Структура и свойства легированной стали
Легирующие элементы - элементы, специально вводимые в состав, стали с целью изменения ее структуры и свойств в желаемом направлении, а стали, содержащие легирующие элементы - легированные.
По своему влиянию на температуры полиморфных превращений железа элементы можно разделить на две группы.
Элементы первой группи, к которым относятся никель, марганец (а также медь, углерод и азот при небольшом содержании в стали), понижают температуру A3 и повышают температуру А4.
Элементы второй группы, к которому относятся хром, молибден, ванадий, кремний, алюминий и другие, повышают температуру А3 и понижают температуру А4.
Легирующие элементы растворяясь в аустените повышает его устойчивость, что отражается на диаграмме состояния сдвигом С-образной кривой вправо. При этом уменьшается критическая скорость закалки, следовательно повышается прокаливаемость.
Прокаливаемость - глубина проникновения закаленной зоны.
Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный легированный феррит.
Эвтектоидные, имеющие перлитную структуру.
Заэвтектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды.
Ледебуритные стали - стали в которых содержится углерод, превышающий предел его растворимости в аустените.
Ферритные стали - малоуглеродистые, легированные большим количеством элементов, сокращающих область существования гамма-твердого раствора. Стали этого класса имеют ферритную структуру с небольшим количеством карбидов.
Аустенитный класс составляют стали с высоким содержанием никеля или марганца, т.е. элементов, расширяющих область существования гамма-твердого раствора (легированного аустенита).
Перлитный класс составляют конструкционные и некоторые инструментальные легированные стали с суммарным содержанием легирующих элементов 5-8%.
К мартенситному классу принадлежат стали, которые после охлаждения на воздухе (нормализации) приобретают структуру мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Суммарное содержание легирующих элементов в этих сталях составляет 10-15%. К мартенситному классу относятся хромистые нержавеющие стали и жаропрочные.
Таким образом, легированные стали по структуре после отжига могут быть разделены на следующие основные классы: доэвтектоидные (структура перлит + феррит), эвтектоидные (структура перлит), завтектоидные (структура перлит + вторичные карбиды), ледебуритные (структура перлит + ледебурит), аустенитные (структура аустенит) и ферритные (структура феррит), а также полуаустенитные и полуферритные.
Феррит - твердый раствор углерода в альфа-железе (Cmax=0,02%). Хром, ванадий, вольфрам и др. сдвигают критические точки, расширяя область феррита.
Аустенит - твердый раствор углерода в гамма-железе. Обладает высокой пластичностью и низкой прочностью (Cmax=2,14%). Марганец и никель сдвигают критические точки, расширяя область аустенита
Цементит - химическое соединение железа с углеродом Fe3C - карбид железа. Высокая твердость, низкая пластичность (Cmax=6,67%).
Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита.
Ледебурит - механическая смесь аустенита и цементита. Хром и вольфрам сдвигают критическую точку влево, в связи с чем в стали получают структуру ледебурита.
Мартенсит - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе. Легирующие элементы за исключением кремния, меди и кобальта понижают мартенситную точку.
В зависимости от назначения легированные стали подразделяются на следующие группы: конструкционные; инструментальные; стали с особыми свойствами. Стали каждой из этих групп делятся на ряд подгрупп, например, конструкционные стали подразделяются на строительные, мешиностроительные, судокорпусные, пружинно-рессорные, шарикоподиипниковые и т.п.
Высокопрочные стали. Эта группа конструкционных сталей после термообработки обеспечивает получение высокой прочности. Стали, как правило, содержат 0,4-0,45% С, 1-3% Ni, до 1% Cr, Si , Mn, W, V, Mo, Ti, иногда до 0,05% Zr, B, Ce, La. Высокопрочные стали применяются в основном для деталей небольших сечений и подвергаются для достижения высокой прочности закалке на мартенсит с последующим низким отпуском. Основная цель легирования таких сталей - повышение пластичности и вязкости, а главное - повышение сопротивления хрупкому разрушению. Область применения - нагруженные детали летательных аппаратов, детали глубоководных аппаратов.
Быстрорежущие стали. К сталям для быстрорежущего инструмента предъявляются следующие основные требования: высокая твердость после закалки и отпуска и высокая красностойкость. Под красностойкостью понимают способность стали сохранять твердость при нагреве до высоких температур, в процессе резания.
Коррозионно-стойкие стали. Сопротивление коррозии определяется пассивностью металла или сплава в данной среде. Наиболее эффективно повышает коррозионную стойкость сталей хром при содержании его не менее 12-13%. Поэтому он является основным легирующим эломонтом нержавеющих сталей, работающих в окисляющих средах. B зависимсти от химического состава нержавеющие стали могут быть разделены на хромистые, хромоникеленые и хромомарганцовы стали.
Жаростойкие стали. Жаростойкость характеризует сопротивление металла окислению при высоких температурах.
Heлегированные углеродистые стали обладают достаточной жаростойкостью в атмосферной среде при нагреве до 500°с. Для повышения окалиностойкости при более высоких температурах сталь легируют хромом, алюминием, кремнием, которые способствуют образованию на поверхности изделий тонких очень плотных окисных пленок.
Жаропрочные стали и сплавы. Жаропрочными называют материалы, способные противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах. Напряжение, вызывающее разрушение металла при нагреве, зависит не только от температуры испытания, но и от продолжительности выдержки под нагрузкой. При температурах выше 350°С увеличение времени воздействия нагрузки ведет к заметному уменьшению величины напряжения, вызывающего пластическую деформацию образцов (по сравнению с результетами кратковременных испытений не растяжение при данной температуре). Это явление называется ползучесть стали. Более высокой жаропрочностью обладают аустенитные стали, в состав которых, кроме никеля, обеспечивающего аустенитную структуру, и хрома, придающего стали высокую жаростойкость, часто вводят вольфрам, молибден и ниобий - для повышения прочности при высоких температурах.
Свариваемость - способность получения сварного соединения, равнопрочного с основным металлом.
Технологическая пластичность - способность металла подвергаться горячей и холодной пластической деформации.