Влияние легированных элементов на свойства стали.
Лекция 11.
Классификация сталей. Химический состав
Чугун – это сплав железа с углеродом, с содержанием последнего от 2% до 7%. По структуре различают чугуны серые, белые, высокопрочные, половинчатые, ковкие.
Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержание до 2,14% углерода. Кроме того, в состав сплава обычно входят марганец, кремний, сера и фосфор; некоторые элементы могут быть введены для улучшения физико-химических свойств, специально (легирующие элементы).
Классификация сталей. Химический состав
Стали, классифицируют по самым различным признакам.
В зависимости от химического состава различают стали:
· углеродистые ГОСТ 380-71, ГОСТ 380-94
· легированные ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79.
Углеродистые стали могут быть:
- малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%
- среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%
- высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%
Степень раскисления.
По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:
- спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами сп в конце марки (иногда буквы опускаются)
- кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами кп (ст3)
- полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами пс
Стали, в зависимости от содержания вредных примесей: серы и фосфора-стали подразделяют на:
· Стали обыкновенного качества. Изготавливаются по ГОСТ 380 содержание примесей: до 0,06% серы и до 0,07% фосфора. Ст0, Ст1, Ст2, …Ст80 (количество углерода в сотых долях %).
- Качественные, ГОСТ 4543 - содержит ограниченное количество внешних примесей до 0,04% серы и до 0,06% фосфора. Ст8, Ст10, Ст15, (количество углерода в сотых долях %)
- Высококачественные - до 0,03% серы и фосфора (Cт 0,8A, Cт 10A, Cт 15A, Cт 80A).
По назначению стали бывают:
- Конструкционные – предназначаются для изготовления различных деталей машин. Они обладают высокими показателями прочности. Такие стали в зависимости от условий работы могут подвергаться цементации или термическому улучшению.
- Инструментальные – для изготовления инструмента (режущий, мерительный, штамповый и др.). ГОСТ – 1435. Основные требования к сталям этого типа – высокие показатели твердости и износостойкости.
- Особого назначения предназначены для различных специальных целей и используются как коррозионностойкие, жаропрочные и магнитные и др.
Инструментальные стали подразделяются на:
· Качественные У7, У8…У13 (десятые доли % С) S,P≤0,03. Применение: ударный инструмент HRC=40÷45
· Высококачественные У7А, У8А…У13А (десятые доли % С) S,P≤0,02. Применение: резцы, фрезы, сверла, развертки HRC=60÷62.
Сталь конструкционная легированная(ГОСТ 4543-71) дороже углеродистой стали, но обладает рядом важных преимуществ: более высоким пределом текучести, возможностью управлять после закалки и отпуска прочностными и пластическими свойствами, лучшей коррозионной стойкостью и износостойкостью.
По отношению к термической обработке легированные стали подразделяются на:
· Цементируемые. К ним относятся низкоуглеродистые стали, содержащие, как правило, несколько легирующих элементов. Содержание углерода 0,1-0,2%. Характерным отличием этих сталей является их способность значительно упрочняться при цементации.
· Улучшаемые. Содержание углерода 0,25-0,45%. Эти стали поддаются термическому улучшению – закалке и отпуску.
Легированная сталь.
Легированные стали имеют в своем составе компоненты, вводимые в количествах предающих определенные специальные свойства стали: например прочность, тугоплавкость, защиту от коррозии, упругость.
Процент таких добавок, обычно, не высок, но эффект бывает поразительный. Например, сталь с содержанием не менее 1% хрома и не менее 3% никеля очень прочная, используется для ответственных соединений - болтов, гаек. После закалки такое изделие прослужит долго, несмотря на то, что процент углерода снижен, для увеличения ковкости стали.
Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а
стали – легированными.
В инструментальных сталях легирующими являются молибден, в тугоплавких - вольфрам/хром, в коррозионностойких - хром, никель.
В нержавеющей стали - это долговечность, свариваемость без термообработки, нейтральность к агрессивным средам, ковкость, и т.д.
Достоинства легированных сталей:
- улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели
сопротивления пластическим деформациям (σт);
- легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;
- возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.
Недостатки:
- подвержены обратимой отпускной хрупкости;
в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;
- склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств, вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.
- склонны к образованию флокенов.
Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали.
Все легирующие элементы увеличивают прокаливаемость стали (кроме кобальта).
Классификация легированных сталей по числулегирующих элементов:
- Fe+C+1эл – тройная сталь
- Fe+C+2эл – четверная сталь
- Fe+C+3эл – пятерная сталь
При добавлении больше 3-х элементов сталь называется сложной.
Легированные стали подразделяют на:
- низколегированные содержание легирующих элементов 0 ÷ 2,5%
- среднелегированные 2,5% ÷ 10% легирующих элементов
- высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.
По структуре легирования стали делятся на классы:
- аустенитный
- ферритный
- перлитный
- мартенситный
- карбидный
По отношению к термообработке:
· цементируемая (12ХН3А)
· азотируемая и цементируемая (20Х3МВФА)
· азотируемая (30Х2МЮА)
· улучшаемая (40ХФА, 30ХГСА, 40ХН2МА)
· высокопрочные (30ХГСН2А)
· литейные (35ХГС)
По назначению:
· заклепочные (20Г2)
· пружинные (50ХФА, 65С2ВА)
Маркировка сталей.
