Углеродистые и легированные стали Лекция Свойства Fe

Углеродистые и легированные стали Лекция

Свойства Fe При 20 °С плотность Fe r=7. 87 г/см 3 • Fe имеет три полиморфные модификации: -Fe с ОЦК решеткой от точки плавления А (1539 °С) до J (1392 °С) -Fe с ГЦК решеткой в интервале температур G (911 °С) – J (1392 °С). -Fe с ОЦК решеткой стабильно от Т< 911°С (G) до комнатной Ниже 769 °С (температура Кюри (точка A 2)) -железо ферромагнитно, выше — парамагнитно

У железа зонной плавки в = 50 МПа, = 70 % и твердость 60 НВ. Технически чистое железо (0. 1 0. 02 % примесей и не более 0, 025 % С ) имеет в = 200 300 МПа, = 30 50 % и твердость 80 100 НВ. Стали содержат до ~ 2 % С Влияние содержания углерода на механические свойства отожженной углеродистой стали Влияние содержания углерода на твердость отожженной (1) и закаленной (2) углеродистой стали

Примеси в углеродистых сталях Примеси сера, фосфор, водород, азот, кислород Технологические добавки - марганец и кремний Сера (S) вызывает красноломкость (межзеренное разрушение во время горячей деформации при 1000 -1200 °С из-за оплавления эвтектики + Fe. S (Тпл эвтектики 988 °С). Содержание д. б. менее 0, 05 %. Фосфор (P) –усиливает хладноломкость, т. е. повышает температуру перехода из хрупкого состояния в вязкое. Содержание д. б. менее 0, 04 %. Газовые примеси (Н, N, О)— содержаться в сотых и тысячных долях. Водород образует флокены – тончайшие трещины. Кислород связан в оксиды - ухудшают механические свойства стали. Марганец (Mn) вводят для раскисления и для десульфурации. Не более 0, 8 %. Марганец немного повышает прочность стали. Если в стали соотношение Mn : S < (8. . . 10), то вся сера связывается в тугоплавкий сульфид марганца и красноломкость не возникает. Mn. S снижает мех. св-ва. Кремний (Si) вводят для раскисления. Не более 0, 3 %.

Деформируемые конструкционные стали Стали обыкновенного качества Марка стали C, % масс. в, МПа т, МПа , % Ст1 кп 0, 06 – 0, 12 310 – 400 — 32 – 35 Ст2 кп 0, 09 – 0, 15 330 – 420 190 – 220 30 – 33 Ст2 пс 0, 09 – 0, 15 340 – 440 200 – 230 29 – 32 Ст2 сп 0, 09 – 0, 15 340 – 440 200 – 230 29 – 32 Ст. Зсп 0, 14 – 0, 22 380 – 490 210 – 250 23 – 26 Ст. ЗГпс 0, 14 – 0, 20 380 – 500 210 – 250 23 – 26 Ст4 сп 0, 18 – 0, 27 420 – 540 240 – 270 21 – 24 Ст5 сп 0, 28 – 0, 37 500 – 640 260 – 290 17 – 20 Ст6 сп 0, 38 – 0, 49 >600 300 – 320 12 – 15 КП- не более 0, 05 % Si ПС 0, 05 -0, 15 % Si СП 0, 15 -0, 30 % Si Mn - 0, 25 -0, 80 %. Буква Г после цифры обозначает 1, 1 -1, 2%Mn. P– 0, 04 и S -0, 05 % Качественные стали Марка стали С, % в, МПа т, МПа , % 08 кп 0, 05 – 0, 11 330 200 33 10 0, 07 – 0, 14 340 210 31 15 0, 12 – 0, 19 380 230 27 20 0, 17 – 0, 24 420 25 30 0, 27 – 0, 35 500 300 21 40 0, 37 – 0, 45 580 340 19 50 0, 47 – 0, 55 640 380 14 60 0, 57 – 0, 65 690 410 12 0, 04 % S и 0, 035 % Р Mn 0, 35 -0, 80 %, Si 0, 17 -0, 37 %. Si< 0, 03 % (05 кп, 08 кп) Si<0, 07 % (10 кп, 15 кп, 20 кп)

