Лекция 9. Влияние легирующих элементов на критические точки стали. Клас­сификация сталей

Легирующие элементы значительно влияют на критические точки в сталях. В част­ности, они могут интенсивно смещать точку Ас в стали. Подобное влияние легирующих элементов связано с двумя факторами.

Как известно, критическая температура Ас, в углеродистой стати отвечает превраще­нию эвтектоидной смеси перлита α + Fe₃C в аустенит путем фазового перехода α —» γ дис­социаии карбида и растворения углерода в γ - железе. С очной стороны, легирующие элементы изменяют температуру а γ-превращения для феррита, входящего в состав эвтектоида (перлита), и. с другой стороны, влияют на температуру диссоциации эвтектоидных карбидов и последующего растворения углерода и легирующих элементов в γ - же­лезе.

I .. I . I I

D z it 6 S t

Рисунок 39 - Влияние легирования на содержание углерода в звтектоиде (С,)

Как правило, карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру α в γ -превращения, то влияние их на точку Ас особенно сильно (рисунок 38).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цементите, несколько понижают температуру диссоциации карбида. При этом никель и марганец понижают температуру α —> γ перехода и следовательно, снижают точку А_с1. Хром до 12-13 % сравнительно сла­бо повышает точку А_С1|, а при содержании его более 14 % наблюдается резкое повышение температуры А_с1 Подобное влияние объясняется тем. что при содержании до 12-13 % хром понижает температуру α —> γ перехода, и наблюдаемое при этих содержаниях хрома повышение точки A_c1 обусловлено более сильным влиянием повышенных температур диссоциации эвтектоидных карбидов. Закономерности влияния элементов на критические точки в основном сохраняются и в сталях, содержащих одновременно несколько леги­рующих элементов.

Легирующие элементы значительно влияют и на положение эвтектоидной точки S и предельную концентрацию углерода в аустените (точку Е). Некарбидообразующие эле­менты (никель, кобальт, кремний), растворяясь в феррите и замещая часть атомов железа в его решетке, тем самым уменьшают содержание железа в эвтектоиде и смещают точку S в сторону меньших содержаний углерода (рисунок 39). Аналогично влияют и карбидообразующие элементы, которые в большом количестве растворяются в феррите, карбиды ко­торых участвуют в образовании эвтектоида (например, Мn и Сr). Такие элементы, как Мо и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание углерода в эвтектоиде. Име­ются сведения, что сильные карбидообразующие элементы Ti, Nb и V, незначительно растворяющиеся в феррите и образующие стойкие карбиды, которые не участвуют в образо­вании эвтектоида, уменьшают количество эвтектоида в стали и увеличивают содержание углерода в эвтектоиде. т. е. смещают точку S в сторону больших концентраций углерода. В то же время, если Ti, Nb и V растворены в аустените, то они снижают содержащие угле­рода в эвтектоиде (рисунок 39).

Большинство легирующих элементов понижает предел растворимости углерода в γ -железе и, следовательно, смещает точку Е на диаграмме Fe-Fе₃С в сторону меньших концентраций углерода.

Классификация сталей. В настоящее время нет единой классификации специальных сталей. Существует много Признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

Рассмотрим классификацию сталей по наиболее общим признакам.

По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно подразделяются на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стати, высоколегированные стали, сплавы на основе железа:

1)углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов. Их количество в этих сталях должно быть в пределах, регламентированных для примесей соответствующими ГОСТами;

2. в низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов долж­но быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных - от 2,5 до 10 %, в высоколеги­рованных - более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %;

3. сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %, но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

В зависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называются марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, хромомолибденованадие-выми, хромокремнемарганцовистыми и т.п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, ислру мен­тальные, стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и ста­ли и сплавы с особыми свойствами - теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью,износостойкостью.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

Внутри указанной квалификации существуют более узкие подразделения сталей как по назначению, так и по свойствам. Классификация сталей по структуре в значительной степени условна.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. Поэтому в зависимости от сочетания легирующих элементов положение эвтектоидной точки может быть при разном содержании углерода.

Другим условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших изменений после высокотемпературного нагрева (~900^оС). При этом в зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные. Перлитные и бейнитные стали чаше всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные-легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные как правило, высоколегированные. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с пере­численными могут быть смешанные структурные классы: феррита - перлитный, феррито-мартенситный, аустените - ферритный, аустенито - мартенситный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % феррита (как второй структуры).

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качествен­ные, высококачественные, особо высококачественные.

Главными качественными признаками стали являются жесткие требования по хи­мическому составу и, прежде всего, по содержанию вредных примесей, таких как фосфо­ра и серы. Ниже приведено предельное содержание фосфора и серы, % (не более), в ста­лях разной категории качества:

S Р

Обыкновенного качества .... 0,040 0,050

Качественная 0,035 0,0^5

Высококачественная 0,025 0.025

Особовысококачественная... 0,025 0.015

Категория обыкновенного качества может относиться только к углеродистым сталям Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к разным сталям, существуют более частные классификации определенных групп сталей, которые будут рассмотрены в соответствующих частях.

