Почти все монокарбиды и мононитриды образуют друг с другом неограниченные твердые растворы, поэтому в сталях обнаруживается формирование комплексных карбонитридных фаз.
V(C, N), а если известно соотношение между С и N, то
V(C0,6N0,4).
Переходные металлы VI-VIII групп образуют в стали по 2…3 карбида с различной сложной кристаллической структурой. Карбиды WC и MoC и карбиды W2C и Mo2C имеют
соответственно простую и плотноупакованную гексагональные решетки. Область гомогенности этих карбидов невелика, они могут взаимно растворяться.
Карбид Cr7C3 образуется обычно в конструкционных сталях
с содержанием хрома до 3…4%. Этот карбид имеет сложную гексагональную решетку с 80 атомами на одну
элементарную ячейку.
Карбид Cr23C6 образуется в высоколегированных хромистых
сталях при высоком содержании хрома – выше 5…8%. Он имеет сложную ГЦК решетку, элементарная ячейка которой
содержит 116 атомов, в том числе металла 9211и углерода 24.
Карбиды железа относятся к наименее стойким по сравнению с карбидами легирующих элементов. Основной карбид железа – цементит, промежуточные карбиды в сталях - -карбид, иногда - и -карбиды. Цементит имеет сложную ромбическую решетку, элементарная ячейка которой содержит 96 атомов (Fe – 72, С – 24). Атомы железа в цементите могут замещаться атомами некоторых легирующих элементов: марганца, хрома, которые повышают устойчивость цементита в стали.
Нитрид CrN образуется в сталях с азотом (аустенитные
нержавеющие), имеет ГЦК решетку типа NaCl, аналогичную решетке нитридов IVи V групп.
12
Интерметаллиды в сталях
Фазы, образующиеся в результате взаимодействия основного компонента сплава с легирующими элементами или легирующих элементов между собой, называются
интерметаллидами.
Интерметаллиды имеют кристаллическую решетку, отличную от решеток компонентов. Они оказывают влияние
на упрочнение в аустенитных и мартенситостареющих сталях, многих жаропрочных сплавах на никелевой и кобальтовой основах.
Различают: электронные соединения, -фазы, фазы Лавеса, геометрически плотноупакованные фазы.
13
Электронные соединения (фазы Юм-Розери) имеют решетки типа ОЦК, ГЦК, ГПУ. Они образуются между одновалентными (Cu, Ag, Li) металлами или металлами переходных групп (Fe, Mn, Co), с одной стороны, и металлами с валентностью от 2 до 5 (Al, Be, Mg, Zn) – с другой стороны. Это фазы переменного состава Соединения этого типа имеют определенную электронную концентрацию, т.е. определенное отношение числа валентных электронов к
числу атомов: 3/2, 21/13, 7/4. Фазы с такими значениями электронной концентрации принято обозначать соответственно -, -, -фазами.
К- соединениям, имеющим ОЦК решетку, относятся CuZn, CuBe, Cu3Al.
К-соединениям, имеющим сложную кубическую решетку,
относятся Cu5Zn8, Co5Zn21, Fe5Zn21.
К - соединениям с гексагональной решеткой относятся CuZn3, Cu3Sn, Cu3Si.
14
Сигма-фазы образуются на базе переходных металлов с близкими атомными диаметрами (различия до 8%)(например, Fe-Cr).
-фазы имеют тетрагональные или сложные ромбоэдрические элементарные ячейки с наличием плотно упакованных слоев атомов, смещенных по отношению друг к другу и расположенных на относительно больших расстояниях. Это также фазы переменного состава.
Выделение -фазы происходит при длительных выдержках
(медленном охлаждении) в интервале температур 500…
Кинетика образования -фаз
причиной сильного охрупчивания. описывается С-образной кривой,
положение которой определяется составом сплава и его предысторией (рис.).
-фазы понижают жаропрочность, т.к. большие
количества тугоплавких элементов
– упрочнителей выводится из матрицы сплава. Кроме того,
разрушение при 15 повышенных
температурах происходит
Фазы Лавеса образуются между компонентами А и В, расположенными в любом месте периодической системы, при отношении их атомных диаметров от 1,1 до 1,6, обычно 1,2. Они имеют формулу А2В, например Fe2Ti, Cr2Ti, Fe2Mo,
Fe2Nb, Co2Ti. Имеют ГПУ или ГЦК решетку. Они охрупчивают
материал при комнатной температуре, но менее опасны при повышенных температурах.