По содержанию углерода качественные конструкционные стали подразделяют на • низкоуглеродистые (< 0, 25 % С) 10, 15, 20 и 25 (цементуемые) • среднеуглеродистые (0, 3 - 0, 5 % С) 30, 35, 40, 45 и 50 (улучшаемые, упрочняют поверхностной закалкой с нагревом ТВЧ ) • высокоуглеродистые (0, 6 - 0, 8 % С) 60, 65, 70, 75, 80 и 85 (подвергают нормализации, закалке и отпуску или поверхностной закалке) Автоматные стали или стали повышенной обрабатываемости резанием S до 0, 25 % и P до 0, 15 % (иногда Pb до 0, 3 %) которые делают стружку ломкой. A 11, А 12, А 20, АЗО, А 35 и АС 14, АС 40 среднее содержание углерода в сотых долях процента Автоматная сталь Pb

Конструкционные литейные углеродистые стали 15 Л, 20 Л, 25 Л, ЗОЛ, 35 Л, 40 Л, 45 Л, 50 Л < 0, 9 % Мn < 0, 52 % Si < 0, 06 % S и 0, 08 % Р Механические свойства KCU, МДж/м 2 Марка стали в, МПа 0, 2, МПа , % 15 Л 400 24 0, 50 50 Л 580 340 11 0, 24

Инструментальные углеродистые стали • У 7, У 8, У 9, У 10, У 11, У 12 и У 13 • < 0. З Mn, 0. 3 Si, 0. 028 S, 0, 03 Р • У 12 А высококачественная < S и P Инструментальная У 10, У 12, У 13 после закалки и низкого отпуска >60 HRC+износостойкость Недостатки: • Малая глубина прокаливаемости, не позволяющая изготавливать инструмент сечением более 20 25 мм • Резкое смягчение стали при разогреве режущей кромки выше 200 250 °С, что ограничивает скорость резания твердых материалов

Промышленные чугуны обычно содержат 2, 0 4, 5 % С, 1, 0 3, 5 % Si, 0, 5 1, 0 % Mn, до 0, 3 % Р и до 0, 2 % S Si – способствует графитизации • СЧ 35 Mn – препятствует графитизации Цифра - Предел прочности в кгс/мм 2 Содержание, % Марка чугуна S Р в, МПа, не менее С Si Mn СЧ 10 3, 5 – 3, 7 2, 2 – 2, 6 0, 5 – 0, 8 0, 3 0, 15 100 СЧ 15 3, 5 – 3, 7 2, 0 – 2, 4 0, 5 – 0, 8 0, 2 0, 15 150 СЧ 20 3, 3 – 3, 5 1, 4 – 2, 4 0, 7 – 1, 0 0, 2 0, 15 200 СЧ 25 3, 2 – 3, 4 1, 4 – 2, 2 0, 7 – 1, 0 0, 2 0, 15 250 СЧЗО 3, 0 – 3, 2 1, 3 – 1, 9 0, 7 – 1, 0 0, 2 0, 12 300 СЧ 35 2, 9 – 3, 0 1, 2 – 1, 5 0, 7 – 1, 1 0, 2 0, 12 350 не более

Марка чугуна в, МПа Содержание, % 0, 2, МПа , % Si* Мn ВЧ 35 3, 3 – 3, 8 1, 9 – 2, 9 0, 2 – 0, 6 350 22 ВЧ 40 3, 3 – 3, 8 1, 9 – 2, 9 0, 2 – 0, 6 400 250 15 ВЧ 45 • ВЧ (цифра) С* не менее 3, 3 – 3, 8 1, 9 – 2, 9 0, 3 – 0, 7 450 310 10 ВЧ 50 3, 2 – 3, 7 1, 9 – 2, 9 0, 4 – 0, 7 500 320 7 ВЧ 60 3, 2 – 3, 6 2, 4 – 2, 6 0, 4 – 0, 7 600 370 3 ВЧ 70 3, 2 – 3, 6 2, 6 – 2, 9 0, 4 – 0, 7 700 420 2 ВЧ 80 3, 2 – 3, 6 2, 6 – 2, 9 0, 4 – 0, 7 800 480 2 ВЧ 100 3, 2 – 3, 6 3, 0 – 3, 8 0, 4 – 0, 7 1000 700 2 • ЧВГ (цифра) не более 40 % шаровидного графита

