КОНСТРУКЦІЙНІ ЛЕГОВАНІ СТАЛІ

ЦІЛЬ РОБОТИ

Вивчити мікроструктуру й властивості конструкційних легованих сталей

ПРИЛАДИ Й МАТЕРІАЛИ

Мікроскопи, колекції мікрошліфів легованих сталей, таблиці хімічних складів сталей, наочні приладдя й довідкові матеріали

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ

Класифікація легованих сталей

По експлуатаційних ознаках залежно від призначення розрізняють три класи сталей і сплавів.

1. Конструкційні сталі й сплави, що призначають для виготовлення деталей машин, існують 2 групи:

а) працюючих в умовах звичайних температур;

б) працюючих в умовах підвищених температур (окалиностійкі);

2. Інструментальні сталі й сплави, що призначають для виготовлення різного виробничого інструмента й оснащення (3 групи):

а) різального інструменту;

б) штампів;

в) вимірювального інструмента;

3. Сталі й сплави з особливими властивостями, що володіють певними специфічними фізичними, хімічними або механічними параметрами (6 груп)

а) нержавіючі;

б) з високим електроопором;

в) електротехнічні;

г) з особливим тепловим розширенням;

д) магнітні;

е) жароміцні й жаростійкі.

Виробничо-технологічна класифікація побудована по ряду ознак: хімічному складу, основному легуючому елементу, кількості легуючих елементів, загальному змісту легуючих елементів, структурі у відпаленому стані, структурі після охолодження на повітрі.

- По хімічному складу визначають, які легуючі елементи й у яких кількостях присутні в сталі.

- Залежно від кількості елементів, що одночасно що одночасно присутні в сталях розрізняють потрійні, четверні й складнолеговані сталі.

Потрійні містять залізо, вуглець і один легуючий елемент. Четверні - 2 легуючих елемента, складнолеговані - 3 і більше.

- Основний легуючий елемент групи:

1) хромиста;

2) марганцева;

3) хромомарганцева;

4) хромокремнієва;

5) кремнієвомарганцева;

6) хромомолібденова й хромовольфрамова;

7) хромованадієва;

8) нікелемолібденова;

9) хромонікелева;

10) хромокремнієвомарганцева;

11) хромомарганцевонікелева й хромокремнієвонікелева;

12) хромоникелевольфрамовая й хромоникелемолибденовая;

13) хромонікелевольфрамованадієва й

хромонікелемолібденованадієва;

14) хромоалюмінієва.

- Загальний зміст: Низьколеговані (до 3%) Средньолеговані ( від 3 до 10%) Високолеговані (понад 10%)

- За структурою у відпаленому стані визначають структуру легованої сталі в рівноважному стані. За цією ознакою леговані сталі ділять на доевтектоїдні, які містять у структурі вільний ферит, заевтектоїдні - надлишкові карбіди, ледебуритні - первинні карбіди, що виділилися з рідкої фази.

- За структурою після охолодження на повітрі визначають структуру сталі після нормалізації. Три класи: перлітний, мартенситний, аустенітний. За структурою сталі повністю встановлюють їхні властивості. Наприклад, сталь, що має перлітну структуру, має невелику твердість і високу пластичність, а сталь, що має мартенситну структуру, досить тверда й крихка. До сталей перлітного класу належить більшість конструкційних і інструментальних. Мартенисті сталі використовують рідко. Сталі аустенітного класу містять до 20-30% легуючих елементів. До них відносять хромонікелеві нержавіючі, деякі жароміцні, високомарганцієві зносостійкі, а також інші сталі з особливими властивостями. Сталі , що мають первинні карбіди у структурі, часто називають карбідними.

Леговані сталі можна класифікувати стосовно термічної обробки на цементуємі, та поліпшувані. Цементуємі сталі є низьковуглецевими; вони містять до 0,25% С, один або кілька легуючих елементів, що сприяють зміцненню при цементації. Деталі із цементуючих сталей піддаються хіміко-термічній обробці - цементації й іонуванню. Сталі, що поліпшуються, піддають загартуванню й високому відпуску або азотуванню, вони містять у середньому 0,25-0,45% С.

