56

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСІТЕТ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ДО КУРСУ „ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЛЕГУВАННЯ (для студентів спеціальності 7.090412 “Термічна обробка металів”)

Розглянуто на засіданні кафедри „Фізичне матеріалознавство”

Протокол № від 2004 р.

Затверджено на засіданні навчально-видавницької ради ДонНТУ

Протокол № від 2004 р

Донецьк ДонНТУ – 2004

УДК 669.14.018

Конспект лекцій до курсу “Теоретичні основи легування” (для студентів спеціальності 7.090412 „Термічна обробка металів”) / Уклад.: В.Г.Онопрієнко, Донецьк: ДонНТУ,-2004

Рассмотрены принципы легирования и научные основы создания различных групп сталей. Систематизированы легирующие элементы, закономерности образования и поведения различных фаз в легированных сталях и влияние легирующих элементов на фазовіе превращения.

Укладач: Н.Т. Єгоров, доц.

Рецензент:

Відповідальний за випуск: Н.Т. Єгоров, доц.

ЗМІСТ

ВСТУП. ЗНАЧЕННЯ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ У СУЧАСНІЙ ТЕХНІЦІ І ПРОМИСЛОВОСТІ 5

1. ЛЕГУЮЧІ ЕЛЕМЕНТИ І ДОМІШКИ 6

1.1.Легування, мікролегування і модифікування 6

1.2 Маркірування сталей 7

1.3 Класифікація легуючих елементів по впливу на α- і γ-області 9

1.3.1. Легуючі елементи, що розширюють γ-область 10

1.3.2. Легуючі елементи, що звужують γ-область 12

1.4. Вплив легуючих елементів на критичні крапки сталі 13

1.4.1 Вплив на температуру евтектоідного перетворення 13

1.4.2 Вплив на концентрацію вуглецю в крапках S і E 14

2. ФАЗИ В ЛЕГОВАНИХ СТАЛЯХ 15

2.1. Карбідна фаза в легованій сталі 15

2.1.1. Умови карбидоутворення 15

2.1.2. Кількісний склад карбідної фази 18

2.1.3 Розчинні і нерозчинні карбіди 19

2.1.4 Дисперсійне твердіння 20

2.1.5 Вплив надлишкових карбідів 20

2.2. Тверді розчини в легованих сталях 21

2.2.1. Взаємна розчинність компонентів у сталі 21

2.2.2. Тверді розчини заміщення 21

2.2.3. Тверді розчини впровадження 22

2.3. Структура і властивості легованого фериту 23

2.4. Структура і властивості легованого аустеніту 25

2.4.1 Легування стабільного аустеніту 25

2.4.2. Легування метастабільного аустеніту 27

2.5 Термодинамічна активність вуглецю в залізі 27

2.6. Інтерметаліди 29

2.7. Залишковий аустеніт 31

3. ВПЛИВ ЛЕГУВАННЯ НА ПРОЦЕСИ АУСТЕНІТИЗАЦІЇ ПРИ НАГРІВАННІ 31

3.1. Механізми аустенітизації легованих сталей 31

3.1.1. Початкова неу поряд кована структура 32

3.1.2. Початкова упорядкована структура 33

3.2. Розчинення карбідів і нітридів в аустеніті 35

3.3. Ріст зерна аустеніту при нагріванні 36

3.4. Вплив розміру зерна на властивості легованих сталей 37

4. ВПЛИВ ЛЕГУВАННЯ НА ПЕРЕТВОРЕННЯ ПЕРЕОХОЛОДЖЕНОГО АУСТЕНІТУ 39

4.1. Стійкість переохолодженого аустеніту 39

4.2. Перлітне перетворення 41

4.4. Мартенситне перетворення в легованих сталях 45

5. ВПЛИВ ЛЕГУЮЧИХ ЕЛЕМЕНТІВ НА ПРОЦЕСИ ВІДПУСТКИ ЗАГАРТОВАНИХ СТАЛЕЙ 49

5.1. Розпад мартенситу 49

5.2. Утворення і коагуляція спеціальних карбідів 50

5.3. Розпад залишкового аустеніту 52

5.4. Повернення і рекристалізація 53

5.5. Дисперсійне зміцнення 53

5.6. Відпускна крихкість сталі 54

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 55

Вступ. Значення легованих сталей у сучасній техніці і промисловості

Виробництво металевих матеріалів займає ведуче місце у формуванні сукупного внутрішнього валового продукту в Україні.

