машин) или низким (для инструмента).

Набольшее применение среди сталей аустенитного класса находят хромоникелевые стали, содержащие около 18 % хрома и 8. 10 % никеля (углерода не более 0,2 %). Эти стали имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые стали мартенситного класса. В нормализованном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита и небольшого количества карбидов типа (FeCr)23C6. При нагреве

под закалку (так называемая аустенизацня) карбиды растворяются в аустените, и при резком охлаждении в воде фиксируется однофазная аустенитная структура. Однофазные структуры характеризуются более высокой коррозионной стойкостью, т.к. в этом случае уменьшается вероятность образования микрогальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию. Закалка аустенитных сталей не является упрочняющей операцией.

Аустенитные стали используются как кислотостойкие для изготовления химической аппаратуры, а также для деталей машин и криогенного оборудования, работающего при температурах до -253*С. Стали этого класса могут использоваться и как жаростойкие, жаропрочные материалы.

Наиболее известными сталями ферритного класса являются высокохромистые стали, содержащие 17. 30 % хрома и не более 0,2 % углерода. Они хорошо сопротивляются как электрохимической так и газовой коррозии при высоких температурах, т.е. являются кислотостойкими и жаростойкими (окалиностойкими). Недостатком этих сталей является низкая прочность и возникающая при перегреве (например, при сварке) крутшозернистость, которая не устраняется термической обработкой, Крупнозернистость придаёт сталям повышенную хрупкость. Используются эти стали преимущественно в отожженном состоянии.

Рассмотренные стали мартенситного, аустенитного и ферритного класса относятся с особыми свойствами.

Стали карбидного класса по назначению являются инструментальными. Они отличаются повышенной изноетойкостью и теплостойкость (красностойкостью). Благодаря этому их используют для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Наилучшие режущие свойства стали приобретают после сложной термической обработки. Отожженные заготовки имеют структуру сорбитообразного перлита и карбидов. После механической обработки заготовок и придания инструменту необходимой формы он подвергается закалке и трёхкратному отпуску. Схема режимов термической обработки приведена на рис.3.

С целью выравнивания температуры по всему сечению инструмента и в избежании его деформации производится подогрев до температуры около 800°С, а затем окончательный нагрев в расплавах солей до температур 1260. 1290 °С (для стали Р18). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита. Это обеспечивает получение после закалки в масле (или на воздухе) высоколегированного мартенсита, обладающего высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью. Часть карбидов, не растворившихся при нагреве, препятствуют росту зерна аустенита.

В процессе охлаждения часть аустенита превращается в мартенсит. Кроме того в структуре сохраняются не растворенные карбиды и некоторое количество остаточного аустенита, т.к. точка Мк лежит ниже нуля градусов и мартенситное превращение не заканчивается. Остаточный аустенит понижает твёрдость и режущие свойства, поэтому его присутствие в структуре недопустимо.

После закалки следует отпуск при температуре около 560 °С, при котором происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит с выделением дополнительного количества дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твёрдости. Чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит, отпуск проводят 3 раза подряд с выдержкой по одному часу. Для инструмента простой формы можно делать после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560°С.

Твёрдость стали после закалки составляет HRC 62. 63, а после трёхкратного отпуска HRC 64. 65. Высокая твёрдость сохраняется при последующих нагревах в процессе работы до температур до 600 «С, что обеспечивает теплостойкость инструмента.

В таблицах 1, 2, 3, 4 приведены справочные данные на различные стали с указанием марок, химического состава, режимов термической обработки, механических свойств и примерного назначения.

Конструкционные легированные стали

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% по объему. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель – элементы с решеткой, отличающейся от решетки α-Fe. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

Читайте так же:
Пайка флюсы припой виды и применение

Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается, достигая уровня нелегированного феррита при 3% Сг и 1,5% Мп.

Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава сплава. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Сг+Мо, Cr+Ni, Cr+Ni+Mo и другими сочетаниями различных элементов.

Высокая конструктивная прочность стали обеспечивается рациональным содержанием в ней легирующих элементов. Избыточное легирование (за исключением никеля) после достижения необходимой прокаливаемости приводит к снижению вязкости и облегчает хрупкое разрушение стали. Хром оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%; он растворяется в феррите и цементите.

Никель – наиболее ценный легирующий элемент. Его вводят в сталь в количестве от 1 до 5%. Марганец вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом. Никель заметно повышает предел текучести стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна одновременно с никелем в сталь вводят карбидообразующие элементы.

