Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы
Подождите немного. Документ загружается.
11
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ
До настоящего времени нет единой классификации сталей. В связи с
этим их классифицируют по химическому составу, качеству, степени
раскисления, структуре, прочности, назначению.
По химическому составу стали подразделяют:
на углеродистые: малоуглеродистые (содержание углерода составляет
до 3 %), среднеуглеродистые (0,4–0,6 %), высокоуглеродистые (> 0,6 %);
легированные: низколегированные (содержание легирующих
элементов составляет до 3 %), среднелегированные (3–10 %),
высоколегированные (более 10 %).
По составу основных легирующих элементов стали бывают никелевые,
хромоникелевые, марганцовистые, хромистые и т.д.
По назначению выделяют конструкционные и инструментальные
стали.
Конструкционные – это стали, применяемые для изготовления
различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и
строительстве и обладающие определенными физическими, химическими и
механическими свойствами. Конструкционные стали подразделяют на
строительные, арматурные, машиностроительные и высокопрочные.
Инструментальные – это стали, применяемые для обработки
материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью,
прочностью, износостойкостью и рядом других свойств. Выделяют стали
для режущего инструмента, для быстрорежущего инструмента, для
ударного инструмента, для измерительного инструмента и штамповые
стали.
В зависимости от равновесного состояния стали бывают
доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.
По структурным составляющим стали классифицируют:
на перлитные (углеродистые и низколегированные);
аустенитные (высоколегированные);
мартенситные (легированные и высоколегированные);
ферритные (высоколегированные);
ледебуритные;
бейнитные;
двухфазные – феррит + аустенит (Ф + А), феррит + мартенсит (Ф + М),
феррит + перлит (Ф + П), аустенит + мартенсит (А + М).
По качеству выделяют стали обыкновенного качества, качественные,
высококачественные, особовысококачественные. В соответствии с ГОСТ РФ
качество сталей определяется, прежде всего, содержанием примесей серы и
фосфора (табл. 1).
12
Категория обыкновенного качества может относиться только к
углеродистым сталям, все остальные категории качества – к любым по
степени легирования сталям.
Кроме этих групп есть и другие, разделенные по определенным
признакам, которые будут рассмотрены далее.
Таблица 1
Содержание серы и фосфора в сталях, %
Качество стали
Содержание, не более
Р S
Обыкновенного качества 0,040 0,050
Качественная 0,035 0,035
Высококачественная 0,025 0,025
Особовысококачественная 0,025 0,015
МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ:
В связи с тем, что количество сталей огромно и состав их разнообразен,
принята буквенно-цифровая система их обозначения. Углеродистые стали
маркируют цифрами, которые показывают содержание углерода в долях
процента, например: углеродистые конструкционные качественные стали
обозначают только цифрами, указывающими содержание углерода в сотых
долях процента – 40, 45, 60, 80, 05, 08, 10; инструментальные качественные
стали обозначают буквой У (углеродистая инструментальная) и цифрами,
показывающими содержание углерода в десятых долях процента – У10, У12,
У8, У13, У7. В высококачественных сталях в конце марки ставят букву А,
например У12А.
В легированных сталях буквы обозначают легирующий элемент:
А азот
Ц цирконий
Р бор
Е селен
Б ниобий
Ю алюминий
С кремний
М молибден
В вольфрам
Ч редк
оземельные мета
л
лы
Ф ванадий
Н никель
Г марганец
П фосфор
Х хром
К кобальт
Д медь
13
Цифры перед буквами обозначают содержание углерода в сотых долях
процента, цифры после букв – содержание легирующих элементов в
процентах.
Если содержание углерода в инструментальных сталях менее 1 %, то
цифру в начале марки не ставят, например: Х, ХВГ, ХГТ.
Буква А в начале марки – сталь автоматная, в середине – легирована
азотом, в конце – высококачественная.
Буква Ш в начале марки – подшипниковая сталь, в конце –
особовысококачественная, например: 30ХГСА-Ш.
Буква Р в начале марки – сталь быстрорежущая, в середине –
легирующий элемент, например: Р18, Р6М5 (цифры обозначают содержание
вольфрама).