• КЧ 37 -12 относительное удлинение, % Материал В, МПа , % Литейная углеродистная сталь 400 – 860 24 – 10 Серый чугун с пластинчатым графитом 100 – 350 < 1, 0 Ковкий чугун 300 – 800 12 – 1, 5 Высокопрочный чугун с шаровидным графитом 350 – 1000 22 – 2

Легированные стали • Сплавы на основе Fe, в состав которых кроме углерода преднамеренно введены один или несколько легирующих элементов для улучшения различных свойств. • 1. 2. 3. 4. 5. 6. Цели легирования: упрочнение через повышение прокаливаемости повышение красностойкости окалиностойкости жаропрочности коррозионной стойкости в агрессивных средах получение особых электрических и магнитных свойств < 2, 5 % - низколегированные 2, 5 - 10 % – легированными > 10 % – высоколегированные

Элементы, присутствующие в легированной стали 1. 2. 3. 4. • • Примеси, или тех. добавки (P, S), (Mn, Si) (0, 3 – 0, 7 % Mn; 0, 2 – 0, 4 % Si; 0, 01 – 0, 05 % P; 0, 01 – 0, 04 % S; P и S в сумме должно быть < 0, 05 %) + газовые примеси O, N, H. Легирующие элементы случайные в зависимости от руды: Cu – из уральской руды As – из керченской руды Sn, Zn, Sb, Pb – с металлоломом из луженой жести Ni и Cr – с ломом легированных сталей Специально введённые легирующие элементы: Mn, Cr, Ni, Mo, W, V, Zr, Ti, Nb и др. Mn, Cr, Ni, Mo – повышают прокаливаемость Ni снижает температуру хрупко-вязкого перехода Тхр W, V, Zr, Ti, Nb и др. – карбидообразователи в аустените, измельчают зерно, что также снижает Тхр, повышают вязкость разрушения, снижают чувствительность к концентраторам напряжений Mo и W подавляют склонность к отпускной хрупкости и повышают прокаливаемость стали. Легированные стали содержат добавки в количествах, больших, чем это необходимо для металлургического производства (для раскисления) Если добавок > 55 % - не сталь, а специальный сплав на основе железа

• Первая цифра в марке легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях для конструкционных сталей в десятых долях – для инструментальных сталей и для сталей с особыми свойствами, 15 Х, 30 ХГСА, 40 ХНМА. 3 Х 2 В 8, 5 Х 4 М, 9 ХС. 2 Х 13, 4 Х 14 Н 14 В 2 М Если содержание углерода 1 %, то цифру опускают (ХВГ - 1 % С, Х 12 М – 1, 6 % С) • Буквенное обозначение легирующих элементов и его содержание в %. Если оно близко к 1 %, то цифра опускается. Mn обозначается в марке буквой Г, Mo – М, Cu – Д, Cr – Х, Ni – Н, W – В, V – Ф, Ti – Т, Co – К, Si – С, N – А (но не в конце и не в начале марки), Al – Ю, Nb – Б, B – Р (но не в начале марки), Zr и Ca (в начале марки за А) – Ц, P – П, Se – Е • • • Буква А в конце марки - высокое качество по примесям (S и P <0, 025), высокочистые по примесям конструкционные стали обозначают буквой Ш в конце марки после тире (30 ХГС–Ш). Легирование азотом обозначается в середине марки - Х 17 Г 9 АН 4 - 0, 2 % N. Особые обозначения сталей специального назначения – буквы в начале марки: Р – быстрорежущая, далее % основного элемента: Р 18 (18 % W); Р 6 М 5 (6 % W, 5 % Mo). Ш – шарикоподшипниковая , далее Cr в 0, 1%, например, ШХ 6 (1 % С и 0, 6 % Cr); ШХ 15 (1 % С и 1, 5 % Cr) Э – электротехническая , затем в десятых долях % Si, например, Э 12 (0, 8 – 1, 8 % Si) – трансформаторная сталь.