Кремний является некарбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает предел текучести стали и при содержании более 1% снижает вязкость и повышает порог хладноломкости.

Молибден и вольфрам являются карбидообразующими элементами, которые большей частью растворяются в цементите. Молибден в количестве 0,2-0,4% и вольфрам в количестве 0,8-1,2% в комплекснолегированных сталях способствуют измельчению зерна, увеличивают прокаливаемость и улучшают некоторые другие свойства стали.

Ванадий и титан – сильные карбидообразущие элементы, которые вводят в небольшом количестве (до 0,3% V и 0,1% Ti) в стали, содержащие хром, марганец, никель, для измельчения зерна. Повышенное содержание ванадия, титана, молибдена и вольфрама в конструкционных сталях недопустимо из-за образования специальных труднорастворимых при нагреве карбидов. Избыточные карбиды, располагаясь по границам зерен, способствуют хрупкому разрушению и снижают прокаливаемость стали.

Бор вводят для увеличения прокаливаемости в очень небольших количествах (0,002-0,005%).

Легированная конструкционная углеродистая сталь

Эта группа сталей наиболее многочисленна по количеству используемых сплавов. По содержанию вредных примесей эти сплавы имеют те же ограничения, что и качественная сталь. Количество углерода также аналогично. Отличие в том, что легированные стали содержат добавки других элементов, преимущественно металлов, которые повышают различные эксплуатационные свойства.

Легированная конструкционная сталь подразделяется на 3 подгруппы:

  • Низколегированная — менее 2,5% легирующих элементов;
  • Среднелегированная — 2,5-6% легирующих элементов;
  • Высоколегированная — более 6% легирующих элементов.

Использование легирующих веществ существенно повышает стоимость стали, поэтому легированные сплавы используются там, где в них есть необходимость. Наибольшее распространение получили низколегированные сплавы, содержащие хром, кремний, марганец и никель. Такие сплавы обладают хорошей прочностью, сниженной чувствительностью к старению, хорошей свариваемостью, простотой обработки резанием и давлением. Их используют для ответственных конструкций, подвергающихся высоким нагрузкам. Методы обработки сходны с теми, что используются для качественной конструкционной стали.

Обозначение легированных сталей состоит из двухзначного числа, указывающее на содержание углерода в сотых долях процента, и больших букв, обозначающих легирующие вещества. Цифра после буквы указывает содержание в процентах, если 1 или менее, то не пишется. Примеры: 20ХМ, 35Г, 40Х2Г2М.

Особой группой легированных сталей выступают нержавеющие сплавы. Они относятся к высоколегированной стали — содержание одного только хрома превышает 12%. Помимо хрома, в нержавеющих сталях присутствует хром, никель, марганец, титан. Примеры: 03Х19Г10Н7М2, 12Х18Н10Т.

Маркировка легированных сталей

Марка легированной качественной стали состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав. Легирующие элементы имеют следующие обозначения (ГОСТ4547-71): хром (X), никель (Н), марганец (Г), кремний (С), молибден (М), вольфрам (В), титан (Т), алюминий (Ю), ванадий (Ф), медь (Д), бор ( Р ) , кобальт ( К ) , ниобий ( Б ) , цирконий (Ц). Цифра, стоящая после буквы, указывает на содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра не указана, то легирующего элемента содержится до 1,5%. В конструкционных качественных легированных сталях две первые цифры марки показывают содержание углерода в сотых долях процента. Кроме того, высококачественные легированные стали имеют в конце марки букву А, а особо высококачественные – Ш.

Например, сталь марки 30ХГСН2А: высококачественная легированная сталь содержит 0,30% углерода, до 1% хрома, марганца, кремния и до 2% никеля; сталь марки 95Х18Ш: особо высококачественная, выплавленная методом электрошлакового переплава с вакуумированием, содержит 0,9-1,0% углерода; 17-19% хрома, 0,030% фосфора и 0,015% серы.

Легированные конструкционные стали делят на цементуемые, улучшаемые и высокопрочные.

