Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
lektsii_metallovedenie_4.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
04.08.2019
Размер:
154.11 Кб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 9

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Легированные стали – стали, в состав которых дополнительно вводятся химические элементы с целью получения или изменения свойств. Эти элементы называются легирующими элементами.

Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Al, Cu, Ti, Nb, Zr. Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами.

Легирующие элементы вводятся в стали в различных количествах. Их содержание может изменяться от сотых долей процента до нескольких десятков процентов. Суммарное количество легирующих элементов не должно превышать 50%. При большем содержании будет уже не сталь, а сплав на основе какого -либо элемента. В сталях должно быть более 50% железа.

Легирующие элементы, взаимодействуют с железом и углеродом и могут образовывать различные фазы в структуре.

Распределение легирующих элементов в сталях.

  1. Легированный феррит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Feα. Формула: Feα (С, л.э.).

  2. Легированный аустенит – твердый раствор легирующего элемента и углерода в Feγ; Формула: Feγ (С, л.э.).

  3. Легированный цементит – химическое соединение железа, легирующего элемента и углерода. Формула (Fe, л.э.)3 С.

  4. Специальные карбиды – соединения легирующих элементов с углеродом. Формула: МеС; МеnCm; (Ме-Ме)С.

Карбиды могут образовывать не все легирующие элементы.

Не образуют карбиды: Co, Ni, Cu, Al, Zn.

Образуют карбиды: Cr, V, Ti, Mn, Mo, Nb, Zr, W.

  1. Соединения с неметаллами – оксиды Ме-О; нитриды Ме-N.

  2. Интерметаллидные соединения - соединения легирующих элементов друг с другом (МеnMem).

Влияние легирующих элементов на свойства сталей.

Основные легирующие элементы повышают твердость и прочность феррита. Наиболее сильно повышают прочность феррита кремний, марганец и никель.

Большинство легирующих элементов снижают ударную вязкость, кроме никеля. При этом никель понижает порог хладноломкости, уменьшая склонность к хрупкому разрушению.

Хром повышает механические свойства конструкционных сталей, а также повышает специальные свойства сталей, например, устойчивость против агрессивных сред. Хром вводят в легированные стали в количестве от 2 до 25%.

Никель и хром являются важнейшими легирующими элементами в конструкционных сталях.

Марганец и кремний повышают предел текучести стали.

Молибден и вольфрам являются сильными карбидообразующими элементами, поэтому они образуют карбиды и легированный цементит. Они способствуют измельчению зерна, повышают прочность и жаропрочность.

Для измельчения зерна также вводят ванадий и титан, но содержание этих элементов ограничивается ( до 0,3 – 0,5%), так как эти элементы образуют карбиды по границам зерен, которые могут способствовать хрупкому разрушению.

Влияние легирующих элементов на превращения в сталях.

  1. Влияние на критические температуры железа А3 и А4. При этом увеличивается вероятность образования в структуре сталей либо составляющей феррита, либо составляющей аустенита. В легированных сталях в отличии от углеродистых сталей аустенит может образоваться при комнатной температуре.

-- элементы расширяющие α-область.

Они понижают температуру А4 и повышают температуру А3 .

К ним относятся Cr, Si, Al, V, W, Mo и другие. При этом в сталях образуется структура легированного феррита.

-- элементы расширяющие γ-область.

Они повышают температуру А4 и понижают температуру А3.

К ним относятся Ni, Mn, Co, N. При этом в сталях образуется структура аустенита. Такие стали, как правило, обладают специальными свойствами, такими как жаростойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость.

  1. Влияние на эвтектоидное превращение.

Легирующие элементы изменяют температуру эвтектоидного

превращения А1. Элементы, расширяющие γ-область понижают А1 (Ni, Mn), а элементы, расширяющие α-область, повышают А1 (Cr, Si, Al, V, W, Mo).

Легирующие элементы значительно уменьшают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. точка S на диаграмме железо-углерод смещается влево, в сторону меньших значений по содержанию углерода.

Также легирующие элементы уменьшают предельную растворимость углерода в γ-железе,, т.е. в аустените. Точка Е на диаграмме смещается влево.

  1. Влияние на рост зерна аустенита.

Большинство легирующих элементов замедляют рост зерна аустенита

при нагреве. Особенно титан и ванадий.