По технологічних ознаках з урахуванням оброблюваності сталі розділяють на деформуємі, ливарні, такі, що піддаються холодній механічній обробці різанням, термічно оброблювані і т.д.

Конструкційні леговані сталі ділять по призначенню на: цементовані, що поліпшуються, для виготовлення деталей машин; будівельні, які застосовуються в будівельних і корпусних конструкціях; ресорно-пружинні та ін. Крім того їх класифікують по хімічному складу. Наприклад: хромисті, хромонікелеві.

Леговані сталі – сталі, до складу яких крім вуглецю й домішок цілеспрямовано вводять один або кілька легуючих елементів для забезпечення необхідної міцності, пластичності, в'язкості й ін. технологічних і експлуатаційних властивостей. Легування проводиться з метою зміни механічних властивостей (міцності, пластичності, в'язкості), фізичних властивостей (електропровідності, магнітних характеристик, радіаційної стійкості) і хімічних властивостей (корозійної стійкості).

Легуючий елемент це елемент, що спеціально вводиться в сталь для зміни її будови й властивостей. Концентрація легуючих елементів може бути різної, у т.ч. і дуже малою. Коли концентрація елемента становить менш 0,1% легування сталі прийнято називати мікролегуванням.

Основні легуючі елементи - це хром (Cr), нікель (Nі), марганець (Mn), кремній (Sі), молібден (Mo), ванадій (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Tі), алюміній (Al), мідь (Cu), ніобій (Nb), кобальт (Co).

Структурні класи легованої сталі

Леговані сталі застосовуються дуже широко. Їхнє використання обумовлене, як правило, тими властивостями, які їм надають спеціально додані легуючі елементи. Леговані сталі залежно від домішок і їх кількості мають різну структуру, що визначає не тільки їх властивості, але також і класифікацію легованої сталі на різні структурні класи, яких налічується п'ять.

Структурні класи легованої сталі містять у собі перлітний, мартенситний, аустенітний, феритний і карбідний класи.

Легована сталь перлітного класу має структуру перліту, а також може мати структуру однієї з різновидів перліту: сорбіту або трооститу.

Сталі мартенситного класу мають знижену швидкість загартування, а сталі аустенітного класу мають знижену температуру розпаду аустеніту - він зберігається навіть при кімнатній температурі.

Сталі феритного класу відрізняються тим, що здатні зберігати свою структуру при дуже високих температурах, а також при розплавлюванні й наступному охолодженні, причому з будь-якою швидкістю. Структура карбідних легованих сталей відрізняється підвищеним вмістом різного роду карбідоутворюючих елементів. Також леговані сталі можна розділити по призначенню: конструкційні й інструментальні.

Сталі перлітного класу характеризуються малим вмістом легуючих елементів; мартенситного - більш значним змістом; аустенітного - високим змістом легуючих елементів.

Рис. 1. Діаграми ізотермічного розпаду аустеніту а - для сталей перлітного класу; б - для сталей мартенситного класу; в - для сталей аустенітного класу

1. У міру збільшення змісту легуючих елементів стійкість аустеніту в перлітній області зростає, а температурна область мартенситного перетворення знижується.

Для сталей перлітного класу крива швидкості охолодження на повітрі перетинає область перлітного розпаду (малюнок 1,а), тому утворюються структури перліту, сорбіту або трооститу.

Для сталей мартенситного класу область перлітного розпаду зміщена вправо (малюнок 1, б). Охолодження на повітрі не приводить до перетворень в перлітній області. Аустеніт переохолоджується до температури мартенситного перетворення й відбувається утвір мартенситу.

