Влияние легирующих элементов на свойства сталей

Кремний (С), находясь в твердом растворе с ферритом, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость и стойкость против коррозии. В малоуглеродистых сталях кремний применяется как хороший раскислитель; в этом случае в малоуглеродистые стали добавляется до 0,3% кремния, в низколегированные – до 1%.

Марганец (Г) растворяется как в феррите, так и в цементите, образует тугоплавкие карбиды, что приводит к повышению прочности и вязкости стали. Марганец служит хорошим раскислителем и, соединяясь с серой, снижает ее вредное влияние. В малоуглеродистых сталях марганца содержится до 0,64%, в легированных – до 1,5%; при содержании марганца более 1,5 % сталь становится хрупкой.

Хром (Х)

Никель (Н)

Вольфрам(В)

Ванадий (Ф)

Кобальт (К)

Молибден (М) и бор (Р) обеспечивают высокую устойчивость аустенита при охлаждении и тем самым облегчают получение закалочных структур (так называемых бейнита и мартенсита), что очень важно для получения высокопрочного проката больших толщин. После закалки и высокого отпуска сталь становится мелкозернистой, насыщенной карбидами. Такая сталь обладает высокой прочностью, удовлетворительной пластичностью и почти не разупрочняется при сварке.

Титан (Т)

Алюминий (Ю) входит в сталь в виде твердого раствора феррита и в виде различных нитридов и карбидов, хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость.

Медь (Д) несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии. Избыточное содержание (более 0,7 %) способствует старению стали.

Азот (А) в химически связанном состоянии с алюминием, ванадием, титаном или ниобием образует нитриды, становится легирующим элементом, способствующим измельчению структуры и улучшению механических свойств; однако ударная вязкость стали при низких температурах получается низкой. Увеличение сопротивления стали хрупкому разрушению обеспечивается простейшей термической обработкой – нормализацией.

Повышение механических свойств низколегированной стали осуществляется присадкой металлов, вступающих в соединение с углеродом и образующих карбиды и нитриды, а также способных растворяться в феррите и замещать атомы железа. Такими легирующими металлами являются марганец (Г), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В), молибден (М), титан (Т). Прочность низколегированных сталей также повышается при введении никеля (Н), меди (Д), кремния и алюминия, которые входят а сталь в виде твердых растворов.

Вольфрам и молибден, значительно повышая твердость, снижают пластические свойства стали;

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируются по нескольким признакам:

По назначению:

1. конструкционные стали, предназначаемые для изготовления

деталей машин, существуют 2 группы:

а) работающие в условиях обычных температур;

б) работающие в условиях повышенных температур (окалиностойкие);

2. инструментальные стали и сплавы, предназначаемые для изготовления

различного производственного инструмента и оснастки (3 группы):

а) режущего инструмента;

б) штампов;

в) измерительного инструмента;

3. стали и сплавы с особыми свойствами, обладающими определенными

специфическими физическими, химическими или механическими

параметрами (6 групп)

а) нержавеющие;

б) с высоким электросопротивлением;

в) электротехнические;

г) с особым тепловым расширением;

д) магнитные;

е) жаропрочные и жаростойкие.

По качеству:

а) качественная;

б) высококачественная (записывается буква А в конце марки стали. т.е. пониженное содержание вредных примесей);

в) особовысококачественная (записывается в конце марки буква Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком;

СШ – синтетическим шлаком; ВД – вакуумно-дуговой переплав).

По общему количеству легирующих элементов (включая углерод):

а) низколегированные (до 5%);

б) среднелегированные (от 5 до10%);

в) высоколегированные (свыше 10%).

По структуре в отожженном состоянии (равновесное состояние):

1) доэвтектоидные (содержат в структуре свободный феррит);

2) эвтектоидные;

3) заэвтектоидные ( содержат избыточные вторичные карбиды);

4) ледебуритные (содержат первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы);

5) аустенитные (при достаточно высоком содержании элементов, расширяющих область существования аустенита, получают стали, в которых сохраняется аустенит при охлаждении до комнатной температуры).

По структуре после охлаждения на воздухе (после нормализации):

1) перлитный (обладает небольшой твердостью и высокой

пластичностью – большинство конструкционных и инструментальных сталей);

2) мартенситный (весьма твердая и хрупкая, использование невелико);

3) аустенитный (содержат до 20-30% легирующих элементов - хромоникелевые нержавеющие, некоторые жаропрочные, высокомарганцовистая износостойкая).

По виду легирующих элементов:

никелевые (в составе основной легирующий элемент никель), хромистые, хромоникелевые и т.д.;

По виду термической обработки:

1) цементуемые;

2) улучшаемые

Влияние легирующих элементов на свойства стали.

Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Слабое взаимодействие с железом. Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Твердые растворы замещения (образуют металлы) и внедрения (неметаллы - B, N).Растворяясь вместе с углеродом в железе, легирующие элементы образуют легированный феррит, насыщенность которого не превышает максимальную растворимость соответствующего элемента в железе. Легированный феррит имеет более высокую прочность и твердость, но с увеличением легированности (более 1-1,5 % каждого элемента, за исключением никеля) уменьшаются вязкость и пластичность (рис.4.1.).