Характеристика легированных сталей

Характеристика легированных сталей

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

  • Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

  • Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

  • Высоколегированная сталь.
Читайте так же:
Резка металла водой под давлением какое давление

Легированная сталь

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

  • конструкционная легированная сталь,
  • инструментальная легированная сталь,
  • легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Цементуемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

Цементуемые стали – это низкоуглеродистые (до 0,25 С), низко- (до 2,5%) и среднелегированные (2,5-10% суммарное содержание легирующих элементов) стали. Эти стали (табл. 4) предназначены для деталей машин и приборов, работающих в условиях трения и испытывающих ударные и переменные нагрузки. Работоспособность таких деталей зависит от свойств сердцевицы и поверхностного слоя металла. Цементуемые стали насыщают с поверхности углеродом (цементуют) и подвергают термической обработке (закалке и отпуску). Такая обработка (см. гл. V) обеспечивает высокую поверхностную твердость (HRC 58-63) и сохраняет требуемую вязкость и заданную прочность сердцевины металла.

Цементуемые легированные стали

Таблица 4. Цементуемые легированные стали

Легированные конструкционные стали их марки и применение

Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов находится в пределах 2.5-10% -относятся к легированным.

Наиболее широкое применение легированные стали нашли в машиностроении.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква ²А².

Конструкционные цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали

Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Улучшаемые легированные стали (ГОСТ 4543-71)

Это среднеуглеродистые (0,25-0,6% С) и низколегированные стали. Для обеспечения необходимых свойств (прочности, пластичности, вязкости) эти стали (табл. 5) термически улучшают (см. главу 5), подвергая закалке и высокому отпуску (500-600°С).

Улучшаемые легированные стали

Таблица 5. Улучшаемые легированные стали

Высокопрочные легированные стали

Улучшаемые и цементуемые стали после термической обработки дают прочность до σв=1300 МПа и вязкость до КС=0,8-1,0 МДж/м2. Для создания новых современных машин такой прочности недостаточно. Необходимы стали с пределами прочности σв=1500-2000 МПа. Для этих целей применяют комплексно-легированные и мартенситостареющие стали (табл. 6).

Высокопрочные легированные стали

Таблца 6. Высокопрочные легированные стали

Примечания: 1) Показатели механических свойств в числителе – после закалки от 900°С и низкого отпуска при 250°С, в знаменателе – после изотермической закалки. 2) Показатели механических свойств для стали в состоянии после закалки на воздухе и последующего старения.

Комплексно-легированные стали – это среднеуглородистые (0,25-0,6% С) легированные стали, термоупрочняемые при низком отпуске или подвергающиеся термомеханической обработке (см. главу 5).

Мартенситостареющие стали – это новый класс высокопрочных легированных сталей на основе безуглеродистых (не более 0,03% С) сплавов железа с никелем, кобальтом, молибденом, титаном, хромом и другими элементами. Мартенситостареющие стали закаливают на воздухе от 800-860°С с последующим старением при 450-500°С.

Сталь конструкционная низколегированная для сварных конструкций

Низколегированные стали это…

Низколегированные стали, содержат от 0,2% С и до 2-3% в основном недефицитных легирующих элементов. Они ненамного дороже углеродистых, но обладают рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, что позволяет снизить расход металла на 15—30%; пониженной склонностью к механическому старению; повышенной хладостойкостью, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью; возможностью значительно повысить после закалки и отпуска прочность, вязкость, износостойкость и чувствительность к надрезу. Все это в сочетании с хорошей свариваемостью обусловило широкое применение этих сталей при изготовлении трубопроводов и аппаратов, всевозможных сварных конструкций в вагоностроении, автомобилестроении, сельскохозяйственном машиностроении и др.

Стали не флокеночувствительны и не склонны или мало склонны к отпускной хрупкости. При использовании высокопрочных бесперлитных и малоперлитных сталей с весьма низким содержанием углерода, серы и фосфора, благодаря чему достигаются очень хорошая свариваемость, высокая ударная вязкость и низкий порог хладноломкости. Высокая прочность сталей в этом случае получается благодаря микролегированию ниобием, ванадием и титаном и применению регулируемой прокатки при изготовлении.

Как показал опыт заводов, применение низколегированной стали в аппаратостроении позволяет улучшить технико-экономические показатели производства и добиться существенной экономии металла за счет более высокого предела текучести ряда марок низколегированной стали по сравнению с обычной углеродистой сталью.

Использование низколегированной стали в нефтяном аппаратостроении позволяет снизить вес конструкций до 25%, трудоемкость изготовления облегченных конструкций на 16%, трудоемкость монтажных работ на 15% и себестоимость на 20%.