Вплив вуглецю на властивості сталі. Для сталей аустенітного класу збільшення вмісту вуглецю й легуючих елементів зміщує вправо область перлітного розпаду, а також знижує мартенситну крапку, переводячи її в область негативних температур (малюнок 1,в). Сталь охолоджується на повітрі до кімнатної температури, зберігаючи аустенітний стан.

2. По ступеню легування (по змісту легуючих елементів):

• низьколеговані - 2,5.. .5 %;

• середньолеговані - до 10 %;

• високолеговані - більш 10%.

3. По числу легуючих елементів:

• трикомпонентні (залізо, вуглець, легуючий елемент);

• чотирикомпонентні (залізо, вуглець, два легуючі елементи) і так далі.

4. По складу:

• Нікелеві;

• Хромисті;

• Хромонікелеві;

• хромонікельмолібденові і так далі (ознака-наявність тих або інших легуючих елементів).

Маркування легованих сталей

Для позначення марок сталі розроблена буквено-цифрова система маркування легованих сталей. Кожна марка сталі містить певну комбінацію букв і цифр.

Легуючі елементи позначають наступними буквами російського алфавіту:

А - азот, К - кобальт, Т - титан, Б - ніобій, М - молібден, Ф - ванадій, В - вольфрам, Н - нікель, Х - хром, Г - марганець, П - фосфор, Ц - цирконій, Д - мідь, Р - бор, Ю - алюміній, Е - селен, С - кремній, Ч - лужноземельні метали.

Цифра, що стоїть після букви, вказує середній зміст легуючого елемента у відсотках. Якщо цифра відсутня, то зміст легуючого елемента 1%. Цифри на початку марки конструкційної легованої сталі відповідають змісту вуглецю в сотих долях відсотка.

Наприклад, сталь 40ХН у середньому містить 0,40% C, 1% Сr, 1% Nі. Букви наприкінці марки означають, що сталь високоякісна - A або особливо високоякісна - Ш.

Буква А в середині марки сталі показує вміст азоту, а наприкінці - сталь високоякісна.

Для конструкційних марок сталі перші дві цифри показують зміст вуглецю в сотих долях відсотка. Якщо зміст легуючого елемента більше 1%, то після букви вказується його середнє значення в цілих відсотках. Якщо зміст легуючого елемента близько 1% або менше, те після відповідної букви цифра не ставиться.

Наприклад, сталь 18ХГТ містить, %: 0,18 С, 1 Cr, 1 Mg, близько 0,1 Тi; сталь 38ХГОМФА - 0,38 С, 1,2-1,5 Сr; 3 Nі, 0,3-0,4 Мо, 0,1-0,2 V; сталь 30ХГСА - 0,30 С, 0,8-1,1 Сr, 0,9-1,2 Мg, 0,8-1,2; сталь ОЗХ13АГ19 - 0,03 С, 13 Сr, 0,2-0,3 N. 19 Мg.

В інструментальних сталях на початку позначення марки сталі ставиться цифра, що показує вміст вуглецю в десятих долях відсотка. Початкову цифру опускають, якщо вміст вуглецю близько 1% або більше.

Наприклад, сталь 3Х2В8Ф містить, % 0,3 С, 2% Cr, 8% W, 0,2-0,5 V; сталь 5ХНМ -0,5 С, 1 Cr, 1 Ni, до 0,3 Мо; сталь ХВГ- 1 С, 1 Cr, 1 Ni, 1 Мg.

Для деяких груп сталей приймають додаткові позначення, Марки автоматних сталей починаються з букви А, підшипникових - з букви Ш, швидкорізальних - з букви Р, електротехнічних - з букви Э, магнітно-стійких - з букви Е.

Нестандартні леговані сталі, позначають комбінацією букв ЭИ (електросталь дослідницька) і ЭП (електросталь пробна) або ЗИ. У всіх випадках після комбінації букв іде порядковий номер сталі, наприклад, ЭИ417, ЭП67, ДИ8 і т.д..

Деякі сталі містять додаткові позначення. Наприклад, марки шарикопідшипникових сталей починаються з букви Ш.