Высоколегированные стали сложного состава обозначают не по
стандарту, а порядковым номером и буквами, т.е. упрощенно, например:
ЭИ488 (37Х12Н8МФБ), ЭИ437 (ХН77ТЮР: ≤ 0,07 % C, 19–
20 % Cr,
2,4–2,85 % Ti, 0,6–1 % Al, ≤ 4 % Fe, остальное – Ni).
В настоящее время в России выпускается более 1 000 марок сталей.
При таких количествах производства и применения специальных сталей
особое значение имеет выбор легирующих элементов, от которых зависит
экономическая эффективность использования сталей по их стоимости и
дефицитности. Стоимость сталей (и элементов, входящих в нее) в каждой
стране определяется наличием элементов, т.е. природных запасов металлов,
масштабами их производства и конъюнктурой мирового рынка.
В нашей стране легирующие элементы по степени дефицитности
распределяются на недефицитные (Mn, Si, Cr, Al, Ti, V, B), дефицитные
(Nb, Mo, Cu, Pb, Ta) и особо дефицитные (W, Ni, Co).
Эффективность применения сталей зависит от следующих технико-
экономических факторов:
получение новых эксплуатационных и технологических свойств
(свариваемость, жаропрочность, штампуемость);
обеспечение необходимой надежности (хладостойкость,
износостойкость, долговечность);
уменьшение массы изделия;
снижение расходов на изготовление, эксплуатацию и т.д.
Выбор той или иной стали для изготовления определенного изделия
считается рациональным и эффективным, если сталь при минимальном
легировании будет обеспечивать требуемый уровень прочности, а
удорожание материала в результате легирования и изменения технологии
производства не будет превышать экономический эффект, достигаемый
посредством перечисленных технико-экономических факторов.
Например, применение стали 15Г2ФБ вместо Ст3сп увеличивает
временное сопротивление разрыву σ
в
в 1,5 раза, а расход материала снижает
14
на 15–50 %. По стоимости проката легированные стали на 10–15 % дороже,
чем углеродистые. Применение легирования стали (Nb и V) позволяет
использовать низколегированные стали в условиях севера для температур от
–40 до –70
о
С, что увеличивает их надежность и долговечность конструкции.
Этим и определяется эффективность применения легированных сталей.
Марка стали – это не только определенное сочетание химических
элементов, но и комплекс свойств, присущих данной стали. Для товарной
продукции марка стали является основным показателем качества и главной
характеристикой для расчета по оптовым ценам.
НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ
К неметаллическим включениям относят химические соединения,
образующиеся в процессе производства сталей - при выплавке, разливке.
Они существенно влияют на качество стали и их свойства, в зависимости от
природы соединений, их количества, формы, размера и характера
распределения.
Все неметаллические включения делят на 2 группы:
1) Эндогенные - соединения, образующиеся в результате химических
реакций, в процессе выплавки, раскисления, разливки и кристаллизации
слитка;
2) Экзогенные - частицы соединений, попавшие в жидкую сталь извне, из
шихты, футеровки и т.д.
Оба вида включений могут взаимодействовать друг с другом, образуя
комплексные соединения.
Количество включений и их размеры могут колебаться: эндогенные
0,01-0,1% объемных, а экзогенные в любых количествах и размерах.
Неметаллические включения делят на кислородные (оксиды и силикаты).
Нитриды и сульфиды. Различные виды разрушения изделий из стали
обусловлены наличием неметаллических включений. Крупные включения
могут вызвать хрупкое разрушение. Вязкое разрушение почти всегда
контролируется неметаллическими включениями (размером 0,05-0,5 мкм).
Неравномерность распределения неметаллических включений уменьшают
энергоемкость вязкого разрушения.
Окислы, сульфиды, силикаты либо не обладают металлическими
свойствами, либо обладают в очень малой степени.
Для окислов и сульфидов металлов переходных групп характерно
непрерывное изменение валентности атомов у металлов, составляющих эти
15
фазы с изменением состава фаз. В связи с этим и свойства, вносимые этими
фазами в сталь, будут различными.
Неметаллические включения подразделяют на:
окислы – Fe3O4, Al2O3, SiO2, TiO2 с примесями, ZnO2, V2O3,Cr2O3,
4 MnOSiO2…..,
силикаты и стекла сложного состава,
алюминаты, хроматы, сульфиды и их твердые растворы: MnS (Mn,Fe)S,
(Mn,Fe,Cr, Mo)S и др.