Влияние легирующих элементов на структуру сталей Часто классифицируют по структуре образцов диаметром 25 мм после охлаждения с ~ 900 С в спокойном воздухе. Классы различаются по степени устойчивости аустенита в перлитной области : перлитный класс (перлит, сорбит или троостит); бейнитный класс – со структурой бейнита; мартенситный класс – мартенсит образуется при охлаждении на воздухе (такие стали называют самокальными); ледебуритный и аустенитный классы – мартенситная точка ниже 0 С ферритный класс. Феррит Аустенит Карбиды (легированный цементит и спец. карбиды)

• Ni, Co – не образуют карбидов в Fe (7 и 8 электронов на внешней оболочке) • Fe, Mn, Cr, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti – карбидообразующие (6 электронов (у Fe) и менее) • Все легирующие элементы (растворимые и карбидообразующие) замедляют аустенизацию при нагреве (кроме Mn и Si) • Карбидообразующие сдерживают рост аустенитного зерна

С – кривые углеродистой (пунктир) и легированной стали Увеличивается прокаливаемость снижение скорости распада аустенита из-за легирования всеми (кроме Co) элементами благодаря 1) необходимости перераспределения в аустените легирующих элементов, атомы которых значительно менее подвижны, чем атомы углерода; 2) замедления диффузии углерода в присутствии легирующих элементов; 3) необходимости диффузии легирующих элементов с образованием специальных карбидов, обогащенных этими элементами; 4) уменьшения скорости полиморфного превращения. В результате при закалке в воде стали 40 критический диаметр = 20 мм, а 40 ХН 2 МА = 150 мм (при закалке в масле – 115 мм)

Состав и свойства некоторых строительных сталей Содержание, % Марка стали в , МПа 0, 2, МПа , % С Si Mn N V Cu Ст3 сп 0, 14 0, 22 0, 15 0, 30 0, 40 0, 65 - - - 370 480 245 26 09 Г 2 С <0, 12 0, 5 0, 8 1, 3 1, 7 - - - 470 325 21 15 Г 2 СФД 0, 12 0, 18 0, 4 0, 7 1, 3 1, 7 - 0, 05 0, 10 0, 15 0, 30 550 390 18 0, 3 -0, 6 1, 3 1, 7 0, 015 0, 025 0, 08 0, 14 590 440 20 16 Г 2 АФ 0, 14 - 0, 2

Машиностроительные стали для холодной штамповки • т/ в = min => высокое равномерное удлинение р, невысокая твердость и прочность и большое общее удлинение => 08 кп (недостаток склонность к деформационному старению) • 08 Ю (не кипит) и 08 Фкп => лучше! (не склонны к деформационному старению) • феррито-мартенситные стали 09 Г 2, 06 ХГСЮ, 12 ХМ - если необходима повышенная прочность изделий Схема кривых растяжения двухфазной ферритомартенситной стали 12 ХМ и нестареющей стали 08 Ю

Улучшаемые легированные стали • • Содержат 0, 2 -0, 5%С. Для повышения прокаливаемости добавляют Сr, Mn, Si, Ni. Cr – наиболее популярен (40 Х) V и Ti (до 0, 10 0, 15 %) образуют карбиды, сдерживающие рост зерна аустенита при нагреве под закалку (40 ХФА мелкое зерно, выше мех. св-ва, ударная вязкость и рабочие температуры по сравнению с 40 Х) 40 ХГТ или 40 ХГТР добавка Ti и V необходима, чтобы скомпенсировать влияние марганца, увеличивающего склонность к росту зерна аустенита. Хромомарганцево-кремниевые стали типа 30 ХГСА (хромансиль), имеют неплохую прокаливаемость и свариваемость. Ni увеличивает прокаливаемость и повышает вязкость стали, снижает порог хладноломкости, но увеличивает склонность к обратимой отпускной хрупкости. Mo – устраняет хрупкость. Хромоникельмолибденовая сталь с небольшой добавкой ванадия марки 38 ХНЗМФА с наивысшей прокаливаемостью. Изготавливают ответственные тяжело нагруженные детали большого сечения, работающие при температурах до 400 °С. Прочностные свойства легированных сталей после закалки и высокого отпуска выше, чем у качественных углеродистых с равным содержанием углерода Способствуют развитию отпускной хрупкости • Cr, Ni и Mn • Примеси Основные меры предотвращения отпускной хрупкости следующие: • Уменьшение содержания вредных примесей при выплавке стали; • Ускоренное охлаждение с температур отпуска выше 600 °С – вода, масло (это нельзя реализовать в центре массивных изделий, а для сложных форм из-за коробления – нежелательно ускоренное охлаждение, могут возникать остаточные напряжения); • Введение в сталь добавки 0, 2 0, 3 % Мо (и W), которые задерживает сегрегацию вредных примесей.

