Основные принципы легирования

Целесообразно вводить несколько легирующих элементов, но понемногу. Легированные стали после термической обработки проявляют более высокие эксплуатационные свойства, чем углеродистые.

Рационально использование экономно легированных сталей. Они дешевле, не уступают по прочности, но обладают меньшей ударной вязкостью и хладностойскостью.

Необходимые технологические и потребительские свойства обеспечиваются рациональным выбором химического состава, термической обработки или поверхностного упрочнения.

Классификация легированных сталей

1. По степени легирования:

• Низколегированные – до 5% ЛЭ

Производятся в виде листа или профиля. Такие материалы используют в сельскохозяйственном машиностроении, судостроении, вагоностроении, в химической промышленности и т.д. Из них изготавливаются элементы конструкций мостов, газопроводы, нефтепроводы, трубы для Сибири и севера.

sB, Мпа	sт, Мпа	d, %	Хладостойкость	KCU-60о, Мдж/м2
до 800	до 700	до 20	-70…-50оС	до 0,6

Такие стали имеют достаточные технологическое свойства, из можно пластически деформировать, сваривать. Верхний порог хладоломкости растет с увеличением содержания углерода. Имеют расширенный интервал температур перехода в ломкое состояние.

Основные характеристики зависят от содержания и выбора легирующих элементов. Наиболее эффективно комплексное легирование, т.е. введение двух или трех легирующих элементов.

• Среднелегированные – 5…10% ЛЭ

• Высоколегированные – свыше 10% ЛЭ.

2. По структуре в отожженном состоянии:

• Доэвтектоидные (Ф+П)

• Заэвтектоидные (П+К_II)

• Ледебуритные (К_I+П)

В ледебуритных сталях карбиды образуют с аустенитом эвтектику (ледебурит), которая при обработке давлением (ковкой или прокаткой) разбивается на отдельные сравнительно более мелкие карбиды и аустенит или продукты его распада.

3. По структуре в нормализованном состоянии:

• Перлитные – содержат не более 5..6% ЛЭ. Аустенит распадается с образованием ферритно-цементитной смеси. 18ХГТ, 40Х, ХВГ, 5ХНМ, 30ХГСА.

• Мартенситные – содержат повышенное количество элементов, расширяющих гамма-область. После охлаждения на воздухе структура представляет собой легированный мартенсит. 12ХН3А, 18Х2Н4ВА.

• Аустенитные – содержат от 12 до 30% ЛЭ. Для этих сталей характерно содержание аустенита при комнатной температуре. Г13 (износостойкая), 1Х14Н14В2М.

4. По химическому составу – классифицируют на группы в зависимости от всех элементов, которые составляют основу легирования.

• Хромистые

Введение хрома позволяет закаливать стали в масле, что обеспечивает исключение деформации и коробления.

sВ, Мпа	s0,2, Мпа	d, %	KCU, МДж/м2
700…900	500…750	10…12	0,7…0,8

Применяют для средненагруженных деталей небольшого размера в машиностроении и сельском хозяйстве.

• Хромоникелевые

Введение 3-4% никеля заметно повышает ударную вязкость и прокаливаемость (критический диаметр до 100 мм)

Свойства сталей после закалки и отпуска при 600^оС:

Применяют для крупных высоконагруженных деталей.

• Молибденсодержащие

30ХМ, 35ХМ, 38ХМА, 30Х3МФА

sВ, Мпа	s0,2, Мпа	Не чувствительны к отпускной хрупкости II рода
1200	1000

• Комплекснолегированные

Применяют для крупных ответственных деталей (роторы турбин).

Свойства сталей после закалки и отпуска при 600^оС:

5. По отношению к термической обработке:

• Цементуемые - подвергаются в основном стали 0,08-0,25%С.

Характерное отличие цементованных сталей – способность значительно упрочняться в результате термической обработки. После цементации проводят закалку и низкий отпуск.

Свойства некоторых цементованных сталей:

• Улучшаемые

Стали этой группы содержат 0,3-0,5%С и подвергаются закале и высокому отпуску. Улучшению подвергаются хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и другие стали, рассмотренные ранее.

6. По назначению:

• Конструкционные (различные детали машин);

• Стали особого назначения (специальные детали);

• Инструментальные.