Для обозначения марок низколегированной стали используют буквенно-цифровой код. Цифры в начале маркировки указывают на содержание углерода в сотых долях процента (среднее содержание), а буквы показывают, какой легирующий элемент содержится в стали. При маркировке стали для различных легирующих элементов применяют следующие обозначения:

  • Н — никель
  • Х — хром
  • Г — марганец
  • М — молибден
  • С — кремний
  • В — вольфрам
  • Ф — ванадий
  • Т — титан
  • К — кобальт
  • Ю — алюминий
  • Д — медь

Цифры, стоящие в марке после букв, указывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента, если количество этого элемента превышает 1,5%.

Фазы, образуемые легирующими элементами в железных сплавах

Большинство легирующих элементов образуют в сталях фазы либо с железом, либо друг с другом, и только некоторые из них могут присутствовать в структурно-свободном состоянии (например, свинец, висмут, иногда графит).

Согласно традиционной классификации, образующиеся в легированных сталях фазы принято делить на твердые растворы и промежуточные соединения, к которым относят фазы внедрения, фазы Юм-Розери, фазы Лавеса и т.д. Х.Дж. Гольдшмидт под фазами внедрения предлагает понимать следующие соединения: твердые растворы внедрения (например, углерода в железе, кислорода в титане и т.д.); соединения внедрения (карбиды, гидриды, нитриды, и т.д.); переходные вещества (мартенсит, богатые металлом «полукарбиды» и т.д.); временные и искусственные фазы внедрения, возникающие во время диффузионных потоков или облучения.

Читайте так же:
Сверлильный станок 2н125 схема электрическая

Немаловажную роль в формировании специфических свойств легированных сталей играют элементы внедрения. Эти элементы создают возможность управления динамикой кристаллической решетки, способствуя или препятствуя образованию межатомных связей. Внешними средствами осуществления этого являются термообработка, пластическая деформация и введение легирующих добавок.

Твердые растворы являются фазами переменного состава и образуются в тех случаях, когда атомы различных элементов, смешиваясь в тех или иных соотношениях, способны образовать кристаллическую решетку. Твердые растворы могут возникать как на базе чистых компонентов, так и химических соединений.

Все виды взаимодействия между атомами подчиняются законам квантовой механики, но существующие теории твердого тела не в состоянии учесть влияние многочисленных факторов на структуру и различные свойства твердых растворов. Тем не менее в результате проводившихся более тридцати лет исследований (главным образом, Юм-Розери и сотрудников) были сформулированы некоторые общие правила относительно пределов растворимости в твердом состоянии:

1. Принцип изоморфизма кристаллических решеток.

Непрерывные ряды твердых растворов по типу замещения образуют металлы с одинаковой кристаллической решеткой. Если сплавляемые металлы полиморфны, то неограниченная взаимная растворимость может наблюдаться лишь между изоморфными модификациями.

2. Правило благоприятного размерного фактора (правило 15 %).

Неограниченная растворимость компонентов, образующих сплав, возможна лишь в том случае, когда разница в размерах их атомов не превышает 14-15 %.

3. Эффект электроотрицательной валентности.

Образование устойчивых промежуточных соединений должно сужать область ограниченных твердых растворов. Вероятность образования таких соединений определяется химическим сродством компонентов и будет тем больше, чем более электроотрицательным окажется один и электроположительным другой.

4. Эффект относительной валентности.

Одним из важных факторов, определяющих величину растворимости и главным образом устойчивость промежуточных фаз, является электронная концентрация — отношение числа валентных электронов к числу атомов: е/а. Растворимость в элементе с меньшей валентностью оказывается всегда больше, чем в элементе с большей валентностью.

Перечисленные условия для неограниченной растворимости в достаточной мере выполняются в железных сплавах. Модификация a-Fe образует непрерывные твердые растворы только с Cr и V, а модификация v-железо — с Ni, Co, Pt, Ir, Pd, Rd. При образовании твердого раствора решетка матрицы искажается. Параметр решетки твердого раствора двух компонентов с одинаковой или близкой структурой и периодами a1 и a2 должен линейно изменяться в зависимости от концентрации этих компонентов х1 и х2, выраженных в атомных долях (закон Вегарда):

Однако это уравнение является лишь первым, иногда весьма грубым, приближением. Различия в размерах атомов, форме их электронных оболочек обусловливают локальные искажения кристаллической решетки и приводят к возникновению ближнего порядка в твердых растворах, что и является одной из причин отклонения от закона Вегарда, базирующегося на модели беспорядочного расположения атомов замещения в однородно растянутой или сжатой решетке. Тем не менее попытки рассчитать или предсказать отклонения от закона Вегарда имели низкий уровень надежности, по-видимому, вследствие того, что главный фактор, ответственный за отклонение от закона Вегарда, еще не выявлен, а факторы, учтенные в предлагаемых моделях, вызывают лишь второстепенные эффекты.