Стали для цементации Схема цементации Используют стали 0, 08 – 0, 25 %С легированные хромом и никелем типа: 15 Х, 18 ХГТ, 15 ХФ, 12 ХН 3 А, 18 Х 2 Н 4 МА. В цементуемом слое содержание углерода доходит до 0, 8 – 0, 9 %.

Пружинные стали • • • Должны обладать высокими пределом упругости и релаксационной стойкостью. Пружинные стали легируют кремнием (около 2 %), марганцем до 1 %, хромом, молибденом, вольфрамом и/или ванадием. Упрочнению пружинных сталей – закалка и отпуск, эту обработку применяют как к углеродистым, так и к легированным сталям Преимущества легированных по сравнению с углеродистыми после деформационного наклепа и стабилизационного отжига больше релаксационная стойкость и меньше упругое последействие; легированные стали имеют большую, чем углеродистые прокаливаемость, и после меньших скоростей охлаждения у них меньше остаточные напряжения; повышенная устойчивость к отпуску у легированных сталей позволяет сочетать после среднего отпуска высокие характеристики упругости и прочности; у легированных сталей меньше температурная зависимость модуля упругости и большая, чем у углеродистых теплостойкость.

МС стали • Fe-Ni-Co, Fe-Ni-Cr, Fe-Cr-Co + Mo, Co, Ti, Al • 0, 03 %С • Матрица после закалки - -твердый раствор мартенсита, пересыщенный элементами замещения. • В процессе распада твердого раствора выделяются упрочняющие интерметаллидные фазы • МС стали характеризуются сочетанием высокой (2000 – 2500 МПа) или сверх- высокой прочности (2500 – 3500 МПа) с высоким сопротивлением хрупкому разрушению

Подшипниковые стали • Высокой твердостью, износостойкостью, сопротивлением контактной усталости. • Этим требованиям удовлетв. хромистые стали с 1%С после закалки в масло и низкого отпуска • Сталь ШХ 15 (0. 15%Cr и 1%С) , ШХ 6 и ШХ 9. • Структура – мартенсит и равномерно распределенные округлые карбиды (Fe, Cr)3 C. • Твердость после закалки должна быть не ниже HRC 60 – 65, тогда можно получить в = 2300 – 2600 МПа, но и 0 %. Отпуск при 170 – 230 С дает уменьшение закалочных напряжений и повышение вязкости при сохранении HRC 60 – 61.

Инструментальные легированные стали Легированные стали для режущего и мерительного инструмента Требования: твердость режущей кромки HRC 63 – 66 высокая прочность и сопротивление малым пластическим деформациям тепло- (красно-) стойкость до температур 250 С. Удовлетворяют требованиям: низкоотпущенные высокоуглеродистые заэвтектоидные стали со структурой мартенсит + карбиды. Стали неглубокой прокаливаемости, легированы хромом, ванадием, вольфрамом (7 ХФ, 9 ХФ, ХВ 4, В 2 Ф) Стали глубокой прокаливаемости - больше хрома – до 1, 7 %, м. б. Mn, Si, W (9 Х 1, Х). Сталь 9 ХС в воде прокаливается до 70 мм, а в масле до 40.