Конструкционные стали

Легированные конструкционные стали применяются для наиболее ответственных и тяжело нагруженных деталей машин. Практически всегда эти детали подвергаются окончательной термической обработке — закалке с последующим высоким отпуском в районе 550—680 °C (улучшение), что обеспечивает наиболее высокую конструктивную прочность. Легирующие элементы — химические элементы, которые вносят в состав конструкционных сталей для придания им требуемых свойств. Ведущая роль легирующих элементов в конструкционных сталях заключается и в существенном повышении их прокаливаемости. Основными легирующими элементами этой группы сталей являются хром (Cr), марганец (Mn), никель (Ni), молибден (Mo), ванадий (V) и бор (В). Содержание углерода (С) в легированных конструкционных сталях — в пределах 0.25-0.50 %

Отдельная группа в конструкционных сталях – высокопрочные (ВКС): s_В≥1500 МПа. Их применение ограничено высокой стоимостью и высокой склонностью к хрупкому разрушению. При их использовании необходимо учитывать ряд особенностей:

• Высокая чувствительность к надрезам;

• Низкое сопротивление развитию трещин;

• Высокое сопротивление зарождению трещин;

• Склонность к замедленному разрушению;

• Высокая чувствительность к внешней среде (особенно содержащей Н₂).

Примеры марок: 30ХГСНА, 20Х2ГСН2ВМ (s_В=1600-1700 МПа, d=10%), 40ХН2СМ (ВКС-1), 30Х2Г (ВКС-3), 40ХС3Н5К2МФ (ВКС-12).

Обязательными элементами для этой группы сталей являются Cr, Ni, Mg, Si, Mo.

Стали особого назначения

1. Автоматные

Автоматные стали отличаются хорошей обрабатываемостью резанием и предназначены для изготовления деталей массового производства на станках-автоматах. Они имеют повышенное содержание S, P или легированы Pb.

Обозначаются буквой А в начале маркировки и цифрой, указывающей процентное содержание серы и фосфора в сотых долях процента. Если в стали присутствует свинец, то в маркировке после буквы А ставится буква С.

Все автоматные стали делятся на:

• Сернистые А11, А12, А20, А30 и др.

• Свинцовосодержащие АС14, АС40

• Легированные АС45Г2

• Селеносодержащие А35Е

• Кальцесодержащие АЦ20 (кальций 0,002-0,008%)

2. Коррозионностойкие (нержавеющие)

Коррозия – процесс разрушения материала под воздействием внешней среды.

Устойчивость сталей против коррозии достигают введением элементов, образующих на поверхности плотные прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту стали с агрессивной средой.

Основной легирующий элемент коррозионных сталей – хром в содержании более 12%.

Хромистые стали применяют трех типов:

- около 13% Cr - содержание углерода может варьироваться в зависимости от

предъявляемых требований 0,08…0,4%;

- около 17% Cr;

- около 27% Cr.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода.

Стали с низким содержанием углерода (08Х13, 12Х13) пластичны, хорошо свариваются, штампуются. Их подвергают закалке (1000-1250^оС) с охлаждением в масле и последующим высоким отпуском (600-800 ^оС). Их применяют для изготовления деталей, испытывающих ударные нагрузки (колонны гидравлических прессов) или работающих в слабоагрессивных средах (лопатки паровых турбин, детали компрессоров). Такие стали можно использовать длительно при Т<400 ^оС или кратковременно при Т< 550 ^оС.

Среднеуглеродитстые стали (30Х13, 40Х13) обладают высокой твердостью, закаливаются при Т=1000-1350 ^оС в масле, отпуск 200-300 ^оС. Сохраняют мартенситную структуру. Их используют для изготовления пружин, хирургических инструментов и др.

Высокохромистые стали ферритного класса обладают самой высокой коррозионной стойкостью. Термической обработкой не упрочняются, т.к. содержат мало углерода. Используются как окалиностойкие.

В соответствии со структурой, получаемой после нормализации, хромистые стали делят на:

Стали мартенситно-ферритного класса содержат более 10% феррита в структуре.

Наряду с хромистыми в качестве коррозионно-стойких используются хромоникелевые стали, имеющие аустенитную структуру:

Наибольшее распространение в промышленности получила коррозионностойкая сталь 12Х18Н9. Недостатком этой стали и других хромоникелевых сталей является склонность к межкристаллитной коррозии (МКК).