Рисунок 4.1. Влияние легирующих элементов на механические свой­ства феррита отожженных сталей: а – прочность; б – пластичность; в – вязкость

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

1.Карбидообразующие. Металлы, расположенные в таблице Менделеева левее железа (кремний, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, титан), активно взаимодействуют с углеродом, т.е. являются карбидообразующими элементами (чем дальше от железа, тем активнее).

В небольшом количестве эти эле­менты образуют в стали легированный цементит типа (FeM)₃C, мало отличающийся от Fe₃С и хорошо растворяющийся в аустените.

При большом содержании образуются карбиды ти­па М₇С₃ (хром в низко - и среднелегированных сталях), М₂₃С₆ (хром в высоколегированных сталях), МС (хром в присут­ствии молибдена и вольфрама). Эти три вида карбидов бо­лее трудно растворяются в аустените. Почти нерастворимыми в аустените являются фазы внедрения типа МС (молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан) и М₂С (вольфрам, молибден), для растворения которых необходим нагрев почти до 1300 °С.

Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур отжига и закалки.

Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки S и E на диаграмме Fe - C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с одновременным снижением вязкости и пластичности.

2. Некарбидообразующие: Ni, Al, Cu, Mn. Всегда находятся в стали в твердом растворе, а кобальт является нейтральным элементом по отношению к углероду.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на температурный интервал существования аустенита и феррита, смещая на диаграмме состояния Fe – Fе₃C критические точки А_з вниз, А₄ вверх: Мn, Со, Сu, Ni (рис.2.17,а); A₃ вверх, А₄ вниз: Cr, Mo, W, V, Si, Al, Ti. (рис.2.17,б).

В первом слу­чае расширяется область существования аустенита, причем при легировании никелем или марганцем более 6 % образуются стали аустенитного класса (в классификации как в отожженном, так и в нормализо­ванной состояниях).

Во втором случае расширя­ется область существования феррита. При легировании хромом и ванадием более «с» % образуется класс ферритных сталей. Стали, содержащие менее «b» % легирующих элементов, относятся к полуаустенитному классу, а менее«с» % – полуферритному класcу (в отожженом состоянии).

а б

Рис.2.17. Влияние легирующих элементов на температурный интервал существования аустенита и феррита: а – расширение аустенитной области; б – расширение ферритной области

Многие легирующие элементы значительно увеличивают прокаливаемость стали (рис.2.18), т.е. способность стали получать в процессе закалки мартенситную структуру на определенную глубину.

Рис. 2.18. Влияние легирующих элементов на глубину закалки стали

Прокаливаемость стали определяют методом торцовой закалки, для чего цилиндрический образец после нагрева охлаждается с торца на специальной установке и измеряется твердость по длине (высоте) образца. Определив расстояние от торца образца до участка с твердостью, соответствующей полумартенситной зоне, по номограммам определяется критический диаметр D_к , мм.

Наиболее активными являются молибден, хром, кремний, никель, особенно заметно увеличивает бор глубину закалки (прокаливаемость более 120 мм).

Но повышение количества бора более 0,005 % ухудшает прокаливаемость. Молибден в количестве 0,2 % обеспечивает эффект увеличения прокаливаемости стали аналогично действию 0,005 % бора.

Легирующие элементы изменяют температуру начала мартенситного превращения, что приводит к увеличению или уменьшению количества остаточного аустенита после закалки (рис.2.19).

Рис 2.19.Влияние легирующих элементов на:

а – температуру начала мартенситного превращения;

б – количество остаточного аустенита

Никель, марганец, медь и др. элементы особенно заметно снижают температуру мартенситного превращения, что увеличивает количество остаточного аустенита после закалки.

Большинство легирующих элементов изменяют температуру эвтектоидного превращения и концентра­цию углерода в эвтектоиде (перлите) и в аустените в сто­рону увеличения (V, Ti, Nb) или в сторону уменьшения (Ni, Co, Si, W, Cr, Mn) (рис.2.20). Например, при содержании хрома в количестве 10 % точка S, соответствующая содержанию углерода в эвтектоиде (0,8 % С), смещается до 0,4-0,3 % углерода, точка Е – до 1,0 % С (с 2,14 % С).

B случае увеличения содержания Ti и V образуется до 30-35 % первичных карбидов, представляющих в литом состоянии эвтектику типа ледебурита. Такие стали относятся к ледебуритному классу в отожжен­ном состоянии или к карбидному в нормализованном состоянии.

К перлитному классу относятся стали с доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной структурой (в отожженном состо­янии) и сорбитной или трооститной (в нормализованной состоянии). Стали с мартенситной структурой после нормализации относятся к мартенситному классу.

Рис 2.20. Влияние легирующих элементов на:

а – температуру эвтектоидного превращения;

б – количество углерода в эвтектоидной стали

Стали высоколегированные (типа быстрорежущих – Р18) в литом состоянии содержат эвтектику (ледебурит), которая после ковки и отжига дробится на отдельные зёрна. После термообработки эти стали обладают хорошими режущими свойствами и используются для изготовления режущего инструмента.