Влияние легирующих элементов на аустенит и мартенсит
Легирующие элементы, находясь в аустените или мартенсите, оказывают влияние на свойства этих фаз следующим образом:
– все легирующие элементы (кроме кобальта) замедляют диффузионный распад переохлажденного аустенита и уменьшают критическую скорость закалки, увеличивая прокаливаемость;
– карбидообразующие элементы и кремний замедляют диффузионный распад мартенсита, повышая температуру начала интенсивного разупрочнения при отпуске.
Цементуемые легированные стали
К данной группе относятся низко- и среднелегированные стали с содержанием углерода 0,1 – 0,3 %, имеющие после химико-термической обработки высокую поверхностную твердость (58 – 62 HRC) при вязкой, но достаточно прочной сердцевине σв = 700 – 1200 МПа, δ = 10 – 12 %, KCU = 0,6 – 1,0 МДж/м2, 35 – 45 HRC.
Цементуемые легированные стали по механическим свойствам подразделяются на две группы: нормальной и повышенной прочности. К первой группе относятся стали 15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХР, имеющие после закалки в сердцевине структуру троостита или бейнита и применяющиеся для деталей с небольшим сечением, до 25 мм.
Большую прокаливаемость (до 100 мм) в сочетании с высокой вязкостью и низким порогом хладноломкости имеют хромоникелевые стали 12ХН3А, 20ХН3А,12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др. После закалки в сердцевине формируется структура нижнего бейнита и низкоуглеродистого мартенсита, что обеспечивает повышенную прочность σв = 950 – 1200 МПа.
Хромоникельмолибденовая (вольфрамовая) сталь 18Х2Н4МА (18Х2Н4ВА) относится к мартенситному классу, закаливается на воздухе и прокаливается практически в любом сечении, что способствует уменьшению коробления. Стали применяются для тяжелонагруженных ответственных деталей.
Хромомарганцевые стали (18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ), широко применяемые в автомобилестроении, относятся к экономно-легированным: в них дешевый марганец заменяет никель. Титан и молибден вводят для измельчения зерна и уменьшения склонности к перегреву. Прокаливаемость сталей составляет 35 – 60 мм.
Улучшаемые легированные стали
Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3-0,5 % С, которые используются после закалки с высоким отпуском (улучшения). Химический состав сталей регламентирует ГОСТ 4543– 71.
После улучшения структура сталей представляет сорбит отпуска. В сорбите отпуска частицы цементита имеют сферическую («зернистую») форму, а феррит упрочнен легирующими элементами. Сочетание твердорастворного упрочнения феррита и дисперсионного упрочнения за счет частиц карбида обеспечивает повышенную статическую (σв до 1350 МПа) и циклическую (σ-1 до 760 МПа) прочность улучшаемых сталей в сочетании с такими свойствами как:
– хорошая пластичность (δ = 10 – 14 %);
–
малая
чувствительность к концентраторам
напряжений;
– достаточный запас ударной вязкости в сталях,
(KCU = 0,6 - 0,9 МДж/м2); содержащих
– низкий порог хладноломкости Ni
(t50 = -100 - -140ºС)
Все эти свойства, а также прокаливаемость, зависят от содержания легирующих элементов в стали. Легирующие элементы повышают устойчивость аустенита при охлаждении, поэтому наибольшим критическим диаметром обладают комплексно–легированные стали. При усложнении легирования повышается и временное сопротивление, и критический диаметр, а также понижается порог хладноломкости (табл. 3.3, 3.4).
Таблица 3.3