Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ

Федеральноегосударственноеобразовательноеучреждение

высшегоипрофессиональногообразования

Сибирскийфедеральныйуниверситет

Красноярск, 2007

Металловедениеитермическаяобработкаметаллов

Лекции

Факультет: Технологический

Длястудентовспециальности 150105

Металловедениеитермическаяобработка

металлов

Датапоследнегоизменения

Специальныесталиисплавы

ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНТСТВОПООБРАЗОВАНИЮ

Федеральноегосударственноеобразовательноеучреждение

высшегоипрофессиональногообразования

Сибирскийфедеральныйуниверситет

Металловедениеитермическаяобработка

металлов

Лектор: КовалеваАнгелинаАдольфовна,

доцент, кандидаттехническихнаук

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленного производства во всех отраслях науки и

техники требует повышения качества существующих и создания новых

материалов с заранее заданными свойствами. Удивительный мир различных

материалов, как на Земле, в ее недрах, так и в космическом пространстве,

позволяет расширять наши познания в этой отрасли.

Как видно из данных истории развития человеческого общества, люди

с древнейших времен научились использовать металлы. Они находили

металлы в природе или получали их из руды, создавая различные сплавы.

В настоящее время наиболее развито производство черных металлов и

сплавов. В меньшей степени используются сплавы, полученные из цветных

металлов, но и их производство постоянно возрастает. Кроме того, ученые и

практики создают новые искусственные материалы, обладающие

уникальными свойствами. Эти материалы сочетают малый удельный вес,

электрические, магнитные, химические свойства с повышенными

характеристиками прочности, тепло- и жаростойкости.

Известно огромное количество разнообразных материалов,

используемых при создании машин и агрегатов для различных областей

народного хозяйства. Поэтому изучение сталей и сплавов является

необходимым при подготовке инженеров любой специальности.

Специальные стали – это предмет о сталях различного назначения.

Задачей курса является изучение принципов легирования, основы создания

различных групп сталей и сплавов, их свойств, особенностей, возможности

изменять имеющиеся свойства, т.е. глубокое, всестороннее исследование

свойств и структуры сталей, а также возможности их применения.

Опубликовано много литературных источников, описывающих стали и

сплавы определенного назначения, например, конструкционные стали,

инструментальные стали, штамповые стали и т.д. Однако очень мало издано

литературы, в которой были бы собраны сведения о материалах различного

назначения.

В предлагаемом учебном пособии дается представление о большинстве

металлических материалов и их использовании.

Повышение качества металлических материалов, расширение

сортамента металлопродукции, экономия материалов –это основные задачи ,

стоящие перед металлургами и потребителями сталей и сплавов. Наиболее

ответственные детали и конструкции изготавливают из качественных

легированных сталей. Стали имеют различные свойства, химический состав.

Они отличаются по технологии производства.

«Специальные стали и сплавы» - предмет, изучающий стали и сплавы

различного назначения. Стали – зто сплавы железа с углеродом, содержание

которого изменяется от 0.05 до 1.35%. Они различаются свойствами ,

технологией производства, обработкой, структурой.

Знание принципов , лежащих в основе разработки сталей , режимов их

обработки, позволяет создавать новые стали, имеющие высокий комплекс

прочности и пластичности , что позволяет использовать их для конструкций

и изделий ответственного назначения.

Задачей курса является – гоубокизучение принципов легирования и

основы создания различных групп сталей.

Стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью. В

соответствии с требованиями их используют для различных изделий.

Производство сталей развивалось особенно быстрыми темпами с 1918 года.

Стали расти и требования, предъявляемые к свойствам сталей. Кроме

основных требований появилась необходимость в получении новых свойств,

таких как химические, магнитные, электрические и др.

Изучением свойств сталей ученые и технологи занимаются с давних

времен.Впервцые в 1851г. русским ученым металлургом Аносовым П.П. был

открыт закон о связи строения и свойств металлов. Сопоставляя

макроструктуру изготавливаемых булатов с их режущими свойствами,

Аносов П.П. писал: «если коленчатым и сетчатым булатом легко перерезать в

воздухе газовый платок, то и моим булатом я могу делать то же самое». В

своей работе о булатах он писал: «примесь марганца к стали в малом

количествен до 1/200 доли не производит в ней видимой перемены, а если

его содержание увеличить до 1/100 доли, то сталь станет тверже, хрупче и

вообще грубою. С увеличением количества марганца до 1/50 доли сталь

делается столь ломкой, что при ударах колется по длине, соответственно

направлению слоев ее составляющих…», « хром и особенно титан, при

одинаковом количестве, меньше вредят стали, чем марганец». Исследования

и заключения Аносова о влиянии различных элементов на свойства и

структуру стали оставались верными в течении века.