Серед металевих матеріалів виробництво чавуна і сталі відіграє чільну роль. Зважаючи на те, що чавун у більшості випадків є напівфабрикатом при виробництві сталі, ми в курсі теоретичних основ легування приділимо сталям основну увагу.

Відомо, що промисловість України й інших країн СНД відрізняється високою матеріалоємністю, немає такої галузі господарства, у якій масово б не застосовувалися сталеві вироби. Сталь має відносно високі міцність, пластичність і в'язкість, можливість здобувати такі спеціальні характеристики як корозійна стійкість, підвищена оброблюваність різанням, специфічні магнітні властивості і т.п.

Зниження материало- і металоємності машин і механізмів, будівельних конструкцій і іншої техніки можливо двома шляхами: оптимізацією конструктивних рішень (в основному, призначенням спеціальних профілів виробів) або підвищенням міцностних властивостей сталей.

До сучасних матеріалів пред'являються усе більш високі вимоги. В основному - це збільшення міцностних характеристик при збереженні достатньої пластичності і в'язкості. В остаточному підсумку, підвищення міцностних властивостей дає економію енергоресурсів, палива і трудових витрат.

Як відомо, властивості матеріалу визначаються його структурою. Такі властивості як міцність, пластичність, в'язкість, а також експлуатаційні властивості (зносостійкість, магнітні властивості і т.п.) залежать від структури сталі. Структуру сталі формують в основному такі фази як феррит, аустеніт, мартенсит і карбіди (цементит). Хімічний склад цих фаз, їхня кількість, розташування в структурі й інші особливості визначають властивості сталі.

Змінити структуру сталі можна трьома способами:

- легуванням;

- пластичним деформуванням;

- термічною обробкою.

Широко використовуються комбінації цих способів (термомеханічна обробка, хіміко-термічна обробка, хіміко-термомеханічна обробка й ін.).

1. Легуючі елементи і домішки

1.1.Легування, мікролегування і модифікування

Леговані сталі - сплави на основі заліза, у хімічний склад яких спеціально введені легуючі елементи, що забезпечують при визначених способах виробництва та обробки необхідні структуру і властивості.

Основними легуючими елементами в сталі є: Mn, Si, Сг, Ni, Мо, W, Co, Cu, Ті, V, Zr, Nb, А1, В. Зміст легуючих елементів у сталі може коливатися від тисячних часток відсотка до десятків відсотків.

Домішки - хімічні елементи, що перейшли до складу сталі в процесі її виробництва як технологічні добавки або частина шихти. Зміст домішок звичайно обмежується:

Мn ≤0,8%; Si≤ 0,4%; Сr ≤ 0,3%; Nі ≤ 0,3%; Сu ≤0,3%; P ≤ 0,025-0,040%; S ≤

0,015-0,050%.

Як видно, домішками і легуючими елементами можуть бути ті самі елементи. Віднесення їх до той або іншій ознаки залежить від кількості і ролі, що вони грають у сталі.

Кількість домішок у сталі істотно залежить від способу її виробництва (табл. 1.1).

Спосіб виплавки	Кількість, % мас.
	S	Р	О	N	H
Киснево- конверторний	0,020-0,030	0,020-0,030	0,005-0,008	0,002-0,005	0,0001-0,0005
Мартенівський	0,025-0,035	0,025-0,035	0,005-0,008	0,003-0,007	0,0002-0,0007
В електропечі	0,010-0,020	0,010-0,020	0,002-0,004	0,007-0,015	0,0004-0,0005

Для видалення таких шкідливих домішок як кисень і азот використовують розкислення алюмінієм, марганцем, кремнієм. Сірку і фосфор знижують підготовкою шихти, спеціальними засобами виплавки, добавкою марганцю.

Деякі легуючі елементи (V, Nb, Ті, Zr, В) впливають на структуру і властивості сталі при змісті їх у сотих частках відсотка (бор - у тисячних частках відсотка). Такі сталі називають мікролегованими.

Модифікування - уведення спеціальних добавок або елементів для впливу на швидкість дифузії атомів заліза або вуглецю. Наприклад, оксиди і нітриди тугоплавких металів розміщаються по границях зерен сталі, знижуючи при цьому поверхневу енергію границь і створюючи так називаний «бар'єрний ефект». Модифікування чавуна магнієм дозволяє сформувати в структурі кулястий графіт.