Схема межкристаллитной коррозии хромо-

никелевых коррозионностойких сталей:

Проявляется МКК при нагреве хромоникелевой стали до Т=500…700^оС. По границам зерен выделяются дисперсные карбиды хрома Cr₂₃C₆. Вследствие низкого коэффициента диффузии легирующих элементов в образовании карбида участвуют только атомы хрома, расположенные в приграничных участках зерен. В результате приграничные участки обедняются хромом и при его содержании менее 13% перестают быть коррозионностойкими.

При контакте с химически активной средой такая сталь начинает корродировать по границам зерен, связь между ними нарушается и материал теряет свою прочность. При этом деталь сохраняет форму и габариты, поэтому внешне обнаружить МКК нельзя.

Для предупреждения МКК необходимо устранить возможность образования карбидов.

Методы борьбы с МКК:

• Снижение содержания углерода;

• Использование более сильных, чем хром, карбидообразующих элементов (титан, ниобий).

Рекомендации по применению коррозионностойких сталей:

Марка стали	Тmax, оС	Применение
12Х17Г9АН4	400	Силовые сварные конструкции, детали из сорта, штамповка, трубные заготовки
12Х18Н9Т	800
07Х16Н6-Ш	400	Силовые сварные конструкции, в том числе для баллонов, работающих под давлением в солевых растворах
Х18Н9Б	800	Арматура и другие литые детали трубопроводов
20Х13	400	Детали топливных и масляных систем агрегатов, работающих на трение без концентраторов напряжения в слабоагрессивных средах
14Х17Н2 (более технологична)
ХН60ВЮС	500	Для пружин и упругих чувствительных элементов агрегатов топливных и масляных систем и деталей передаточных мех-мов
НХИГ	600
Х12НМБФ-Ш	600	Сварные конструкции двигателей летательных аппаратов из листа и сорта
12Х18Н1ТТ	800

3. Жаростойкие

Жаростойкие (окалиностойкие) стали – стали, устойчивые к газовой коррозии при высоких температурах.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют хромом, алюминием, кремнием – элементами, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, и образуют на поверхности стали плотные оксидные пленки.

Жаростойкость пропорциональна содержанию отмеченных ЛЭ в стали:

Различают две основные группы:

• Высокохромистые с ферритной структурой: 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28, 05Х25Ю5 и др.

Термическая обработка – нормализация с нагревом до 760-800 ^оС.

• Хромоникелевые с аустенитной структурой: 08Х18Н9Т, 20Х23Н18, 20Х25Н20С2 и др.

Термическая обработка: закалка от 1100-1150 ^оС с охлаждением в воде, масле или на воздухе.

Применение жаростойких сталей:

Марка стали	Тmax, оС	Применение
12Х13	500	Детали паровых турбин, паропроводы, паровые котлы
40Х9С2	650	Выпускные клапаны двигат.внутр.сгор., теплообменники
08Х17Т	900	Теплообменники
10Х13СЮ	950	Устойчива в серосодержащих средах, но охрупчивается из-за алюминия
12Х18Н10Т	800	Детали печной арматуры, муфели и реторты печей, детали выхлопных систем
36Х18Н25С2	1100	Устойчива в средах с повышенным содержанием серы, применяется в газотурбинных установках

4. Жаропрочные

Жаропрочность – способность металлов сопротивляться деформации и разрушению при длительном воздействии нагрузки при повышенных температурах.

Жаропрочные стали используются при работе под нагрузкой при температурах, выше 500^оС в течении заданного промежутка времени.

Легирование вносит существенный вклад в повышение жаропрочности:

- Возрастает энергия межатомных связей в твердом растворе=>

затормаживаются диффузионные процессы;

- Формируется гетерогенная структура после ТО, состоящая из твердого раствора

и дисперсных карбидных или интерметаллических фаз, когерентных с основой.

Жаропрочные стали бывают:

• Перлитного класса: 12Х1МФ, 25Х1М1Ф, 20Х1М1Ф1БР

Оптимальный комплекс свойств после закалки в масло (880-1080 ^оС) и высокого отпуска (640-750 ^оС).

Используют для деталей длительного действия – более 10 000 часов, работающих в режиме ползучести, до Т=580 ^оС при малых нагрузках: арматура паровых котлов, трубы парогенераторов, паронагреватели и. т.д.

• Мартенситного и мартенситно-ферритного класса: 15Х11МФ, 11Х11Н2В2МФ, 18Х12ВМБФР.

Оптимальный комплекс свойств после закалки на мартенсит с температуры 1000-1100 ^оС в масло или на воздухе.

Используют при температуре до 600 ^оС для газовых турбин и паросиловых установок.

