Легированные конструкционные стали. 1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей
1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей
● большинство легирующих элементов растворены в решетке железа (за исключением Ag, Pb, Cu);
● элементы, имеющие высокое сродство к углероду образуют карбонные фазы
Fe ―› Cr, Mo, W, Nb, Ta, Zr, Ti
―――――――――――――――――›
Fe3C TiC
HB ~ 8000 МПа HB ~ 29000 МПа;
● некоторые элементы образуют интерметаллидные фазы: Fe2Mo, Ni3Ti, Ni3Al
Большинство легирующих элементов повышают твердость стали
Большинство легирующих элементов уменьшают ударную вязкость
(кроме Ni) и повышают порог хладноломкости.
Все эти элементы, имеющие смещение линий с-образных диаграмм вправо (кроме Со) лучше всего замедляют перлитные превращения, что дает следующие преимущества:
- Vкр становится меньше;
- закаливать можно в масле;
- увеличивается прокаливаемость.
Многие легирующие элементы тормозят рост зерен: карбидообразующие (Ti, V, Zr) ~ 0,01-0,05% - природомелкозернистые стали.
Некоторые легирующие элементы замедляют распад мартенсита (Si, Mo, W)
Некоторые легирующие элементы устраняют отпускную хрупкость (Mo, W) ~ 0,3%
Все легирующие элементы понижают интервал мартенситного превращения
Итог: легированные стали дороже, но при правильном подборе легирующих элементов легированные стали прочнее, надежней и технологичней (прокаливаемость, скорость охлаждения), чем углеродистые (%N ≤ 5, %(Cr, Si) ≤ 2, %(Ti, V, Mo) ≤ 0.2-0.4).
Принцип маркировки:
_ _ ________________ _________
(1) (2) (3)
(1) – среднее содержание углерода в %;
(2) – буквы и цифры – легирующие элементы, их количество в %;
(3) – показатель качества:
[-] – качественные
[А] – высококачественные
[ЭШП, ВАП, ЭЛП] – особовысококачественные;
- если элемента ≤ 1% - цифра не ставится;
- Ni – Н, Cr – Х, Mn – Г, Mo – М, W – В, V – Ф, Si – С, Ti – Т, Al – Ю, Nb – Б, B – Р, Co – К;
Пример: 40ХН5МФА
2. Легированные стали нормальной и повышенной прочности
Это низколегированные стали (%легирующ. эл. ≤5)
1) цементуемые стали
нормальная прочность, σU (σB) < 1000 МПа, %С ~ 0,1-0,25.
Примеры:
20Х, 18ХГТ, 20ХГМ (прокаливаемость до 25-60 мм), 20ХНЗА (до 100 мм), 18Н4МА (выше 100 мм).
Типичные применение и ТО (детали, работающие в условиях трения и ударов, ХТО – цементация + упрочняющая ТО – закалка + низкий отпуск), получаемые свойства –
σU (σB), МПа | δ, % | KCU, % |
~700-1000 | 10-12 | 0,6-1 |
2) улучшаемые стали
повышенной прочности, σU (σB) ~ 1000-1500 МПа, %С ~ 0,3-0,5.
Примеры:
40Х (прокаливаемость до 30 мм), 30ХГСА (до 40 мм), 40 ХНМА (до 100 мм), 38Н3МЮА (до 100 мм, азотируемая сталь)
Типичные применение и ТО (детали машин, работа при статических, небольших ударных и циклических нагрузках – валы, оси, полуоси, ТО – закалка + высокий отпуск 500-600°С), получаемые свойства:
σU (σB), МПа | δ, % | KCU, % |
~1000-1200 | 10-12 | 0,8-1 |
Итог: легируемые стали имеют широкий диапазон свойств, глубокую прокаливаемость и потому применимы для сложных и ответственных, более крупных деталей машин, работающих при средних и умеренных нагрузках.
Для низколегированных сталей по содержанию углерода определен уровень прочности, типичные твердость и применение, подбирают легирующие элементы по прокаливемости.
3. Высокопрочные легированные стали
Свойства:
σU (σB), МПа | δ, % | KCU, % |
≥1500 | ≥10-12 | 0,2 |
1) комплекснолегированные стали
% легирующих элементов ≥ 4
% С ~ 0,35-0,4
σB ≥ 1500 МПа
% Ni ~ 2-5, вязкость до 5%
% Si ~ 1,5, %(W, Mo, V) ~ 0,2-0,4 – задерживает распад М при отпуске, высокое качество при выплавке, «А» или «ЭШП»
Пример: 40ХН5МФА, 40ХН2СВА
ТО – закалка (в масле или на воздухе) + низкий отпуск (Мотп), 250-300°С, полученные свойства:
σU (σB), МПа | δ, % | KCU, % |
~1850-2000 | ~11-13 | 0,5 |
2) мартенситно-стареющие стали
а) углерод не применяется;
б) Ni – max, 10-20%;
в) для получения высокой прочности используется различная растворимость элементов замещения в решетках Feγ и Feα, лучше всего Mo (до 7%), Ti (до 3%), Al (до 2%), Cu (до 10%).
Упрочняющая ТО:
● закалка 820-860°С, воздух. При нагреве Mo, Ti, Al в аустените растворяются, а после охлаждения получается пересыщенный твердый раствор замещения – мартенсит, получаемые свойства:
σU (σB), МПа | δ, % | ψ, % |
~1000 | ~25 |
Такой мартенсит имеет достаточно низкую прочность и очень высокую пластичность, закалку выполняют в заготовках и после этого изготавливают деталь окончательно;
● старение: 500-600°С, 4-6 часов, из Ме выделяются частицы упрочняющих фаз: Fe2Mo – фаза Лавеса, Ni3Ti, Ni3Al – интерметаллиды, получаемые свойства:
σU (σB), МПа | δ, % | KCU/KCV/КСТ, % | к/с, МПа ![]() |
~2000-2500 | ~10-12 | 0,5/0,3/0,2 | ~100-150 |
Такой к/с – одно из самых больших значений в технике
Мартенситно-стареющие стали не чувствительны к концентрационным напряжениям, у них нет явной хладноломкости, не ограничена прокаливаемость, нет изменения размеров и короблений при ТО, они исключительно технологичны.
Пример: 03Н18К9М5Т
Применение: для силовых и тяжелонагруженных ответственных деталей, в том числе для крупногабаритных изделий сложной формы, для эксплуатации в низких температурах, для транспортировки жидких газов, в ракетостроении.