Закон о взаимной связи строения и свойств металлов получил развитие

в трудах Д.К.Чернова. Он впервые указал на существование критических

температур и на их зависимость от концентрации углерода.

Затем были разработаны основы теории легирования сталей. Получены

стали с новыми свойствами. И.Н.Богачев с сотрудниками разработал новые

кавитационно-стойкие стали с нестабильным аустенитом.

Лекция № 1.

План лекции:

Содержание курса, задачи курса.

Роль советских ученых в создании сталей и сплавов специального

назначения.

Основные определения и понятия.

Достоинства и недостатки углеродистых сталей.

Пути повышения эксплуатационных характеристик сталей.

Стали – это сплавы железа с углеродом, содержание которого не

превышает 2,14 %. Стали отличаются друг от друга технологией

производства, обработкой, структурой, свойствами, назначением. Знание

принципов, лежащих в основе разработки сталей, их режимов термической

обработки позволяет создать новые наиболее экономно-легированные сплавы,

обладающие высоким комплексом свойств.

Качество конструкционных материалов в современной технике связано

с комплексом механических свойств: высокая прочность, твердость,

упругость сочетается с хорошей пластичностью и вязкостью. Кроме того, для

деталей, конструкций требуются дополнительные свойства, такие как

жаропрочность, магнетизм, износостойкость, электросопротивление и т.д.

Люди с давних времен научились изменять свойства металлических

изделий в нужном направлении. Путем кропотливого поиска, методом проб и

ошибок они создавали определенные материалы, обладающие нужными

свойствами. Были разработаны материалы, которые можно использовать в

условиях глубокого холода (около температуры абсолютного нуля).

Только при помощи специальных приборов и оборудования можно

измерить многие свойства материалов. Это стало возможно в начале ХХ в.,

когда появились научно обоснованные подходы к проблеме улучшения

механических свойств материалов.

Для наиболее эффективного использования стали следует знать ее

строение, связь структуры и свойств. Закон о взаимосвязи строения и свойств

материалов был описан в трудах Д.К. Чернова – «отца металлографии

железа, теории и практики термической обработки металлов и сплавов». Им

были открыты основные параметры, необходимые для построения и

изучения диаграммы железо–углерод. Он впервые описал критические

температуры и зависимость их от концентрации углерода.

Были разработаны основы влияния легирующих элементов на

структуру и свойства сталей. Изменить структурное состояние сплавов

можно путем легирования, термической обработки или пластической

деформации, а также комбинированными методами.

Требования современной промышленности с каждым годом

возрастают, что вызывает необходимость создания новых сталей и

упрочнения уже имеющихся. Стали должны быть экономически выгодными.

Стали, у которых одно или несколько свойств развиты в нужном

направлении, называют специальными.

Специальные стали – это сплавы на основе железа, отличающиеся от

углеродистых сталей особыми свойствами, обусловленными либо их

химическим составом, либо способом производства, либо способом

обработки (Э. Гудремон).

Любая сталь содержит не только железо и углерод, но и другие

элементы, которые делят на примеси и легирующие элементы.

Легирующие элементы – это элементы, специально вводимые в сталь для

придания ей требуемых структуры и физико-химических свойств. Для

легирования используют элементы, которые имеются в данной стране.

Минеральные ресурсы каждой страны накладывают свой отпечаток на

производство и использование сталей. В связи с этим технико-экономическая

структура сталей – национальная. В каждой стране разрабатывают свою

систему стандартов, рекомендаций, цен на стали.

Раздел 1. Общие вопросы легирования сталей.

Лекция № 2.

План лекции:

Классификация легирующих элементов. Влияние легирующих

элементов на критические точки сталей.

Классификация сталей. Маркировка сталей.