• Аустенитные.

Оптимальный комплекс свойств после закалки (1100-1160 ^оС) на воздухе или в воде.

Используют при температуре до 750 ^оС.

08Х15Н24В4ТР, 09Х14Н19В2БР – для изготовления трубопроводов, силовых установок высокого давления;

45Х14Н4В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС – для клапанов авиационных двигателей;

10Х11Н23Т3МР, 10Х11Н20Т3Р – стали с интерметаллидным упрочнением. Используются для камер сгорания, дисков и лопаток турбин.

Кроме сталей, в качестве жаропрочных используют сплавы на железо-никелевой основе: ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др. – используют для изготовления турбинных лопаток, колец соплового аппарата.

Жаропрочность никеля обусловлена механическими и физическими свойствами самого металла-основы, а также способностью ГЦК-решетки никеля растворять большое количество ЛЭ и образовывать с алюминием особую упрочняющую фазу. Одновременно сплавы никеля являются жаростойкими при температуре до 1000 ^оС.

Жаропрочность и жаростойкость сплавов на основе переходных металлов:

5. Стали с высокой циклической прочностью

Выносливость – свойство противостоять усталости.

Схематическое изображение полной кривой усталости:

s_В – предел прочности; s_т^д – динамический предел текучести; s_К – критическое напряжение; s_R - предел выносливости; s_Т^Ц – циклический предел текучести; s_У^Ц – циклический предел упругости; N_К – критическое число циклов; N_W –базовое число циклов.

Особенности усталостного разрушения:

• Низкие разрушающие напряжения (до s_0,2);

• Разрушение начинается на поверхности либо в её близи;

• Разрушение избирательно, или локализовано – начинается в местах концентраторов напряжений или концентраторов деформаций;

Разрушение начинается постепенно и включает несколько стадий:

1. Формирование повреждений.

2. Образование микротрещин.

3. Слияние микротрещин в одну или несколько.

4. Развитие трещины.

5. Окончательное разрушение – долом.

Такая стадийность процесса определяет специфическое строение усталостного излома:

1 – очаг, или место образования трещины

2 – усталостное разрушение (развитие трещин усталости)

3 – долом

Характер распространения усталостной трещины определяется критерием Ирвина: трещина начинает распространятся тогда, когда коэффициент интенсивности напряжений достигает критической величины: К=К_С. Коэффициент интенсивности напряжений К~ , где – длина трещины. Критический коэффициент интенсивности напряжений К_С является механической характеристикой твердого тела, часто называемой трещиностойкостью.

Схемы усталостных изломов при различных видах нагружения:

I – осевая нагрузка

II – односторонний

плоский изгиб

III – двухсторонний

плоский изгиб

IV – изгиб

вращающегося

образца

Применяют стали с нормальной и повышенной статической прочностью, среди них углеродистые стали 35, 40, 45, 50, 55 и низколегированные 40Х, 50Х, 40ХН, 40ХН2МА.

Выносливость может быть повышена в результате поверхностного упрочнения.

Повышение предела выносливости валов при поверхностном упрочнении:

6. Рессорно-пружинные стали

Пружинные стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (предел упругости) и высоким пределом усталости при достаточной пластичности.

Основные пружинные стали содержат 0,5-0,7%С и бывают:

• Углеродистые: 60, 65, 70, 75, 80, 85;

• Низколегированные: 60Г, 65Г, 70Г;

• Углеродистые инструментальные: У7А, У8А (характерна термомеханическая обработка);

• Комплексно легированные стали: 70С2ХМВФА (сталь с повышенной прокаливаемостью);

• Для пружин специального назначения:

- высокохромистые: 30Х13, 40Х13;

- хромоникелевые: 12Х18Н9, 08Х18Н10Т.

Химический состав некоторых пружинных сталей:

Способы упрочнения:

1. Закалка 1100^оС в воду на структуру аустенита; d=40%, s_0,2=300МПа.

2. Холодной деформацией.

3. Комбинированная термомеханическая обработка :закалка->холодная пластическая деформация (Т>Т_рекр)->старение.

Свойства некоторых пружинных сталей:

Пружинные стали можно также классифицировать по структуре. Например, мартенситосодержащие стали (03Х11Н10М2Т), метастабильные аустенитные стали (трип-стали: 30ХГСН2А – используются в низкоотпущенном состоянии и после изотермической закалки).

7. Износостойкие стали