Маркировка сталей. Углеродистые конструкционные качественные стали обозна­чают" двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25...80; 85).

Для сталей полностью не раскисленных (при С< 0,20 %), в обозначение добавляются индексы: кп - кипящая сталь, пс - полуспокойная сталь (например, 15 кп, 20 пс). Для спо­койных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У74 У8; У9; У 10;У11; У12: У13). В легированных сталях основные легирующие элементы обозначают буквами: А -азот. К - кобальт, Т - титан. Б - ниобий, В - вольфрам. Г - марганец. Д - медь. Е - селен. ( М - молибден. Н - никель, П - фосфор. Р -бор, С - кремний. Ф - ванадий. X - хром. Ц -цирконий. Ю - алюминий. Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество того или иного элемента, округленное до целого числа. При среднем содержании леги­рующего элемента до 1.5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание уг­лерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стати) или десятых (инст­рументальные стали) долях процента.

Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42 - 0,50 % С: 0.5 - 0,8 % Мп; 0.8 - 1 0 "о Cr; 1,3 - 1.8 % Ni, 0,2 - 0.3 % Мо и 0,10 - 0,18 % V. обозначается маркой 45ХН2МФ. Ин­струментальная сталь (штамповая) состава:0,32 - 0.40 % С; 0.80 - 1.20 % Si; 0.15 - 0 40 % Mn; 4,5 - 5.5 % Cr; 1,20 - 1,50 % Мо и 0.3 - 0.5 % V обозначается 4Х5МФС.

Если содержание углерода в инструментальных легированных сталях 1% и более, то цифру в начале марки иногда вообще не ставят (например, X. ХВГ).

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к категории высококачест­венной (ЗОХГСА). если та же буква в середине марки - то сталь легирована азотом (МГ2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная повы­шенной обрабатываемости (АМГ2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).

Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (ЗОХГС-Ш или 30ХГСА-Ш).

Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относится к категории каче­ственных (ЗОХГС).

В марках быстрорежущих сталей вначале приводят букву «Р», за ней следует цифра, указывающая содержание вольфрама. Во всех быстрорежущих статях содержит­ся более 4 % Сr, поэтому в обозначении марки буквы «X» нет. Ванадий, содержание кото­рого в различных марках наблюдается в пределах от 1 до 5 %, обозначается в марке, или его среднее содержание 2,0 % и более. Так как содержание углерода в быстрорежу­щих сталях пропорционально количеству ванадия, то содержание углерода в маркиров­ке стали не указывается. Если в быстрорежущих сталях содержится молибден или ко­бальт, количество указывается в марке.

Например, сталь состава: 0,7- 0,8 % С; 3,8 - 4,4 % Cr; 17,0 - 18,5 % W; 1.0-1,4 % V обозначается маркой Р18. а сталь: 0,95 - 1,05 % С; 3,8 -4,4 % Сr; 5,5 - 6 % W; 4,6 - 1,2 5 Мо; 1,8 -2,4 % V и 7,5 - 8,5 % Со обозначается Р6М5Ф2К8.

Высококачественные стали сложного состава иногда обозначают упрощенно по порядковому номеру разработки и освоения стали на металлургическом заводе. Перед но­мером стали ставят индексы «ЭИ», «ЭП» (завод «Электросталь»).

Например, упомянутая быстрорежущая сталь Р6М5Ф2К8 упрощенно обозначается ЭП 658, а жаропрочная 12Х12н8Г8МФБ - ЭИ481.

Маркировка марок жаропрочных и жаростойких сплавов на железоникелевой осно­вах состоит только из буквенных обозначений элементов, за исключением никеля, после которого указывается цифра, обозначающая его среднее содержание в процентах.

Например, сплав состава: 0,12% С; 14,0 -16,0 % Сг; 34,0 - 38,0 % Ni; 1.1 - 1.5 % Ti; 2,8 - 3,5 % W, остальное Fe обозначается ХН35ВТ (ЭИ612), а

сплав: < 0,07 % С; 19.0 -22,0 % Сг; 2,4 - 2,8 % Ti; 0.6 - 1,0 % AI; <4,0 % Fe; остальное - Ni обозначается ХН77ТЮР (ЭИ437).

СНГ	ЧР	ФРГ	Франция	США	япо- ; ния
10	12010	СкЮ	хсю	1010	S9CK
50ХФ	15260	50CrV4	50CV4	6150	SU
У8	19152	C85W2	ХС80	W1-0,8C	SK5
Р18	N9825	В18	Z80W18	Т1	SKH2
12X13	17021	Х10Сг13	Z12C13	410	SEC1
12Х18Н9	17241	Z12CrNil8-8	Z12CN18-8	302	SEC7

Так. буквенно-цифровая система используется в БНР. ВНР. ПНР. ФРГ. Италии. Франции и других странах. В ряде стран применяют цифровое обозначение марок ста­лей. В капиталистических странах зачастую фирмы присваивают сталям рекламные обо­значения [например. Welten 80 (свариваемая). Сопеп (стойкая к атмосферной коррозии) н др.].