Элементы внедрения образуют исключительно ограниченные твердые растворы как с железом, так и с другими металлами. Существует известная корреляция между растворимостью С, N, В, О, Н, с одной стороны, и атомным номером и кристалллической структурой растворителя, с другой. Исходя из величины энергии деформации решетки и термодинамических соображений, можно показать, что растворимость углерода и азота в металлах с г.ц.к. решеткой больше, чем в металлах с о.ц.к. решеткой, и скачком меняется при изменении кристаллической решетки. Примером является растворимость углерода в а-железе (0,018 %) и в v-железе (2,14 %).

Элементы внедрения изменяют многие физические свойства сплавов: электрические (возрастает электросопротивление), магнитные, механические. Внедренные атомы изменяют подвижность дислокаций и поэтому очень сильно влияют на механические свойства металлов, в частности на пластичность. Примесные атмосферы могут тормозить движение границ зерна. Бор вследствие относительно большого размера атомов склонен к сосредоточению на всякого рода дефектах, особенно на межзеренных границах. Тем самым он затрудняет их перемещение и рост зерна.

Твердые растворы большинства легированных сталей являются одновременно твердыми растворами внедрения и замещения. Твердыми растворами на базе a-железа являются феррит и мартенсит, а на базе v-железа — аустенит.

Феррит — твердый раствор легирующих элементов и углерода в a-железе. По типу замещения в феррите растворяются Cr, V (неограниченная растворимость), W, Mo, Ti, Al, Mn, Ni, Co, Si, и т.д. (ограниченные твердые растворы). Углерод, азот, бор, кислород и водород растворяются в феррите по типу внедрения.

Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Часть атомов железа может быть замещена атомами легирующих элементов. Зависимость параметров тетрагональной решетки мартенсита от концентрации углерода выражается уравнениями, предложенными Г.В. Курдюмовым и др.:

где а = (0,116 ± 0,002) 10в-10 м; в = (0,013 ± 0,02) 10в-10 м; v = (0,046 ± 0,01) 10в10; р — С, % (по массе).

Характер распределения углерода в мартенсите при прочих равных условиях определяется активностью его в исходном аустените, зависящей от вида и числа легирующих элементов в твердом растворе.

Характерными составляющими большинства легированных сталей являются карбиды — более твердые и вместе с тем более хрупкие фазы, чем мартенсит.

Наиболее часто встречающийся карбид сплавов железа -цементит Fe3C. Несмотря на свою сравнительно высокую устойчивость, он является метастабильной фазой, поскольку равновесной является система железо — графит. Кобальт и никель способствуют графитизации цементита, в то время как марганец, а также хром, если они находятся в твердом растворе, стабилизируют структуру цементита, пока избыточное содержание этих элементов не приводит к образованию специальных карбидов. Металлы IV и V групп — Ti, Ta, Zr, Nb — не могут замещать железо в Fe3C и вызывают переход к весьма устойчивым карбидам с решеткой типа NaCl. Ванадий действует таким же образом, но менее эффективно, поскольку он обладает незначительной растворимостью в Fe3C. Вольфрам и молибден способствует переходу цементита в двойной карбид Me6С.

Структура цементита была установлена методом рентгеновского структурного анализа, положения атомов углерода неоднократно уточнялись методом нейтронографического анализа. Гольдшмидт указывает, что решетку цементита можно получить из решетки аустенита путем внедрения в последнюю атома углерода и сдвига плотноупакованных слоев (111) в у-решетке с образованием незначительных складок в этих плоскостях. Этот подход важен для понимания процессов распада аустенита и мартенситного превращения.

Читайте так же:
Чем растворить застывшую монтажную пену

Другой карбид железа — е-карбид (е-Fe3C) — предшествует в стали образованию цементита. Этот карбид образуется при низкотемпературном отпуске мартенсита путем когерентного выделения. Хотя состав карбида близок к Fe3C (с несколько пониженным содержанием углерода), он может значительно отклоняться от этой формулы. Явно выраженное уширение линий на рентгенограммах свидетельствует о широкой области гомогенности, а также о высоких внутренних напряжениях. Образование е-карбида можно рассматривать как процесс перестройки структуры углеродистых кластеров, существующих в состаренном мартенсите. В дальнейшем е-карбид переходит в тонкодисперсный цементит Fe3C, вследствие чего возникают значительные искажения решетки на границе раздела фаз. Изоморфизм е-карбида с несколькими другими гексагональными карбидами металлов создает возможность его стабилизации в присутствии таких легирующих элементов, как хром, ванадий и ниобий. Известно, что марганец оказывает сильное стабилизирующее влияние на е-карбид.