  1. Влияние на мартенситное превращение.

Большинство легирующих элементов понижают температуру начала

мартенситного превращения Мн и увеличивают количество остаточного аустенита.

Никель и марганец понижают Мн в область отрицательных температур.

Алюминий и кобальт повышают Мн и уменьшает количество остаточного аустенита.

Кремний не влияет на мартенситное превращение.

  1. Влияние на С- образную кривую.

Все легирующие повышают устойчивость переохлажденного аустенита

и замедляют его распад, сдвигая С-образную кривую вправо.

Карбидообразующие элементы (хром, вольфрам, молибден и другие) могут влиять на С-образную не только количественно, но и качественно. При этом на С-образной появляется два максимума в области распада аустенита.

  1. Влияние на критическую скорость закалки и прокаливаемость.

Сдвигая С-образную кривую вправо, все легирующие элементы

уменьшают критическую скорость закалки.

Следовательно в легированных сталях можно получить мартенсит при охлаждении с меньшими скоростями, чем в углеродистых сталях, а значит закалку легированных сталей можно проводить в менее резких охладителях, что снизит вероятность возникновения дефектов закалки, в первую очередь закалочных трещин.

Легирующие элементы также значительно повышают прокаливаемость стали. Наиболее сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, никель. Эффект усиливается при легировании несколькими элементами.

  1. Влияние на превращения при отпуске.

Большинство легирующих элементов замедляет превращения в стали при отпуске, особенно распад мартенсита при отпуске. Наиболее заметное влияние оказывают карбидообразующие элементы. Это приводит к тому, что в легированных сталях в отличии от углеродистых отпуск проводят при более высоких температурах.

Классификация легированных сталей

Основная классификация легированных сталей проводится по содержанию легирующих элементов, по структуре, по назначению.

1. По содержанию легирующих элементов стали подразделяются на:

- низколегированные ( ∑лег.эл.~1 ÷ 3% ),

- среднелегированные ( ∑лег.эл.~ 3 ÷ 8% ),

- высоколегированные ( ∑лег.эл. ≥ 10% ).

2. По назначению стали подразделяются на:

- конструкционные легированные стали,

- инструментальные легированные стали,

- стали с особыми свойствами.

3. По структуре (после нормализации, охлаждение на воздухе) стали подразделяются на 5 структурных классов:

- перлитный (структура перлита, сорбита или тростита).

К ним относятся стали с низким содержанием легирующих

элементов, средним содержанием углерода. На С-образной кривой

линия охлаждения пересекает линии распада аустенита с

образованием феррито-цементитых смесей. К этой группе

относятся конструкционные машиностроительные стали.

- мартенситный (структура мартенсита).

К ним относятся среднелегированные и среднеуглеродистые стали.

За счет увеличения устойчивости аустенита, С-образная сдвигается

вправо и скорость охлаждения на воздухе становится больше

критической скорости закалки, поэтому аустенит на распадаясь

превращается в мартенсит. К этой группе относятся стали с

особыми свойствами, инструментальные стали, некоторые

конструкционные.

- аустенитный (структура аустенита).

К этой группе относятся высоколегированные, низкоуглеродистые

стали. Легирующие элементы значительно сдвигают С-образную

кривую вправо и понижают Мн в область отрицательных

температур. Тогда аустенит охлаждается до комнатной температуры

не распадаясь и не претерпевая мартенситное превращение. Т.о. в

этих сталях аустенит сохраняется в структуре при комнатной

температуре.

К этой группе относятся стали с особыми свойствами

(нержавеющие,жаростойкие).

- ферритный (структура феррита).

К ним относятся стали низкоуглеродистые и высоколегированные

(элементами, расширяющими α-область – хром, кремний). Стали

этой группы, не обладают высокими механическими свойствами и

относятся к сталям с особыми свойствами (физическими и

химическими).

- карбидный (структура мартенсит и карбиды).

К ним относятся высокоуглеродистые, средне- и высоколегирован-

ные стали. В составе обязательно наличие хотя бы одного

карбидообразующего элемента. Эти стали обладают высокими

характеристиками твердости и прочности.

По назначению – инструментальные стали.

Такое подразделение по структурным классам обусловлено тем, что с увеличением содержания легирующих элементов в стали возрастает устойчивость аустенита и одновременно снижается температурная область мартенситного превращения.