Геометрически плотноупакованные фазы или соединения типа А3В представляют собой выделения упорядоченных ГЦК
( ’), ОЦК ( ’’) и ГПУ -фаз из аустенитных матриц. Упрочняют сплав без заметного охрупчивания. Обычно в никелевых жаропрочных сплавах основная упрочняющая ’-фаза – это соединение Ni3Al. В этой фазе могут растворяться различные
легирующие элементы: кобальт, титан, ниобий, ванадий
замещают никель, а тантал – алюминий.
16
СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ
К строительным сталям относятся конструкционные стали, применяемые для изготовления металлических конструкций и сооружений, а также арматуры железобетона. Требования: определенное сочетание прочности и пластичности, высокая вязкость, коррозионная стойкость, малая склонность к хрупким разрушениям, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Строительные стали для металлических конструкций подразделяют по категориям прочности на несколько
классов. Каждый класс прочности характеризуется минимально гарантированными значениями временного сопротивления (числитель) и предела текучести (знаменатель): С380/230 – стали нормальной прочности; С460/330 и С520/400 – стали повышенной прочности;
С600/450, С700/600, С850/750 – стали высокой прочности.
По хладостойкости строительные стали делят на стали без гарантированной хладостойкости, стали хладостокие до -40°С и стали для металлоконструкций, эксплуатируемых
ниже -40°С.
Свариваемость характеризуется углеродным17эквивалентом:
Углеродистые стали обыкновенного качества.
Феррито-перлитная структура.
Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества в зависимости от назначения и гарантируемых при поставке свойств разделяют на три группы: А, Б, В.
Стали группы А поставляют с регламентированными механическими свойствами. Химический состав их не
нормируется. Применяются в конструкциях, не требующих горячей обработки (ковки, штамповки).
Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом, без гарантии механических свойств. Их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке (ковке, штамповке), которая и обеспечивает свойства.
Стали группы В поставляют в регламентированными механическими свойствами и химическим составом. Их применяют для изготовления сварных конструкций и ответственных деталей.
Углеродистые стали обыкновенного качества бывают |
|||
спокойными |
(содержание |
кремния |
18 0,12…0,30%); |
Обозначение - «Ст», за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер стали, а не среднее содержание углерода. С повышением номера от Ст1 до Ст6 содержание углерода в стали повышается. Группы Б и В указываются впереди марки, Группа А в обозначении не указывается. После номера марки обозначают степень раскисления: сп, пс, кп. Степень раскисления мало
влияет на прочность и пластичность стали, однако оказывает значительное влияние
на ударную вязкость и хладноломкость. Порог хладноломкости кипящей стали на 30…40°С выше, чем у спокойной (полуспокойная занимает промежуточное положение). На рис. показано
изменение КСU от -40 до +80°С. Эти стали называют сталями
общего назначения.
19
Термоупрочненные стали.
Метод термоупрочнения проката: после прокатки сталь из аустенитного состояния охлаждается ускоренно, в результате чего образуются более низкотемпературные продукты распада аустенита.
В горячекатаной стали аустенит по всему сечению распадается в верхней части перлитной области, образуя феррито-перлитную структуру. При термоупрочнении
температура превращения перлита значительно понижается, в результате чего в центральной зоне прутка частично предотвращается выделение избыточного феррита и получается перлит более дисперсного строения, иногда бейнит. В поверхностных слоях возможно образование мартенсита, но из-за высокой температуры мартенситного превращения (Мн=400…450°С при 0,2%С) протекает
самоотпуск мартенсита.
Прочность стали возрастает в 1,3…1,5 раза при сохранении пластичности, снижается порог хладноломкости.
Термоупрочненная углеродистая сталь для сварных металлических конструкций обозначается ВСтТсп, ВСтТкп..
Такая сталь содержит 0,1…0,21%С и 0,4…0,65%Mn20 .