Кроме цементита, в легированных сталях встречаются карбиды Cr, Mo, V, W, Ti и некоторых других карбидообразующих элементов, так называемые специальные карбиды. Они, как правило, содержат два, три и более элементов, т.е. являются твердыми растворами на базе фаз внедрения. Многие карбиды при образовании твердых растворов достаточно точно следуют правилу 15 % Юм-Розери. Области однофазного твердого раствора и предела растворимости за частую точно совпадают, т.е. присутствие внедренного атома не играет существенной роли. Это совпадение говорит о преимущественно металлической связи в карбидах, что подтверждается величиной их удельного электросопротивления.

Структура и свойства карбидов зависят от положения металла в периодической системе Д.И. Менделеева. Так, металлы IV и V групп образуют наиболее тугоплавкие карбиды с кубической или гексагональной плотноупакованной решеткой (г.п.у.). Менее устойчивыми являются карбиды металлов VI группы, из которых карбиды Mo и W еще сохраняют простые структуры, но карбиды хрома имеют более сложные структуры с большими элементарными ячейками. Далее, после карбидов Mn, расположенного в VII группе, которые аналогичны карбидам металлов VI и V групп, наблюдается переход к структурам типа цементита для карбидов, образуемых на базе металлов VIII группы. Устойчивость этих карбидов понижается в следующей последовательности: Mn3C —> Fe3C —> Co3C —> Ni3С.

Кроме того, VII группа занимает особое граничное положение в том смысле, что устойчивые карбиды образует лишь марганец, расположенный в первом длинном периоде, в то время как металлы, расположенные в других периодах, карбидов не образуют.

Металлы IV группы образуют только монокарбиды типа MeC, состав которых может значительно отклоняться от стехиометрии, в то время как металлы V группы наряду с карбидами типа MeС (VC, TaC) образуют низшие карбиды Me2C с г.п.у. решеткой. Области гомогенности для карбидов металлов V группы сужаются, хотя они все еще достаточно широки.

Тенденция к многообразию форм и сужению областей гомогенности сохраняется и для карбидов металлов VI группы. В этом случае размеры металлических атомов становятся сравнительно настолько малыми, что при образовании карбидов происходит либо сильное искажение решетки металла (С), либо уменьшение последовательности упаковки (Mo, W). Кроме того, возникают прямые связи C-C, усиливающиеся в карбидах металлов VIII группы, (Fe, Co, Ni) до такой степени, что истинно равновесной фазой становится графит.

Железо слабо растворимо в кубических карбидах TiC, TaC, ZrC, NbC, которые поэтому присутствуют в легированных сталях в чистом виде, однако в VC железо растворяется, поскольку атом ванадия имеет меньший размер, близкий по размеру к атому железа.

Отмеченная особенность еще более характерна для хрома и марганца, но взаимная растворимость железа и карбидов хрома и марганца зависит от температуры.

Большое значение в легированных сталях имеет карбид Me23С6, который может быть карбидом одного элемента (например, Cr23С6), но может быть и двойным карбидом (например, Fe21W2C6). Карбид Me23С6 занимает ключевую позицию в системе фаз, образующихся в легированных сталях, в частности в сталях, содержащих хром. Карбид Me23С6 имеет кубическую гранецентрированную решетку с ребром элементарной ячейки а = 10,64*10в-4 м (для Cr23С6) и содержит 92 атома металла и 24 атома углерода. Карбид типа Me23С6 может служить наглядной иллюстрацией того, как кристаллографические закономерности определяют пределы изменения фактического состава карбидов. Например, в чистом карбиде Me23С6 железо может в широких пределах замещать хром, при этом кубооктаэдры остаются занятыми в основном атомами хрома, а имеющие меньший размер атомы железа занимают преимущественно кубические положения. Такое замещение может продолжаться до тех пор, пока атомы железа не займут все доступные для них положения, что соответствует замещению около 30 % (ат.) Cr. Начиная с этого момента для дальнейшего замещения атомов хрома атомами железа необходимо некоторое количество атомов молибдена или вольфрама. Это объясняется тем, что атомы железа начинают занимать центры октаэдров, которые для них велики. Избыток железа переводит карбид Me23С6 в цементит.