Обозначение легированных сталей

Стандартное обозначение марок сталей в России.

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр.

А

цифра

число

буква

цифра

число

буква

цифра

число

содер-жание С*)

легирующий элемент 1

**)

легирующий элемент 2

***)

*) в конструкционных сталях содержание углерода указывается в сотых долях процента;

в инструментальных сталях содержание углерода указывается

в десятых долях процента;

если число отсутствует, то содержание углерода около 1,0%.

**) содержание легирующего элемента в целых долях процента;

если нет цифры после обозначения легирующего элемента, то содержание легирующего элемента составляет 1÷1,5%.

***) буква А в конце марки стали обозначает то, что сталь высококачественная (ограниченное, пониженное содержание S и P – 0,003÷0,005%).

Обозначение легирующих элементов в марках сталях в России:

Никель – Н, Марганец – Г, Хром – Х, Молибден – М, Кремний – С, Титан – Т, Вольфрам – В, Ванадий – Ф, Алюминий – Ю, Цирконий – Ц.

Система обозначения марок сталей в США, Японии, Германии приведены в приложениях к лекции.

В Китае часто пользуются системой обозначения марок сталей AISI (США), либо Российской системой обозначения.

Рассмотрим классификацию легированных сталей по назначению. Эта классификация одинакова во всех странах.

Конструкционные легированные стали.

Конструкционные стали должны обладать высокой конструкционной прочностью и обеспечивать длительную и надежную работу в условиях эксплуатации. Поэтому особенность требований к конструкционным материалам состоит в необходимости обеспечения комплекса механических и эксплуатационных свойств, а не одной какой-либо характеристики.

Материалы для изготовления деталей машин и механизмов должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам и обладать запасом вязкости. При воздействии знакопеременных нагрузок материалы должны обладать высоким сопротивлением усталости. В условии работы при трении материалы должны хорошо сопротивляться износу.

Помимо надежности конструкционные материалы должны также иметь высокие технологические свойства.

Перечисленными свойствами в достаточной мере обладают легированные стали. Основными преимуществами легированных сталей перед углеродистыми являются более высокая прочность и повышенная ударная вязкость за счет введения легирующих элементов.

Легированные конструкционные стали используются в различных рабочих условиях и обладают очень широким диапазоном свойств. Поэтому их принято подразделять еще на несколько подгрупп.

Низколегированные строительные стали содержат малое количество углерода: 0,1 – 0,25%. Также содержат небольшое количество легирующих элементов: 1 -3%.

Эти стали используются в строительстве, мостостроении, вагоностроении, сельхозмашинах, корпусов судов в судостроении, для изготовления нефте- и газопроводов.

Детали строительных конструкций обычно соединяют сваркой. Поэтому основным требованием является хорошая свариваемость.

Стали хорощо свариваются при содержании углерода не более 0,25%.

Цементуемые стали содержат не более 0,2% углерода и невысокое содержание легирующих элементов: 1 – 5%. Эти стали используются для изготовления деталей, которые работают под действием динамических нагрузок в условиях поверхностного износа. Такие условия работы требуют от материала высокой прочности поверхностного слоя. При этом сердцевина может оставаться непрочной.

Чтобы повысить твердость и прочность поверхностного слоя, поверхность металла дополнительно насыщают элементом внедрения – углеродом. Такая обработка называется цементация. Поверхностный слой насыщается углеродом, что приводит к повышению твердости и прочности. Эти стали легируют хромом, никелем, марганцем.

Улучшаемые конструкционные стали содержат 0,3 – 0,5% углерода и легирующие элементы в количестве не более 5%. Эти стали используются только после термической обработки – улучшения (см. лекцию по термообработке).

После термической обработки улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, устойчивость против ударных нагрузок. Улучшаемые стали широко используются для изготовления деталей, работающих в условиях воздействия статических, динамических и знакопеременных нагрузок. Для этих сталей характерно сочетание высокой твердости, прочности и одновременно хорошей пластичности и вязкости. При этом они обладают хорошими технологическими свойствами.

Пружинные стали содержат 0,5 – 0,7% . Основные легирующие элементы – марганец и кремний.