Быстрорежущие стали Горячая твердость при 500 С – для инструментальных сталей 250 НВ 500 для быстрорежущих высоколегированных 600 НВ 500 Стали ледебуритного (карбидного класса) – высоколегированный мартенсит, устойчивый против распада до 620 – 630 С, и дисперсные специальные карбиды, устойчивые к укрупнению, типа Ме 6 С (где Ме - W, Mo, Fe), Me. C (V), Me 23 C 6 (Cr). Р 6 М 5 Марка стали начинается с буквы Содержат 4 % хрома Р Содержание вольфрама 18 Содержание, % 5%Mo Механические свойства Марка стали С Сr W Мо V в, МПа 0, 2, МПа HRC Х*) 0, 95 -1, 1 1, 3 -1, 65 – – – 2300 – 62 -65 9 Х 1*) 0, 8 -0, 95 1, 4 -1, 7 – – – 1960 -2160 1670 -1760 63 9 ХС 0, 85 -0, 95 -1, 25 Si 1, 2 -1, 6 – – 2900 – 59 -63 Р 18*) 0, 7 -0, 8 3, 8 -4, 4 17, 0 -18, 5 <1 1, 0 -1, 4 3000 (изгиб) 3060 (сжатие) 66 Р 6 М 5*) 0, 8 - 0, 9 3, 8 -4, 4 5, 5 -6, 5 5, 05, 5 2, 3 -2, 7 3000 (изгиб) 3100 (сжатие) 67 *)Содержание Mn и Si до 0, 4%

Штамповые стали Стали для инструмента горячего деформирования Должны иметь высокую прочность и твердость, вязкость, окалиностойкость при температурах нагрева инструмента. должны сопротивляться термической усталости Разгаростойкость тем выше, чем ниже температурный коэффициент линейного расширения, больше теплопроводность и вязкость стали Стали для горячей деформации можно разделить на 3 группы: - умеренной теплостойкости и повышенной вязкости (для молотовых штамповвысокая ударная вязкость и прокаливаемость) легируют Ni и Mn, мало Cr, W, Mo, (5 ХНМ, 3 Х 2 МНФ) эвтектоидные или доэвтектоидные; - повышенной теплостойкости и вязкости - > карбидообразователей Cr, W, Mo, , 0, 3 – 0, 4 (4 Х 5 МФС, 4 Х 4 ВМФС) ; - высокой теплостойкости еще больше карбидообразователей, до 15 Сo, 0, 2 – 0, 3 С (ЗХ 2 В 8 Ф, 3 Х 2 В 8).

Штамповые стали для холодного деформирования Требования: Должны иметь высокую твердость, износостойкость и вязкость Содержат 0, 6 до 2 % С, а так же Cr, W, Mo, Si, V X 12 ВМ, Х 6 ВФ Подвергают закалке (950 – 1050 С) и низкому отпуску (150 – 250 С) Содержат мартенсит, карбиды типа Ме 7 С 3 и остаточный аустенит

Стали с особыми свойствами Коррозионностойкие стали Хромистые стали 08 X 13 феррито-мартенситный класс 12 Х 17 ферритная сталь 40 X 13 мартенситный класс Аустенитные стали 18 -10 Аустенито-ферритные 18 % Сr и 10 % Ni 12 Х 18 Н 10 Т 08 Х 22 Н 6 Т, 03 Х 26 Н 6 Т

Жаропрочные и жаростойкие стали жаропрочность - сопротивлением деформации и разрушению при высоких температурах жаростойкость - сопротивление газовой коррозии Теплоустойчивые стали Для работы до ~ 600 °С содержат менее 0, 2 % С 12 Х 1 МФ Хром упрочняет -раствор, образует специальные карбиды и повышает сопротивление окислению. Молибден, находясь в -растворе на основе железа, увеличивает силы межатомной связи, что повышает сопротивление ползучести. Ванадий образует при отпуске очень дисперсные и стойкие против укрупнения частицы карбида VC.

Жаропрочные аустенитные стали 650 850 °С Аустенитные стали с карбидным упрочнением содержат 0, 25 0, 5 % С хром и никель для стабильности аустенита карбидообразующие элементы - молибден, вольфрам, ванадий, ниобий ЭИ 481 для изготовления крупных деталей ответственного назначения — турбинных дисков, бандажных колец, а также крепежных деталей энергетических установок Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат < 0, 1 % С никеля (до ~ 38 %) титан, алюминий, вольфрам, молибден, ниобий и др. ЭИ 696 применяют для работы при температуре до 700 °С (детали газотурбинных двигателей)

Жаростойкие стали Жаростойкие (окалиностойкие) стали применяют для изготовления изделий, работающих при температурах выше 550 °С в ненагруженном или слабо нагруженном состоянии Жаростойкость сталей повышается при легировании элементами образующими на поверхности изделия плотные и прочные защитные пленки хромом, алюминием и кремнием 08 X 13 15 X 28 Х 18 Н 9