Между карбидом Me23С6 и аустенитом имеется определенная связь, обеспечивающая возможность быстрого выделения и повторного растворения карбидов в аустенитной матрице. В процессе обогащения либо обеднения карбида Me23C6 легирующими элементами и углеродом протекают превращения его в другие карбиды и некарбидные фазы.

В силу тех или иных причин в карбидных включениях может наблюдаться химическая неоднородность. Микроградиент содержания металла в карбидном включении имеет место в направлении от периферии к центру. В результате обезуглероживания может возникнуть градиент содержания углерода. В предельных случаях наличие градиента также будет приводить к переходу карбида в другое промежуточное соединение или к растворению в матричной фазе. Физический характер перехода определяется структурными соотношениями и скоростями диффузии.

В легированных сталях образуется ряд соединений железа с металлическими легирующими элементами — интерметаллиды. Наиболее часто встречаются о-фазы, обнаруженные в целом ряде систем на основе железа: Fe-Cr, Fe-V, Fe-V-Co, F-Cr-Co, Fe-Mo-Co. Элементарная ячейка о-фазы имеет тетрагональную сингонию и содержит 30 атомов. В распределении атомов нет строгой определенности, часть атомов распределяется статически. Это, по-видимому, обусловливает широкую область гомогенности существования о-фаз (например, от 43 до 49 % в системе Fe-Cr). Расстояние между атомными слоями в структуре о-фазы системы Fe-Cr равно 2,28*10в-10 м, что значительно меньше кратчайших расстояний Fe-Fe в решетке a-железа (2;48*10в-10 м) или Cr-Cr в решетке хрома.

о-Фаза образуется из a-твердых растворов или из b-феррита высоколегированных хромистых сталей, содержащих Mn, Mo, Nb, Si. Образование o-фазы сопровождается резким повышением твердости и хрупкости стали, снижением ее пластичности и поэтому в большинстве случаев является нежелательным.

Легированные никелем стали обеспечивают успех

Марагеновая сталь с 18% содержанием никеля обладает усталостной прочностью при ударных нагрузках, необходимой для посадочных шасси самолётов

Читайте так же:
Установка пилки в электролобзик

Легированные стали включают в себя большое разнообразие материалов на основе железа. Доля никеля в них варьируется от ничтожно малых величин в одних легированных сталях (

0.3%) до 20% в мартенситностареющих (марагеновых) сталях. Каждый сплав разработан таким образом, чтобы обеспечивать сочетание показателей прочности, твёрдости, износоустойчивости или ударной вязкости, превосходящее нелегированные углеродистые стали. Такие сплавы, как правило, используются в оборудовании, которое транспортирует электроэнергию, формует или режет металл, а также применяется при низких температурах, при которых у углеродистых сталей теряется необходимый уровень ударной вязкости. Для простоты и в зависимости от тех или иных их свойств, важных для определённых конечных областей использования, легированные стали можно разделить на несколько типов. Легированные никелем стали критически важны для инструментальной промышленности — т.е. производства инструментов и механизмов, используемых для производства других инструментов и механизмов.

Типовой химический состав некоторых важных никельсодержащих легированных сталей

Упрочняемая низколегированная сталь

Эти стали относятся к той категории чёрных металломатериалов, механические свойства которых лучше, чем у нелегированных углеродистых сталей. Этого добиваются с помощью добавления легирующих элементов, таких как никель, хром и молибден, с последующими закалкой (быстрым охлаждением) и отпуском (термической обработкой). Эти химические элементы, будучи растворёнными в аустените до быстрого охлаждения, увеличивают упрочняемость сплава. Никель дополняет эффект упрочнения, который вызывают хром и молибден; кроме того, он важен для придания ударной вязкости твёрдой мартенситной микроструктуре, возникающей в результате быстрого охлаждения и последующего отпуска при помощи термообработки.

Сравнение типовых механических показателей марки AISI 4340 в состоянии отжига, закалки и отпуска с углеродистой сталью марки AISI 1045

Инструментальная сталь

«Инструментальная сталь» — это термин, применяемый к разным высокопрочным и устойчивым к истиранию сталям, используемым для штамповки (тиснение или прессование), резки и обрезки, формовки, а также в инструментах ударного действия, таких как молотки (промышленные или для индивидуального пользования). Способ их термообработки подобен термообработке упрочняемой низколегированной стали.

В закалённых на воздухе инструментальных сталях снижена деформация, вызываемая быстрым охлаждением в воде, и они обладают оптимальным соотношением износостойкости и ударной вязкости.