Металлургическое качество сталей.

Примеси и их классификация.

Неметаллические включения.

Влияние примесей и неметаллических включений на свойства

легированных сталей. Стандартизация. Экономическая эффективность

использования легированных сталей.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Большинство элементов периодической системы Менделеева может

быть введено в расплав для придания сплавам новых свойств. Такие

элементы называют легирующими. К ним относятся Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, V,

Co, Cu, Ti, Zr, Nb, Al, B. В некоторых случаях в качестве легирующих

элементов используют P, S, N, Se, Te и др.

Легирующие элементы классифицируют:

на металлы группы Fe – Co, Ni, Mn;

тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше

температуры плавления Fe, – W, Mo, Nb, V, Cr;

легкоплавкие – Al;

редкоземельные металлы – лантан (La), неодим (Ne), церий (Се),

иттрий (Y) и др. (редкоземельные металлы часто используются в виде

лигатуры).

По степени сродства к углероду легирующие элементы делят на

карбидообразующие (Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn) и

некарбидообразующие (Cu, Ni, Co, Si, Al).

Влияние легирующих элементов на критические точки сталей:

Все легирующие элементы оказывают влияние на температуру

критических точек А

, А

, изменяя вид диаграммы «Fe – легирующий

элемент». По Ф. Ведэру, легирующие элементы подразделяются на

следующие группы (рис. 1):

1. Легирующие элементы, расширяющие γ-область, увеличивающие А

и уменьшающие А

, т.е. γ-область с некоторой концентрацией элемента

может существовать до комнатной температуры. Это аустенитообразующие

элементы, такие как Ni, Mn, Co, Pd, Pt (рис. 1, а).

2. Элементы, образующие ограниченную гомогенную γ-область из-за

формирования новых фаз, – N, C, Cu, Zn (рис. 1, б).

3. Элементы, сужающие α-область, увеличивающие А

уменьшающие А

, т.е. ферритообразующие – Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As,

Su, Sb (рис. 1, в).

4. Элементы, образующие область, ограниченную гетерогенными

областями, – В, Re (рис. 1, г).

Л.э., %

а)

Л.э., %

б)

Л.э., %

в)

Л.э., %

г)

Рис. 1 Влияние легирования на критические точки сталей

Т,

Некоторые изменения в третьей группе элементов вносит хром. Он

влияет двояко: при введении его в малых количествах одновременно

понижаются температура А

и А

, а при увеличении содержания хрома

температура А

повышается, а А

понижается, т.е. образуется петля (рис. 2).

Fe Cr

Рис. 2 Влияние хрома на критические температуры железа

Рис. 3 Влияние легирования на положение точки Ас

в стали

Такое влияние элементов на полиморфизм железа обусловлено

наличием разных кристаллических решеток у железа (α, γ), различием

атомного диаметра, характером и энергией межатомного взаимодействия,

электронным строением атомов железа и легирующих элементов.

При легировании железа несколькими элементами одновременно их

влияние на свойства не суммируется.

Карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации

углерода и температуру γ → α-превращений. Некарбидообразующие

Ж + Тв

γ + α

0 2 4 6 8 10 Л.э., %

Т,

1 100

900

700

500

элементы понижают температуру диссоциации углерода и критическую

температуру стали при легировании Ас

(рис. 3).

Некарбидообразующие элементы сдвигают точку S в сторону меньшего

содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы – в сторону

большего содержания углерода, т.к. они уменьшают количество эвтектоида в

стали (рис. 4).

Рис. 4 Влияние легирующих элементов на положение температуры Ас

и содержание углерода

Рис. 5. Влияние легирующих элементов на содержание углерода

в эвтектоиде (изменение точки S)

Молибден и вольфрам сначала уменьшают, а затем увеличивают

соедржание углерода в эвтектоиде (рис. 5). Сильные карбидообразующие

элементы, такие, как титан, ниобий, ванадий, мало растворяются в феррите,

образуют стойкие карбиды и поэтому снижают содержание углерода в

эвтектоиде.

900

800

700

600

500

0 2 4 6 8 10 12

Л.э.

, %

0,80

0,60

0,40

0,20

, %

Т,

0 2 4 6 8 10 Л.э., %

0,6

0,4

0,2

, %