Кроме того, сульфиды могут растворяться в карбидах.
Влияние неметаллических фаз на свойства стали определяется не
только составом и количеством, но, главным образом, их распределением,
величиной, формой. Обычно температура плавления неметаллических
включений невысокая. Однако, часто ее повышают, вводя определенные
легирующие элементы. Например, Mn вводят в автоматную сталь для
соединения с серой, где сера является основным легирующим элементом, но
вызывает красноломкость, что является следствием образования по границам
зерен жидких или полужидких сульфидных фаз. С этой же целью вводят Al,
Ti, Zn, Са, Mg, редкие металлы.
Положительное влияние тугоплавких сульфидов заключается,
вероятно, в том, что они имеют благоприятную форму точечных включений.
Легирование марганцем способствует измельчению сульфидов. Введение
магния (совместно с Ti) уменьшает количество и размер сульфидов. А вот
как влияет Al на красноломкость пока остается невыясненным.
Неметаллические фазы любого происхождения являются вредными
включениями. Непластичные фазы (часть силикатов, алюмосиликаты
шаровидной формы) при пластической деформации способствуют
возникновению волосовин и других дефектов. Пластичные и
полупластичные фазы даже при незначительном их вытягивании усиливают
анизотропию механических свойств (пластичности и вязкости).
Неметаллические фазы могут быть причиной ухудшения и других
свойств стали. Например, они понижают коррозионную стойкость,
износостойкость, магнитные свойства, влияют на прокаливаемость сталей.
При обработке резанием включения типа окислов понижают стойкость
режущего инструмента.
16
Металлургическое качество сталей
Качество сталей зависит от способа их производства, количества
примесей, неметаллических включений. Все элементы в сталях могут
находиться в следующих состояниях:
1)в примесях,
2) в твердых растворах,
3)в неметаллических включениях,
4)в карбидах,
5) в интерметаллидах.
Примеси подразделяют на :
1.Постоянные, обычные - Mn, Al, Si (S,Р)
Mn≤0,3-0,7% , Si≤0,2-0,4%, Al<0,01-0,02% , S<0,01-0,03%, Р≤0,01-0,03%;
2.Скрытые – О2, Ni2, As, ( S, Р );
3. Случайные – As, Sn, Pb, Zn, Sb и др.;
4. легирующие элементы.
Одни и те же элементы могут быть примесями и легирующими
элементами, что зависит от их количества.
Легирующие элементы в сталях могут находиться:
в свободном состоянии ( такое состояние встречается очень редко,
например: Au, Ag, Cu);
в виде неметаллических соединений (оксиды, сульфиды, фосфаты и т.д.);
в виде карбидов или интерметаллидов;
в твердых растворах на основе железа.
Основные нежелательные примеси, которые необходимо контролировать –
это сера и фосфор.
Сера. Вся сера связана в сульфиды Fe, Mn и др. элементов. При термической
обработке, за счет изменения растворимости S в Fe сернистые включения
могут видоизменяться, образуя эвтектику (FeS) с Тпл =988ºС . При
расплавлении эвтектики (FeS) сталь подвергается красноломкости. При
горячей деформации возможна горячеломкость, обусловленная
расплавлением по границам аустенитных зерен сульфида железа
(Тпл=1188ºС). Введение в сталь Mn связывает серу в тугоплавкие соединения
MnS (Тпл≈1620ºС) и снимает склонность стали к красноломкости и
горячеломкости.
17
Увеличение содержания серы снижает вязкость стали и способствует
анизотропии свойств вдоль и поперек направления прокатки.
Однако, наличие S<0,01% и Р<0,01% снижают температуру вязко-
хрупкого перехода (а при содержании S=0,01% температурный порог
хладноломкости - максимален). Это так называемый сульфидный эффект или
сульфидный парадокс (т.е. повышается сопротивление хрупкому
разрушению при одновременном понижении сопротивления вязкому
разрушению с увеличением содержания серы выше определенного предела).
Возможно, это связано с различным взаимодействием движущейся трещины
с сульфидами в зависимости от вязкости матрицы.
В жаропрочных сталях сера снижает предел ползучести и длительной
прочности, т.е. снижает жаропрочность.
