Легированные конструкционные стали
С целью улучшения свойств конструкционных сталей производится их легирование - введение в состав стали химических элементов, к которым в первую очередь относятся:
Cr (Х), Ni (Н), Mn (Г), Si (С), Mo (М), W (В), V (Ф), B (Р), Al (Ю), Co (К), Ti (Т), Nb (Б), N (А). При этом маркировка сталей включает указанные в скобках обозначения элементов с числами, отображающими их процентное содержание, например, сталь 12Х18Н10Т содержит~0,12% C, ~18% Cr, ~10% Ni, ~1% Ti (содержание, близкое к 1% числом не отображается).
Легированию подвергаются качественные, высококачественные (в конце маркировки буква А) и особовысококачественные (в конце маркировки буква Ш) стали.
Конструкционные легированные стали обычно содержат не более 0,5%C, так как большая концентрация приведет к резкому увеличению хрупкости стали после закалки. Преимущества легирования проявляются в результате упрочняющей термической обработки стали.
Преимущества легированных конструкционных сталей.
Преимущества легированных конструкционных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются:
- в возможности улучшения комплекса механических свойств (под комплексом механических свойств понимают сочетание прочности и вязкости. Улучшение комплекса свойств подразумевает получение более высокой прочности при заданной вязкости (или более высокой вязкости при заданной прочности).
- в возможности придания сталям особых свойств: высокой коррозионной стойкости, немагнитности, жаропрочности, жаростойкости и т.д.).
Улучшение комплекса механических свойств легированных сталей по сравнению с углеродистыми обеспечивается:
1) Увеличением прокаливаемости – способности стали закаливаться на мартенсит во внутренних слоях детали, определяющей толщину закаленного слоя (или критический диаметр с заданным количеством мартенсита). Углеродистые стали имеют низкую прокаливаемость вследствие высокой критической скорости закалки Vкр, которая оказывается больше, чем скорость охлаждения Vохл внутренних слоев (рис. 36, а).
Рис. 36. Зависимость толщины закаленного на мартенсит (М) слоя от скорости охлаждения образца Vохл и критической скорости закалки Vкр;. а) М образуется в поверхностном слое, где Vохл> Vкр1;; б) М образуется по всему сечению детали, так как Vохл> Vкр2 во всех точках.
Повышение прокаливаемости при легировании связано со снижением Vкр (рис. 36, б) всеми легирующими элементами, кроме Co.
Рост прокаливаемости позволяет:
- увеличить толщину закаленного слоя, что особенно важно для деталей работающих на сжатие-растяжение,
- уменьшить скорость охлаждения при закалке и таким образом снизить уровень остаточных напряжений, появляющихся за счет неравномерности охлаждения,
- существенно упростить технологию термической обработки и конструирование для деталей больших сечений и сложной формы.
Считается, что повышение прокаливаемости является главным достоинством легированных конструкционных сталей, обеспечивающим улучшение комплекса механических свойств.
2) Увеличением прочности и вязкости ф:
а) В результате термической обработки: частично после нормализации и в полной мере после закалки и высокого отпуска.
Рис. 35. Влияние легирующих элементов на а) предел прочности, б) относительное сужение, (пластичность), в) ударную вязкость Ф в нормализованном состоянии.
В нормализованном состоянии (рис. 35) Cr, Mo, V, W, растворяясь в Ф практически его не упрочняют при малых концентрациях (рис. 35, а), так как имеют с ним одинаковую решетку ОЦК. Введение Si, Ni, Mn упрочняет Ф, имея отличную от Fe решетку. Вязкость Ф растет в случае введения Cr, Mn и Ni (рис. 35, в) вследствие увеличения или прочности или пластичности (рис. 35, а, б).
После высокого отпуска упрочнение Ф вызвано задержкой в нем углерода кремнием и карбидообразующими элементами (Cr, Mo, Nb, V, W, Ti). При этом комплексное легирование несколькими элементами усиливает эффект упрочнения.
б) За счет уменьшения размера зерен введением в малых концентрациях карбидо- нитридо- и оксидообразующих элементов, которые в составе тугоплавких высокодисперсных частиц (карбидов, нитридов, оксидов), находящихся на границах зерен А, сдерживают их рост и тем самым способствуют образованию мелких зерен Ф.
3) Увеличением твердости и диспресности (измельченности) карбидной фазы. При легировании происходит, увеличение твердости и стабильности Ц, а также образование специальных более тугоплавких, чем Ц карбидов на основе сильных карбидообразующих легирующих элементов (Mo, W, V, Nb, Ti). Частицы карбидов обладают большей дисперсностью, чем в углеродистой стали, что особенно проявляется после закалки и высокого отпуска.
4) Увеличением отпускной стойкости или теплостойкости - способности термообработанной легированной стали сохранять структуру и свойства в нагретом состоянии.
При легировании теплостойкость растет с повышением устойчивости мартенсита за счет увеличения прочности межатомных связей легирующими элементами, а также с увеличением стабильности карбидов, сохраняющих высокую дисперсность при нагреве. При этом для получения необходимого сочетания прочности и вязкости можно использовать большие температуры отпуска, что позволяет максимально уменьшить опасные остаточные напряжения, возникающие после закалки.
5) Увеличением хладостойкости - способности стали противостоять хрупкому разрушению при понижении температуры за счет смещения порога хладоломкости в область более низких температур.
Снижение температурного порога хладоломкости при легировании обеспечивается:
- уменьшением размера зерен Ф,
- легированием Ni, а также в незначительных концентрациях Mn, Cr, Mo, Al, Cu, Ti, V, Nb,
- использованием стали в улучшенном состоянии (сорбит),
- переходом от ОЦК к ГЦК – решетке, не имеющей порога хладоломкости, за счет легирования Ni совместно с Cr, а также Mn, N.
Повышение сопротивления коррозии сталей прежде всего вызвано легированием Cr в концентрации не менее 12,5% (стали типа 20Х13, 95Х18). При этом в поверхностном оксидном слое формируется плотная пленка оксида Cr2O3, который обеспечивает сталям большую коррозионную стойкость. Дальнейшее повышение коррозионной стойкости связано с получением однофазной и однородной структуры, имеющей ГЦК решетку (сталь типа 12Х18Н10Т). Сопротивление атмосферной коррозии повышается также при легировании Cu, P, Ni, Cr, Si в небольшой концентрации (до ~1%), достаточной для формирования на поверхности деталей защитного слоя из модифицированного оксида железа.
Кроме железа к металлам, применяющимся в технике, как основа конструкционных сплавов, относятся цветные металлы Al, Mg, Be, Cu, Ti,.
В меньшей степени (для получения жаропрочных и жаростойких материалов) применяется Ni, Mo, W, Ta, Nb.
Сплавы на основе цветных металлов подразделяются на деформируемые и литейные.
Деформируемые сплавы используют в виде различного рода полуфабрикатов (проволоки, ленты, листы, плиты, трубы и т.п.), получаемых пластическим деформированием.
Литейные сплавы используют в виде отливок, имеющих форму заготовок или готовых изделий.
Кроме технологии изготовления между сплавами имеются различия в технологии упрочнения.
Различают сплавы неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой. Для сплавов неупрочняемых термической обработкой повышение прочности производится за счет легирования и холодной пластической деформации. Сплавы, упрочняемые термической обработкой, как правило, подвергаются закалке и старению, приводящему к диперсионному упрочнению.