Основные требования, предъявляемые к этим сталям, высокий предел выносливости и упругие свойства. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, в которых пластическая деформация недопустима, поэтому высокие значения пластичности и вязкости не требуются. Пружинные стали применяются после термической обработки.

Шарикоподшипниковые стали содержат высокое содержание углерода: около 1%. Из них изготавливают подшипники качения, которые испытывают высокие знакопеременные нагрузки. Стали для подшипников должны обладать высокой твердостью и износостойкостью в сочетании с высоким пределом усталости.

Основными легирующими элементами являются хром, марганец, кремний. Шарикоподшипниковые стали применяются после термической обработки.

Высокопрочные стали характеризуются очень высокими значениями прочности в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью. Такое сочетание свойств достигается легированием никелем, молибденом, титаном, кобальтом, а также термической обработкой, обеспечивающей специальные механизмы упрочнения.

Инструментальные легированные стали.

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым материалом. Поэтому стали для инструмента должны обладать высокой твердостью и изностойкостью.

Содержание углерода в легированных инструментальных сталях такое же высокое, как и в углеродистых инструментальных: более 1%. Все инструментальные стали обязательно подвергаются термической обработке для повышения твердости.

В свою очередь легированные инструментальные стали подразделяются еще на несколько групп

Легированные стали для режущего инструмента (работающие с низкими скоростями резания) – низколегированные стали с невысоким содержанием легирующих элементов таких, как хром, вольфрам, кремний, марганец в количестве 1 – 3%. Эти стали должны отвечать общим требованиям, предъявляемым к инструментальным сталям: высокой твердостью и износостойкостью. Легирующие элементы вводятся в эту группу сталей для улучшения процесса термической обработки (для увеличения прокадиваемости).

Быстрорежущие стали работают с высокими скоростями резания, поэтому в процессе работы они нагреваются до достаточно высоких температур. Причем, чем выше скорости резания, тем выше температура нагрева режущей кромки инструмента и тем больше вероятность ее поломки.

К быстрорежущим сталям помимо основных требований предъявляются требования к теплостойкости. Высокую теплостойкость обеспечивает введение легирующего элемента вольфрама. Кроме того, быстрорежущие стали обязательно подвергаются специальной термической обработке.

Штамповые стали используются для изготовления штампов, форм и пуансонов для штамповки деталей. При этом штамповка может быть холодная и горячая. В связи с этим различают легированные штамповые стали для холодного и горячего деформирования.

Основными требованиями для штамповых сталей являются высокая твердость, износостойкость, а также способность сохранять форму и размеры штампов при длительном использовании. Для горячих штампов требуются стали с высокой теплостойкостью.

Штамповые стали легируют хромом, марганцем, никелем, молибденом, вольфрамом. Все штамповые стали используются после термической обработки.

Твердые сплавы состоят из смеси порошков карбида вольфрама (основа) и кобальта. В зависимости от марки этих сплавов в их состав добавляют карбид титана или карбид тантала. Таким образом, твердые сплавы формируются на карбидной основе методом порошковой металлургии. Они представляют собой спеченные материалы. Твердые сплавы имеют очень высокие значения твердости.

Используются как инструментальные материалы для обработки твердых материалов; для оснащения горного инструмента; для деталей быстро изнашивающихся элементов машин; для различных приспособлений режущего инструмента.

Стали с особыми свойствами.

К этой группе легированных сталей относятся коррозионностойкие (нержавеющие) стали; жаропрочные и жаростойкие стали.

Требования, предъявляемые к каждой группе зависят от условий их работы и соответствуют эксплуатационным свойствам, которые были рассмотрены ранее: жаростойкость, жаропрочность, устойчивость против воздействия агрессивных сред.

Коррозионностойкие стали.

Коррозионностойкие стали устойчивы воздействию агрессивных сред – коррозии.

Коррозией называют разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия.

Различают:

  1. Электрохимическую коррозию (контакт двух материалов, обла-

дающих разными электродными потенциалами);

2. Точечную (язвенную) коррозию (возникает при локальном воз-

действии агрессивной среды);

3.Щелевую коррозию (возникает в узких зазорах между металлами);

4. Коррозионное растрескивание КР (возникает под воздействием

агрессивной среды и нагрузки);

5. Межкристаллитная коррозия (растрескивание по границам зерен).

Методы защиты от коррозии:

  1. Нанесение защитных покрытий и пленок.

  2. Легирование.

Основной легирующий элемент в нержавеющих (коррозионностойких) сталях – Хром.

Хром вводят в нержавеющие стали в количестве более 12,5%. При таком содержании хрома электрохимический потенциал стали меняется с отрицательного на положительный (рис.9.1).

Рис.9.1.

Помимо хрома в нержавеющие стали вводят дополнительно никель. В зависимости от легирующих элементов коррозионностойкие стали подразделяются на:

  1. Хромистые (легирующий элемент – только хром)

  2. Хромоникелевые ( легирующие элементы - хром и никель).

Примеры хромистых нержавеющих сталей: 08Х13, 20Х13, 30Х13, 12Х17, 15Х25, 15Х28.

Примеры хромоникелевых нержавеющих сталей: 08Х18Н9, 10Х18Н10, 12Х18Н10Т.

Жаростойкие стали.

Как было показано выше жаростойкость (окалиностойкость) - способность металла сопротивляться воздействию газовой среды при высоких температурах.

Железо с кислородом может образовывать оксиды следующего вида: FeO, Fe2О3, Fе3О4. При рабочих температурах порядка 550 - 600°С окалина состоит в основном из достаточно прочного слоя оксидов Fe2О3 и Fе3О4. При температурах выше 600°С происходит растрескивание этих оксидов. Поверхность металла защищена только рыхлым оксидом FeO, который не осуществляет необходимого по прочности защитного слоя, что приводит к интенсивному окислению сталей при температурах, превышающих 600°С.

Таким образом, основным фактором, влияющим на жаростойкость, является химический состав стали, определяющий защитные свойства оксидной пленки. Основными принципами легирования жаростойких сталей является введение в их состав элементов, образующих прочные соединения с кислородом. В первую очередь это такие элементы, как хром, кремний и алюминий.

Однако, следует учитывать влияние этих элементов и на другие факторы и свойства стали. Так, высокое содержание алюминия и кремния способствует охрупчиванию и ухудшает технологические свойства стали. Поэтому, основным легирующим элементом в жаростойких сталях считается хром. Причем с увеличением содержания хрома растут жаростойкие свойства, а, следовательно, и применение сталей при более высоких рабочих температурах.

Сталь с 5% хрома сохраняет свои свойства до 600°С, содержащая 9% хрома не подвержена образованию окалины в газовой среде до температур 800°С, а сталь с 17% - до 900°С. Для сохранения высокой окалиностойкости при температурах 1000 - 1100°С следует применять хромо-никелевые стали аустенитного класса.

Жаростойкие стали используют для изготовления различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Большинство жаростойких сталей являются также нержавеющими, а некоторые коррозионностойкие стали являются также жаростойкими.

Таким образом нержавеющие и жаростойкие стали могут быть взаимозаменяемыми.

Жаропрочные стали.

Ранее было показано, что жаропрочность - способность сталей сопротивляться деформации и разрушению при высоких температурах. Также были рассмотрены такие характеристики жаропрочности, как горячая прочность, предел длительной прочности и предел ползучести.

В качестве жаропрочных сталей используют стали легированные хромом, молибденом, ванадием. Эти стали сохраняют свои свойства при рабочих температурах 500 - 550°С. Их используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегревателей энергетических установок.

При температурах 600 - 620°С используются стали легированные хромом, молибденом, вольфрамом, ванадием, никелем. Эти стали используют для деталей энергетического оборудования таких как роторы, турбинные лопатки и диски.

Хромо-никелевые стали используются для изготовления лопаток и дисков газовых турбин, клапанов дизельных двигателей и других деталей, работающих при температурах 650 - 700°С. Эти стали дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ванадием, ниобием.

Для деталей и изделий, работающих при более высоких рабочих температурах, порядка 1000 - 1100°С. применяют так называемые суперсплавы - никелевые, кобальтовые, железоникелевые сплавы. Их применяют при изготовлении газотурбинных двигателей для аэрокосмических и промышленных энергоустановок.

Для работы при еще более высоких температурах применяют сплавы на основе тугоплавких металлов и керамические материалы.

Краткая характеристика всех групп легированных сталей (конструкционные, инструментальные, нержавеющие) приведена в таблицах 1 и 2..

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]