Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства

«Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства»

1. Общая характеристика легированных сталей

Около 10% всей выплавленной стали является легированной. Легированные стали обладают рядом специфических свойств: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

В качестве легирующих элементов выступают: Cr, Ni, Si, Mn, Mo, W, V, Ti, Mo и т.д.

Следует отличать примеси и специально вводные элементы:

Si до 0,2 – 0,4% – в качестве примесей (обычная углеродистая сталь);

Si до 0,9 – 1,0% – легированная сталь (Si – вводят специально);

V – 0,05 – 0,1% – легированная ванадием сталь;

Ti – 0,1% – легированная титаном сталь.

В – 0,002 – 0,003% – легированная бором сталь.

Т.о., легированная сталь – это сталь в которую специально вводятся легирующие компоненты.

2. Распределение легирующих элементов в стали

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут находится:

1) в свободном состоянии (Pb, Cu, Ag);

2) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

3) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений (Al₂O₃, TiO₂, V₂O₅, MnS, и т.д.)

4) в виде легированного цемента или самостоятельных специальных карбидов;

5) В форме твердого раствора в железе.

Рассмотрим некоторые из них:

свинец (Pb), медь (Cu), серебро (Ag) – практически нерастворимы в железе, находятся в свободном состоянии.

Возможные оксиды:

Al₂O₃, TiO₂, V₂O₅ – зависят от метода ведения плавки.

Все легирующие элементы (Ni, Cr, W, V, Mn, Co и т.д.), за исключением C, N, H и частично В, образуют твердые растворы замещения.

C, N, H, B – образуют твердые растворы внедрения.

3. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа

Все легирующие элементы, за исключением C, N, H, В, растворяясь в железе, замещая его атомы, влияют на положение критических точек (А₃ (точка G) и А₄ (точкаN)), определяющих температурную область существования б- и г- железа.

Т.о., легирующие элементы делятся на две группы:

1-я группа – элементы стабилизирующие аустенит (г- фазу).

2-я группа – элементы стабилизирующие феррит (б- фазу).

К элементам первой группы относятся Ni и Mn, которые понимают точку А₃, и повышают точку А₄. В результате этого на диаграмме Fе – л.э. наблюдается расширение области г- фазы и сужение области существования б- фазы.

Рисунок 1

Рассмотрим три сплава:

І сплав – г- фаза закристаллизовалась и существует до комнатной температуры, т.е. сплав с концентрацией л.э. > x₂ не испытывает фазовых превращений (б ? г). Такие сплавы называют аустенитными.

ІІ сплав – происходит частичное превращение г ? б. Это аустенито-ферритные сплавы (полуаустенитные).

ІІІ сплав – происходит полное полиморфное превращение. Такие сплавы называют ферритными (полностью образуется б- фаза).

К элементам І группы относятся также Cu, C, N – при небольшом содержании в сплаве они расширяют область существования г- фазы, а при большом содержании сужают однофазную область г- фазы или образуют химическое соединение – е- фазу(рис. 2).

Cu, C, N – образуют химическое соединение – е.

Рисунок 2.

Элементы второй группы – Cr, W, Mo, V, Si, Al, Ti и др. – понижают точку А₄ и повышают точку А₃. (Все эти легирующие элементы имеют ОЦК-решетку, за исключением Al (ГЦК)).

При определенной концентрации легирующих элементов критические точки А₄ и А₃, а также их интервалы, сливаются, и область г- фазы полностью замыкается (выклинивается) (рис. 3).

Рисунок 3

При содержании легирующего элемента (л.э.) > y₁ %, сплавы (типа I) при всех температурах состоят из твердого раствора л.э. в б-железе. Такие сплавы называются – ферритными (например, образуются при содержании Cr>12%).

Сплавы типа ІІ – имеют частичное превращение б?г и называются феррито-аустенитными (полуферритными).

Сплавы типа ІІІ – сплавы с полным полиморфным превращением б?г.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка S диаграммы Fе – С) и предельную растворимость углерода в г- железе (точка Е).

Легирующие элементы: Ni, Co, Si, W, Mo, Cr, Mn – точки S и Е сдвигают влево в сторону меньшего содержания углерода, а V, Ti, Nb – наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Например:

введение 5% Cr сдвигает т. S до 0,5% С; т. Е до 1,3% С;

введение 10% Cr сдвигает т. S до 0,25ч0,3% С; т. Е до 1% С.

Пример. Быстрорежущая сталь (самокал – закаляется на воздухе). Содержит углерода 0,7 – 0,8%, W – 9ч18%. Происходит значительное смещение точек E и S. При таком легировании и содержании углерода в структуре образуется ледебурит (сталь относится к ледебуритному классу).

4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, твердость не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением Mn и Si (2,5 – 3,0%) – которые сильно упрочняют феррит и снижают относительное удлинение (рис. 4).

Рисунок 4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость, б – ударная вязкость

Из рисунка 4, а:

Ni, Si, Mn – особенно сильно повышают твердость, а элементы Cr, W, Mo – значительно меньше повышают твердость (даже при больших концентрациях).

Из рисунка 4, б:

Ni, Si, Mn – при малых концентрациях (1 – 3%) повышают ударную вязкость;

Mo, Si. W – снижают ударную вязкость при всех концентрациях.

Рисунок 5. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа

Наиболее ценным легированным элементом, является Ni, т.к. он повышает прочность не снижая пластичности и ударной вязкости; снижает порог хладноломкости.

Легирующие элементы, растворяясь в г- Fе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерен низкий предел текучести (у_т) при сравнительно высоком пределе прочности (у_в). Аустенит легко наклепывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации.

5. Карбидная фаза в легированных сталях

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы: Si, Ni, Cu, Al;

2) карбидообразующие элементы:

Fе ? Mn ? Cr ? Mo ? W ? Nb ? V ? Zr ? Ti – расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз.

Элементы Fe, Mn, Cr, Mo, W – образуют сложные карбиды, которые легко растворяются в аустените.

Nb, V, Zr, Ti – образуют специальные карбиды, трудно растворимые в аустените.

При таком содержании в стали Mn, Cr, W, Mo, они растворяются в цементите, замещая часть атомов Fе и образуя легированный цемент: (Fе,М)₃С, где М – легирующий элемент.

Мn может заместить в решетке цементита все атомы Fе: Fе₃С ? Mn₃C;

Cr – до 2,5% ат (Fе,Cr)₃С;

Мо – до 3% ат (Fе,Мо)₃С;

W – до 0,8ч1,0% ат (Fе,W)₃С, если в стали большее содержание легированного элемента, то происходит образование специальных карбидов.

При повышенном содержании Cr, W, Mo в зависимости от содержания углерода в стали могут образоваться специальные карбиды.

При содержании Cr > 2,5% образуется специальный карбид Cr₇С₃ (М₇С₃ – общий вид), часть атомов Cr может быть заменена атомами железа (Cr,Fе)₇С₃ (до 55% Fе).

При еще больших содержаниях Cr (> 10ч12%) образуется карбид (Cr, Fе)₂₃С₆, (М₂₃С₆) (Fе до 35%).

Возможно образование сложных карбидов:

Fе₃Мо₃С в общем виде: М₆С, М₄С

Fе₂Мо₂С

Fе₃W₃С

Fе₂W₂С.

Приняты следующие обозначения карбидов: М₃С (карбид цементитного типа), М₂₃С₆, М₇С₃, М₆С, М₄С, МС.

Карбиды в сталях можно разделить на две группы:

1-я группа: М₃С, М₇С₃, М₂С₆, М₆С (М₄С) – имеют сложное кристаллическое строение, легко растворяются в аустените при нагреве.

2-я группа: МС, М₂С,VC, TiC, NbC, TаC, ZrC, Mo₂C, W₂C, WC – все это твердые растворы вычитания (недостаток углерода), имеют кубический тип решетки. При нагреве не растворяются в аустените.

Отличаются эти карбиды высокой температурой плавления, высокой твердостью. Микротвердость TiC: Нм2800 – 3200.

Интерметаллические соединения. Образуются при большом содержании легирующего элемента: Fе₇Мо₇, Fе₇W₆, Fe₃Nb₂, FeTi, FeCr, FeV, FeCrMo.

6. Классификация легированных сталей по структуре

7. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали

При легировании особенно сильно повышается предел текучести, относительное сужение, ударная вязкость. Легирующие элементы (л.э.) уменьшают критическую скорость закалки, повышая прокаливаемость. После термической обработки (ТО) легированные стали имеют более мелкое зерно и более мелкие дисперсные структуры.

Однако высокое легирование может ухудшать обрабатываемость резанием, свариваемость, повысить порог хладноломкости.

V, Ti, Nb, Zr (до 0,05ч0,15%) – образуют труднорастворимые карбиды, измельчают зерно, понижают порог хладноломкости, снижают хрупкость, уменьшают чувствительность к концентратам напряжений.

Мо, W – повышает прокаливаемость, измельчают зерно, повышают устойчивость перед отпуском.

Si – обеспечивает высокую вязкость, замедляет процесс отпуска мартенсита.

Mn – приводит к упрочнению наклепом.

W, Mo, Cr, V – повышают красностойкость.

В – повышает износостойкость.

Mn, Cr, B, Ni, Mo – обеспечивают высокую прокаливаемость.

Cr, Mo, S – сильно упрочняют сталь, сохраняя высокую плотность дефектов; увеличивают дисперсность карбидных частиц.

Cu, Ni или одновременно Cu и Р – повышают коррозионную стойкость в атмосфере (10ХСНД, 15ХСНД).

V (0,05-0,12%) и N (0,015-0,025) – измельчают зерно (балл 10-12).

Ni – повышает сопротивление крупному разрушению, увеличивает пластичность и вязкость, понижает температуру порога хладноломкости (1% Ni – на 60-80⁰С).

Литература

1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 1972, 1980.

2. Гуляев А.П. Металловедение. М., 1986.

3. Антикайн П.А. Металловедение. М., 1972.