Конструкционные углеродистые и легированные стали

В современном машиностроении и приборостроении широкое применение находят стали, в которых помимо железа, углерода и постоянных примесей содержатся специально вводимые добавки других элементов, чаще всего металлов. Эти добавки принято называть легирующими элементами, а стали, соответственно, легированными сталями.

В качестве легирующих наиболее часто используют следующие элементы: Cr, Ni, Mn, Si, Mo, W, V, Ti, Co, Nb. Реже используются Al, Cu, B и некоторые другие.

В результате легирования изменяются физические, механические и технологические свойства стали. Изменение свойств стали при ее легировании определяется влиянием легирующих элементов, как на свойства фаз, так и на условия протекания фазовых превращений.

По влиянию на положение точек полиморфного превращения железа, легирующие элементы можно разделить на две группы:

1) элементы, понижающие температуру А₃ и повышающие А₄, т. е. расширяющие область существования аустенита (g-фазы) и сужающие область феррита (a-фазы). К числу таких элементов относятся Ni и Mn. На рисунке 4.1, а приведена диаграмма, характерная для сплавов железа с легирующими элементами этой группы.

Из диаграммы видно, что если концентрация легирующего элемента превышает концентрацию, соответствующую точке b, то во всей области температур сплавы будут иметь структуру аустенита. Такие сплавы называют аустенитными. Если концентрация легирующего элемента находится между точками а и b, то в сплавах происходит частичное превращение аустенита в феррит.

Такие сплавы называют полуаустенитными или ферритно-аустенитными. К числу элементов, расширяющих область существования аустенита, относятся также Сu, C и N. Но в этом случае диаграммы имеют эвтектоидную точку, ниже которой аустенит не существует.

а б

Рисунок 4. 1. Схемы диаграмм состояний железа с легирующими элементами: а – открытая область g-область; б – закрытая g-область.

2) легирующие элементы, которые повышают точку А₃ и снижают А₄. Это приводит к замыканию области существования аустенита (g-фазы) как это показано на рисунке 4.1, б. При содержании легирующего элемента выше концентрации, отмеченной точкой а на оси абсцисс, сплавы во всей температурной области правее а имеют кристаллическую решетку феррита (a-фазы).

Такие сплавы называются ферритными. При меньшей концентрации легирующего элемента сплавы называются полуферритными или аустенитно-ферритными.

К числу легирующих элементов второй группы относятся Cr, W, Mo, V, Si, Al. К этой же группе относятся B, Zr,и Nb, которые способствуют сужению g-области даже при небольших содержаниях этих элементов. Но вследствие малой растворимости в железе ранее, чем полностью замыкается g-область, образуются двухфазные сплавы.

При введении в сталь одновременно нескольких легирующих элементов их влияние на существование a- и g-областей не всегда суммируется. Например, хром при введении его одновременно с никелем не сужает, а расширяет g-область.

Легирующие элементы обычно повышают предел прочности феррита, не изменяя в заметной степени пластических характеристик. Исключение составляют лишь марганец и кремний, которые при их содержании более 2,5 %, снижают пластичность феррита. Но именно они сильнее всего упрочняют феррит. Введение легирующих элементов, за исключением никеля и хрома, значительно снижает ударную вязкость стали и повышает предел хладноломкости. Легирование никелем до 4 % и хромом до 1,5 % приводит к повышению ударной вязкости и снижению предела хладноломкости.

Легирующие элементы повышают прочность аустенита при нормальной и повышенной температурах. Упрочнение аустенитных сталей легко достигается также в результате пластической деформации, т. к. они имеют ГЦК кристаллическую решетку.

Легирующие элементы, как и железо, способны образовывать карбиды. По типу взаимодействия с углеродом, растворенные в железе легирующие элементы делятся на графитизирующие – Si, Al, Cu; нейтральные – Co, Ni, которые в стали не образуют карбидов, но и не вызывают графитизации; карбидообразующие – Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti (элементы расположены в порядке устойчивости их карбидов по отношению к карбиду железа).

Если в стали имеется несколько легирующих элементов, то сначала образуется наиболее устойчивый карбид. Если таких карбидообразующих элементов, как Mn, Cr, Mo, W в стали мало, то они собственных карбидов не образуют, а растворяются в цементите: (Fe,Mn)₃C или (Fe,Cr)₃C и т. д. Марганец может заместить в решетке цементита все атомы железа, хром – только 25 % (ат.), молибден лишь около 3 % (ат.), а вольфрам всего 0,8…1,0 % (ат.). Если содержание Cr, Mo и W в стали выше этих концентраций, то при наличии в стали углерода эти элементы образуют специальные карбиды типа (Cr,Fe)₇C₃, (Cr,Fe)₂₃C₆, Fe₃Mo₃C, Fe₂Mo₂C, Mo₆C и т. д. Такие элементы, как Ti, V, Nb и Zr, в цементите практически не растворяются, а образуют свои специальные карбиды.

По структуре, формирующейся в условиях равновесия, легированные стали делят на 6 классов: перлитный, аустенитный, ферритный, полуферритный (аустенитно-ферритный), полуаустенитный (ферритно-аустенитный) и ледебуритный.

В перлитный класс объединяются стали, содержащие перлит. Это как доэвтектоидные, так эвтектоидные и заэвтектоидные стали.

В отличие от обычных, среди легированных сталей выделяют ледебуритные стали, которые в литом состоянии содержат эвтектику, одной из составляющих которой являются карбиды с объемной долей до 30…35 %. По структуре ледебурита стали следовало бы рассматривать как белые чугуны. Но, так как эти сплавы содержат меньше 2 % С и могут коваться, то их относят к сталям.

Легированные стали ферритного класса образуются при относительно низком содержании углерода и больших содержаниях легирующих элементов, таких как Cr, W, Mo, V, Si. При всех температурах структура таких сталей состоит из легированного феррита, иногда с небольшим содержанием карбидов.

Аустенитные стали получают при при высоком содержании таких легирующих элементов, как Ni и Mn. Однако часто структура сталей, содержащих эти элементы, состоит из смеси феррита и аустенита. Стали, имеющие такую структуру, относят к ферритно-аустенитным, или к аустенитно-ферритным, в зависимости от того, какая фаза преобладает.

По назначению легированные стали делятся на конструкционные, подшипниковые, инструментальные, коррозионностойкие (нержавеющие), и специального назначения.

Легированные стали всегда выпускают качественными и высококачественными. Поэтому в маркировке имеются, как правило, двухзначные цифры, стоящие первыми и обозначающие содержание углерода в сотых долях процента. Для высокоуглеродистых марок инструментальных сталей используют однозначные цифры, указывающие содержание углерода в десятых долях процента (более 0,7 % С). Легирующие элементы обозначают буквами: А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец: Д – медь; Е – селен; К – кобальт; Л – бериллий; М – молибден; Н – никель; П – празеодим; Р – бор; С – кремний; Т – титан; У – углерод; Ф – ванадий; Х – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные элементы; Ш – магний; Ю – алюминий.

Цифры, стоящие после букв, обозначают примерное содержание легирующего элемента в целых процентах.

Если же цифра в маркировке отсутствует, то это означает, что содержание элемента может достигать 1…1,5 %.

Для элементов, сильно действующих на свойства (N, B, V), их присутствие в стали указывают в маркировке, даже если их содержание составляет сотые или тысячные доли процента.

Марки высококачественных сталей имеют в конце букву А, а особовысококачественные – две буквы А. В инструментальных легированных сталях и сплавах с особыми физическими свойствами, которые всегда высококачественные или особовысококачественные, буква А не указывается.

Буква Ш в конце марки означает, что сталь получена методом электрошлакового переплава и относится к категории особовысококачественных. Примеры маркировки: 12Х2МФА, 15Х2НМФАА, 30ХГС-Ш, 12Х2МВ8ФБ, 12Х25Н16Г7АР, 15Х6СЮ.

Некоторые конструкционные и инструментальные стали имеют в начале марки букву, характеризующую область применения: А – автоматные стали; Ш – шарикоподшипниковые стали; Р – быстрорежущие стали; Е – стали для постоянных магнитов. У сталей, применяемых для литья, в конце марки указывается буква Л.

Соответствие некоторых отечественных марок легированных сталей с зарубежными аналогами представлено в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Дата добавления: 2015-08-03