Качественные стали(ГОСТ 4543) маркируют следующим образом:
- в начале марки указывают содержание углерода цифрой, соответствующей его средней концентрации;
- в сотых долях процента для сталей, содержащих до 0,65% углерода;
Например:
05кп – сталь углеродистая качественная, кипящая, содержит 0,05% С
60 – сталь углеродистая качественная, спокойная, содержит 0,60% С
- в десятых долях процента для инструментальных сталей, которые дополнительно снабжаются буквой У:
Например:
У7 – углеродистая инструментальная, качественная сталь, содержащая 0,7% С, спокойная (все инструментальные стали хорошо раскислены);
У12 - углеродистая инструментальная, качественная сталь, спокойная содержит 1,2% С;
Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначают русскими буквами:
| Обозначения компонентов | ||
| А | азот | N |
| К | кобальт | Co |
| Т | титан | Ti |
| Б | ниобий | Nb |
| М | молибден | Mo |
| Ф | ванадий | V |
| В | вольфрам | W |
| Н | никель | Ni |
| Х | хром | Cr |
| Г | марганец | Mn |
| П | фосфор | P |
| Ц | цирконий | Zr |
| Д | медь | Cu |
| Р | бор | B |
| Ю | алюминий | Al |
| E | селен | Se |
| С | кремний | Si |
| Ч | редкоземельные металлы | - |
Если после буквы, обозначающей легирующий элемент, стоит цифра, то она указывает содержание этого элемента в процентах. Если цифры нет, то сталь содержит 0,8-1,5% легирующего элемента, за исключением молибдена и ванадия (содержание которых в солях обычно до 0,2-0,3%), а также бора (в стали с буквой Р его должно быть не менее 0,0010%).
Пример обозначения:
14Г2 – низко легированная качественная сталь, спокойная, содержит приблизительно 0,14% углерода и до 2,0% марганца.
03Х16Н15М3Б - высоко легированная качественная сталь, спокойная содержит 0,03% C, 16,0% Cr, 15,0% Ni, до 3,0% Мо, до 1,0% Nb.
Высококачественные и особовысококачественные стали маркируют, так же как и качественные, но в конце марки высококачественной стали ставят букву А, (эта буква в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введённого в сталь), а после марки особовысококачественной - через тире букву Ш.
Например:
У8А - углеродистая инструментальная высококачественная сталь, содержащая 0,8% углерода;
30ХГС-III – особовысококачественная среднелегированная сталь, содержащая 0,30% углерода и от 0,8% до 1,5% хрома, марганца и кремния каждого.
Отдельные группы сталей обозначают несколько иначе.
Шарикоподшипниковые стали маркируют буквами ШХ, после которых указывают содержание хрома в десятых долях процента:
ШХ6- шарикоподшипниковая сталь, содержащая 0,6% хрома;
ШХ15ГС - шарикоподшипниковая сталь, содержащая 1,5% хрома и от 0,8 до 1,5%
Марганца и кремния.
Способы выплавки:
Ш – электрошлаковый переплав.
СШ – синтетический шлак
ВД – вакумно-дуговой переплав
Влияние легированных элементов на свойства стали.
Легирующие элементы не только улучшают механические свойства стали (главным образом в термически обработанном состоянии), но в значительной степени изменяют ее физические и химические свойства.
Влияние отдельных легирующих элементов на свойства стали сводится в основном к следующему:
Углерод – вызывает упрочнение, повышает твердость, но уменьшает пластичность.
Хром затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаростойкость, режущие свойства и стойкость на истирание. При значительных количествах хрома (> 13%) сталь становится нержавеющей и жаростойкой.
Марганец >0,8% резко повышает прочность, и твердость стали, увеличивает прокаливаемость, уменьшает коробление при закалке, повышает режущие свойства стали, но вместе, с тем способствует росту зерна при нагреве, чем снижает стойкость стали к ударным нагрузкам.
Кремний до 0,4% значительно повышает упругие свойства стали, но несколько снижает ударную вязкость.
Никель повышает упругие свойства стали, не снижая вязкости, противодействует росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали. При значительных количествах никеля сталь становится немагнитной,
коррозионностойкой и жаропрочной.
Молибден противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали вследствие образования карбидов, уменьшает склонность стали к хрупкости при отпуске, повышает жаростойкость стали.
Бор – увеличивает прокаливаемость и жаропрочность стали, содержание в стали от 2 до 4% равнозначно действию 1% Ni 0,5% Cr и 0,3% Мо, измельчает зерно, повышает ударную вязкость, текучесть прокаливаемость, образует карбиды, с углеродом.
Кобальт повышает прочность стали при ударных нагрузках, улучшает жаропрочность и магнитные свойства стали.
Вольфрам, так же как и молибден, повышает твердость и режущие свойства стали, уменьшает рост зерен при нагреве, повышает жаростойкость.
Ванадий способствует раскислению стали, противодействует росту зерна, повышает твердость и режущие свойства стали.
Титан является раскислителем стали, способствуя также удалению из нее азота, благодаря чему сталь получается более плотной, однородной и жаропрочной.
Таким образом, легированная сталь удовлетворяет самым разнообразным требованиям машиностроительной промышленности и во многих случаях заменяет более дорогие цветные металлы и сплавы.