Инструментальные стали для пресс-форм — это низколегированные углеродистые стали, подвергнутые формовке, а потом поверхностному науглероживанию, упрочнению и затем отпуску, чтобы добиться высокой поверхностной твёрдости, что делает их идеальными для использования в пресс-формах и штампах для литья под давлением.

Высокопрочный низколегированный сплав

(самопассивирующаяся сталь, стойкая к атмосферной коррозии)

Более мелкая зернистая структура этих сталей обеспечивает повышенную прочность в сравнении с нелегированными углеродистыми сталями. Подобной мелкозернистости можно добиться, влияя на температуры фазового перехода таким образом, что превращение аустенита в феррит и перлит происходит при более низкой температуре во время воздушного охлаждения. При низкоуглеродных уровнях, свойственных высокопрочным низколегированным сталям, такие химические элементы, как кремний, медь, никель и фосфор, особенно эффективны для получения мелкозернистого перлита.

Добавки хрома, меди и никеля приводят к формированию устойчивого слоя ржавчины, который сцепляется с основным металлом. Пористость его структуры намного меньше, чем у слоя ржавчины, формирующегося на обычной структурной стали. В результате снижается интенсивность коррозии, что позволяет использовать эти стали без износостойкого покрытия.

На таблице внизу показано различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C.

Никельсодержащая сталь

Ферритные стали с высоким содержанием никеля, как правило, выше 3%, широко используются в оборудовании и особых областях применения, связанных с воздействием температур от 0 °C до — 196 °C, в числе которых цистерны для хранения сжиженных углеводородов, а также конструкции и механизмы, рассчитанные на применение в холодных регионах. В этих сталях используется эффект включения никеля на снижение температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое, что тем самым повышает ударную вязкость при низких температурах.

В углеродистых и большинстве низколегированных сталей по мере снижения температуры ниже 24 °C (75 °F) растут прочность и твёрдость, при этом пластичность при растяжении и ударная вязкость снижаются. Никель улучшает показатель ударной вязкости при низких температурах, что отражено в результатах ударной вязкости по Шарпи на рис. 1.

Рис. 1: Влияние никеля на ударную вязкость нормализованных и отпущенных полудюймовых (1.27 см) пластин низколегированной углеродистой стали

9-процентная никельсодержащая сталь, впервые использованная в защитной оболочке цистерн для жидкого кислорода в 1952 г., с тех пор в основном применялась во внутренней обшивке цистерн для сжиженного газа. Её предпочли аустенитным нержавеющим сталям из-за сочетания высокой прочности и надёжной ударной вязкости при очень низких температурах, вплоть до -196 °C.

Мартенситностареющая (марагеновая) сталь

Марагеновые стали представляют собой низкоуглеродистые ферроникелевые сплавы, содержащие около 18% никеля и дополнительно легированные кобальтом, молибденом, титаном и другими химическими элементами. Эти сплавы закаливают до получения мартенситной структуры, после чего подвергают дисперсионному упрочнению в процессе термообработки при температурах 480-500 °C, что способствует выделению интерметаллических соединений, таких как Ni3Mo и Ni3Ti. Эти стали обладают высокой ударной вязкостью, а их усталостная прочность при ударных нагрузках указывает на то, что они пригодны для использования в ситуациях повторяющихся динамических нагрузок — например, в деталях электромеханических устройств.

Привлекательные свойства марагеновых сталей можно кратко сформулировать следующим образом:

  • Сверхвысокопрочные при комнатной температуре
  • Легко поддаются термообработке, ведущей к минимальной деформации
  • Великолепная ударная вязкость в сравнении со сталью того же уровня прочности, но после закалки и отпуска
  • Легко монтируются, обладают хорошей свариваемостью

Термообработка упрочняемых низколегированных сталей при относительно низкой температуре приводит к намного меньшей деформации, чем при их быстром охлаждении, что делает их предпочтительными для применения в длинных и тонких деталях.

Хотя количество идущего в эти легированные стали никеля меньше, чем объём его потребления в производстве нержавеющих сталей, разнообразие таких сталей значительно, а с промышленной точки зрения они незаменимы.

Институт никеля осуществляет бесплатное техническое консультирование инженеров и разработчиков спецификаций по выбору наиболее подходящего материала для их проектов.

Настоящая таблица иллюстрирует различие механических свойств углеродистой структурной стали марки ASTM А36 и высокопрочной низколегированной структурной стали марки STM A588 класса C.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector