Лекция 11. Легированные стали
Общие положение Легирующий элемент – элемент, введенный в сплав с целью направленного изменения её свойств Легирующие элементы влияют: • на полиморфизм железа; • на карбидообразование в системе Fe-C • на превращения переохлажденного аустенита • на превращения при отпуске закаленной стали К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si, Al
§ 1. Влияние на полиморфизм железа Диаграммы с -стабилизатором образующим открытую -область, Например, Ni, Со, Mn, Ir, Os, Pt образующим расширенную -область, Например, C, N, Cu, Zn, Au, Hg
Влияние на полиморфизм железа Диаграммы с -стабилизатором образующим замкнутую -область, образующим ограниченную -область, Например, Cr, Si, Mo, W, Ti, Al, Be, Nb, P, V Например, B, Zr
§ 2. Маркировка легированных сталей Буква Элемент Буква Что обозначает А в середине марки Азот П Фосфор Ш В начале марки стали означает, что сталь шарикоподшипниковая Б Ниобий Р бор Л В конце марки стали означает, что сталь литейная В Вольфрам С Кремний -Ш Кд кадмий Ш магний В конце марки означает, что сталь особовысококачественная. Перед Ш ставится тире Г Марганец Т титан Э В начале марки - сталь электротехническая (ЭИ, ЭП) Д Медь Ф Ванадий А В начале марки – сталь автоматная, если она легирована свинцом, после буквы А стоит С (0, 15 -0, 30%) А В конце марки – сталь высококачественная Р В начале марки – сталь быстрорежущая. После буквы Р пишут содержание вольфрама. М Молибден Ю Алюминий Е Селен Х Хром К Кобальт Ц Цирконий Л Бериллий Н Никель
§ 3 Карбидообразование По отношению к углероду ЛЭ разделяются на две группы: • карбидообразующие элементы, образующие с углеродом устойчивые карбиды. К ним относят Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti; • элементы, не образующие карбиды – Ni, Si, Co, Al, Cu, N. Эти элементы практически полностью растворяются в феррите и аустените, влияя на их свойства Ряд по возрастанию склонности к образованию карбидов – Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti. Ti
Карбидообразование При введении в сталь карбидообразующего элемента (десятые доли процента; для несильных карбидообразователей – 1 -2%) образование карбида этого элемента чаще всего не происходит. Атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в пространственной решетке цементита, при этом образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита. Карбид марганца не образуется при любых содержаниях марганца. Формулу легированного цементита записывают обычно как (Fe, Cr)3 C или (Fe, Mn)3 C (или в общем виде Ме 3 С – эта запись означает, что три атома металла приходится на один атом углерода).
Карбидообразование • Сильные карбидообразователи – Mo, W, V, Nb, Ti – образуют фазы внедрения, поэтому чаще всего образуются карбиды Ме. С или при большем содержании углерода Ме 2 С. Эти карбиды отличаются тугоплавкостью и практически нерастворимы в аустените. Из-за их нерастворимости аустенит обедняется углеродом. • Промежуточное положение по карбидообразующей способности занимает Cr, который широко используется для легирования. Хром в количестве до 10% образует карбид Cr 7 C 3, а при большем его содержании Cr 23 C 6. Карбиды хрома растворяют железо и другие легирующие элементы в значительном количестве, поэтому их чаще записывают как Ме 7 С 3 и Ме 23 С 6. Особо сильно совместное влияние хрома, молибдена и вольфрама. При этом возможно образование вместо фаз внедрения сложных карбидов типа Ме 6 С. В отличие от фаз внедрения растворимы в аустените, но для этого требуется высокая температура.
Дисперсионное упрочнение • Специальные карбиды Ме 7 С 3, Ме 23 С 6 и Ме 6 С являются очень твердыми, поэтому одной из причин легирования сталей является карбидное упрочнение (упрочнение в результате упрочнение образования мелкодисперсных карбидов). • Легирование стали, помимо карбидообразования, вызывает и образование других фаз. Упрочнителями стали являются нитриды (нитридное упрочнение) и карбонитриды упрочнение (карбонитридное упрочнение), например, VN, Ta. N, Ti. N, (V, Nb, упрочнение Ti)N, (V, Nb)(C, N), Fe 4 N. • В ряде сталей образуются интерметаллиды (например, Ni 3 Mo, (Fe, Co)2 Mo), иногда используется интерметаллидное упрочнение • Эти вопросы подробнее будут рассмотрены в последнем разделе «Промышленные сплавы»
§ 4 Влияние легирующих элементов на С-образные кривые изотермического распада переохлажденного аустенита Углеродистая сталь Легированная сталь
Основные типы диаграмм изотермического распада переохлажденного аустенита Углеродистые и низколегированные стали, не содержащие карбидообразующих элементов Сложнолегированные конструкционные стали с повышенным содержанием никеля или марганца Легированные конструкционные стали Высокохромистые стали
Термокинетическая (а) и изотермическая (б) диаграммы превращений аустенита в стали 35 Х • Мн – температура начала мартенситного превращения • Мк – температура конца мартенситного превращения • Vкр – критическая скорость охлаждения
4. 1 Влияние легирующих элементов на диффузионное перлитное превращение Обусловлено влиянием атомов легирующих элементов на перестройку кристаллической решетки. Все ЛЭ, за исключением кобальта, замедляют перлитное превращение Атомы большинства ЛЭ гораздо менее подвижны, чем атомы углерода, т. к. крупнее чем атомы углерода Атомы ЛЭ препятствуют движению атомов углерода и замедляют диффузию углерода Атомы ЛЭ уменьшают скорость полиморфного превращения -фазы в фазу В результате перлитное превращение происходит медленнее, что отражается на смещении С-образных кривых превращения переохлажденного аустенита вправо
Влияние легирующих элементов на положение критических точек ЛЭ, по-разному влияя на положение критических точек диаграммы фазового равновесия Fe-Fe 3 C, смещают положение температуры эвтектоидного превращения. Например, • Тi, Mo, Si, W существенно повышают её введение 4% Мо или W приводит к повышению точки Ас1 до 900 о. С, • Ni, Mn понижают Ас1 – 8 %Ni или 12% Mn до 600 о. C.
Влияние легирующих элементов на химический состав и морфологию перлита • Все ЛЭ сдвигают эвтектоидную точку S влево, в сторону понижения содержания углерода в легированном перлите. Например, введение 4% Cr или Mn приводит к смещению её до 0, 55 %С (по массе), 2 %Мо – до 0, 25 %С (по массе). • Кроме того, легирование приводит к появлению в перлите легированных феррита и карбидов. Эти факторы обусловливают изменение параметров морфологии перлита – размера эвтектоидной колонии и межпластиночного расстояния
4. 2 Влияние легирующих элементов на сдвиговое мартенситное превращение • Связано с уменьшением критической скорости охлаждения и увеличением прокаливаемости, происходящими из-за сдвига С-образной кривой вправо • Уменьшение критической скорости охлаждения приводит к тому, что многие легированные стали подвергают закалке не в воде, а в масле, что уменьшает возникающие напряжения и вероятность растрескивания изделия • Рост прокаливаемости стали особо сильно проявляет себя при комплексном легировании стали. Например, при закалке в воде стали 45 критический диаметр равен 20 мм, в то время как изделия из стали 40 ХН 2 МА диаметром 120 мм прокаливаются насквозь при охлаждении в масле
Влияние ЛЭ на температуры интервала мартенситного превращения • Температуры начала Мн и конца Мк мартенситного превращения существенное зависят от содержания в стали углерода и ЛЭ. • Температуры начала Мн и конца Мк мартенситного превращения существенное зависят от содержания в стали углерода и ЛЭ. • В стали с 1, 0 %С введение 4 % Ni вызывает понижение Мн с 180 до 100 о. С, 2 %V до 100 о. С, введение 5 %Со приводит к повышению Мн до 250 о. С. Отметим, что введение до 6% Si практически никак не сказывается на температуре начала мартенситного превращения.
Влияние ЛЭ на количество остаточного аустенита • Изменяя Мн и Мк легирующие элементы влияют на количество остаточного аустенита в закаленной стали - Mn, Cr, Ni существенно повышают его, Co, Al снижают. Например, введение 4% Ni приводит к увеличению количества остаточного аустенита с примерно 10 до 38%, введение 3% Al приводит к уменьшению его количества вдвое.
ЛЭ влияют на морфологию выделений мартенсита • размер игл, • тип выделений (иглы, рейки), • сопряжение кристаллических решеток между исходным переохлажденным аустенитом и образующимся из него мартенситом
4. 3 Влияние легирующих элементов на промежуточное бейнитное превращение • в значительной степени обусловлено смещением С-образной кривой вправо. • Так как ряд стадий бейнитного превращения осуществляется по диффузионному механизму, оно замедляется, но замедление его происходит не в той же степени как у перлитного превращения. • Легирование может привести к разделению перлитного и бейнитного превращений на Собразной кривой. Обычно это наблюдается у высоколегированных сталей.
Закалка на бейнит • Если произошло разделение превращений, то вместо применяемой бейнитной закалки углеродистых сталей – закалки с изотермической выдержкой в интервале температур бейнитного превращений, можно получить бейнит при охлаждении на воздухе от температуры аустенитной области
Влияние ЛЭ на морфологию выделений бейнита • изменяется толщина и форма выделений феррита и карбидов, • их химический состав. • Особенно повышается вязкость бейнита у сталей, легированных кремнием, у которых бейнит состоит из феррита и обогащенного углеродом аустенита, а карбид отсутствует
§ 5 Влияние ЛЭ на превращения при отпуске закаленной на мартенсит стали • Среднелегированная сталь, закаленная на мартенсит, представляет собой смесь мартенсита и остаточного аустенита. После отпуска образуется троостит или сорбит отпуска, состоящие из механической смеси дисперсных, глобулярных простых карбидов и легированного феррита. Роль легирующих элементов состоит лишь в повышении температуры превращений мартенсита. Практически температурная зона превращения мартенсита среднелегированной стали на несколько десятков градусов выше по сравнению с обычной углеродистой сталью • Если в легированной стали не содержится карбидообразующих элементов, то характер превращений не отличается от таковых в углеродистой стали.
Среднелегированные стали • При отпуске стали, содержащей карбидообразующие элементы в интервале температур 450 -550 о. С, образуются сложные легированные, глобулярные по форме, карбиды. Эти карбиды отличаются сравнительно малой склонностью к росту при выдержке. Образование их приводит к замедлению темпа понижения твердости и прочности стали при повышении температуры отпуска (см. следующий слайд). Лишь при достижении 650 -700 о. С, когда рост карбидов становится уже значительным, наблюдается существенное понижение твердости. • Если сталь содержит много карбидообразующих элементов, то часто выделение большого количества дисперсных высоколегированных карбидов сопровождается отчетливым повышением твердости. На следующем слайде показано изменение твердости стали 35, легированной разным количеством молибдена. Видно, что с увеличением количества молибдена уменьшение твердости при повышении температуры отпуска сменяется повышением её в интервале температур 400 -600 о. С.
Высоколегированные стали • Если сталь содержит много карбидообразующих элементов, то часто выделение большого количества дисперсных высоколегированных карбидов сопровождается отчетливым повышением твердости. На следующем слайде показано изменение твердости стали 35, легированной разным количеством молибдена. Видно, что с увеличением количества молибдена уменьшение твердости при повышении температуры отпуска сменяется повышением её в интервале температур 400 -600 о. С.
Изменение твердости при отпуске закаленной стали с различным содержанием молибдена
§ 6 Общая классификация легированных сталей • Все стали по количеству легирующих элементов делятся на – углеродистые (нелегированные); – низколегированные – суммарное содержание легирующих элементов до 2, 5%; – среднелегированные или легированные – суммарное содержание легирующих элементов от 2, 5 до 10%; – высоколегированные - суммарное содержание легирующих элементов более 10%; • Кроме того, стали подразделяют в зависимости от того, какие химические элементы были в них введены. Например, выделяют хромистые, марганцовистые, никелевые, хромоникелевые, хромомарганцевомолибденовые и другие стали.
Классы стали по фазовому равновесию • • • перлитный, ферритный, аустенитный, ледебуритный, полуферритный, полуаустенитный
Область эвтектоидного распада в системе Fe-Fe 3 C-Mn
Проекция на плоскость поверхности ликвидус системы Fe-Cr-C
Изотермический разрез диаграммы равновесия Fe-Cr-C при 100 о. С
Вертикальные разрезы диаграмм фазового равновесия Fe-Cr-C при 1, 6 и 15 %Сr
Диаграммы для разделения хромистых и вольфрамовых сталей по структуре фазового равновесия
классификация по Гийе • Принято классифицировать стали по структуре, получающейся при охлаждении с 900 о. С на воздухе образцов диаметром 25 мм, на следующие структурные классы: • перлитный, • бейнитный, • мартенситный, • ледебуритный, • аустенитный • ферритный. Кроме того, выделяют смешанные классы – – аустенито-ферритный – феррито-мартенситный и другие
Диаграмма Гийе для никелевых и хромистых сталей
Стали делятся по качеству: • стали обыкновенного качества (содержат не более 0, 040% фосфора и не более 0, 050 % серы); • качественные стали (не более 0, 035% фосфора и не более 0, 035 % серы); • высококачественные стали (не более 0, 025% фосфора и не более 0, 025 % серы); • особовысококачественные стали (не более 0, 025% фосфора и не более 0, 015 % серы).
Классификация легированных сталей по применению конструкционные инструментальные с особыми физическими свойствами
Скачать презентацию Лекция 11 Легированные стали Общие положение Легирующий
Бакалавры_Металлурги_2013_весна_лекция 12.ppt