Фосфор. Фосфор находится в стали в твердом растворе и влияет на
изменение свойств феррита и аустенита. Фосфор упрочняет феррит.
Усиливает хладноломкость стали, т.е. повышает порог хладноломкости. Он
увеличивает δВ и δт. В конструкционных сталях фосфор усиливает
проявление отпускной хрупкости.
Вредные примеси S, Р, Н2,О2 стараются убрать при выплавке стали, за
счет ее раскисления, применения специальных технологических приемов и
изменения способов выплавки.
Неметаллические включения увеличивают анизотропию механических
свойств деформированной стали. Особенно относительное удлинение и
сужение. Они снижают усталостную прочность. Они способствуют
получению ферритной полосчатости (особенно силикаты).
Неметаллические соединения любого происхождения являются
вредными. При пластической деформации непластичные фазы (силикаты)
способствуют возникновению волосовин. Неметаллические включения
снижают стойкость режущего инструмента, коррозионную стойкость,
магнитные свойства. В связи с чем, наличие серы, фосфора и других
неметаллических включений в стали нежелательно.
Стандартизация. Экономическая эффективность производства и
применения легированных сталей.
В настоящее время в стране выпускается боле 1000 марок сталей. При
таких количествах производства и применения специальных сталей особое
18
значение принадлежит выбору легирующих элементов по их стоимости и
дефицитности. От этого зависит экономическая эффективность
использования сталей. Стоимость сталей в каждой стране зависит от наличия
легирующих элементов и их стоимости, т.е. от природных запасов,
масштабов их производства и конъюнктуры мирового рынка.
В нашей стране легирующие элементы по степени дефицитности
располагаются в следующем порядке:
недефицитные -Mn, Si, Cr, Al, Ti, V, B,
дефицитные - Nb, Mo, Cu, Pb, Ni, W, Co, Ta,
особо дефицитные - W, Ni, Co.
Для товарной продукции марка стали является основным показателем
качества и основной характеристикой для расчета по оптовым ценам.
Рост количества марок стали требует их классификации. Стали
классифицируют по некоторым признакам. Чтобы учесть их все, стали
стандартизуют. Разработаны Государственные стандарты – это высшая
форма стандартизации. Стандарты являются мерой качества. Чем выше
нормы, установленные стандартом, тем более высокий уровень качества
имеет продукция. Цены на сталь зависят от ее качества. Стандарты бывают
следующих видов: ГОСТ, ОСТ, ТУ.
На эффективность применения легированной стали для изготовления
изделий влияют следующие факторы: получение новых эксплуатационных и
технологических свойств, обеспечение надежности и долговечности,
уменьшение массы, снижение расходов на изготовление, монтаж,
транспортирование и эксплуатацию. Например, жаропрочность,
штампуемость, свариваемость, хладостойкость, износостойкость и т.д.
Выбор марки стали для конкретного изделия или конструкции будет
рациональным и экономически эффективным, если сталь при минимальном
легировании обеспечивает требуемый уровень конструктивной прочности, а
удорожание материала в результате легирования и изменения технологии
производства не будет превышать экономический эффект, достигаемый
посредством перечисленных технико-экономических факторов.
19
Лекция № 3.
План лекции:
Превращения переохлажденного аустенита (перлитное,
промежуточное, мартенситное). Влияние легирующих элементов на
закаливаемость, прокаливаемость , положение мартенситной точки.
Влияние легирования на процессы, протекающие при отпуске сталей
(превращение мартенсита, образование специальных карбидов, распад
остаточного аустенита).
Дисперсионное твердение.
Вторичная твердость.
ПРЕВРАЩЕНИЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО АУСТЕНИТА ПРИ
ОХЛАЖДЕНИИ.
Устойчивость переохлажденного аустенита зависит от химического
состава, так как изменение содержания углерода и легирующих элементов
влияют на кинетику перлитного превращения и температурный интервал
мартенситного превращения.
Некарбидообразующие элементыне изменяют вид С-кривой, но
смещают ее по температуре превращения и повышают устойчивость
аустенита, то есть сдвигают кривую вправо. Так влияют никель, алюминий,
кремний, хром. Исключение составляет кобальт, он уменьшает
инкубационный период (рис 6).
Рис.6 Диаграмма изотермического распада аустенита.
а – 45; б – 80; в – У12
Карбидообразующие элементы изменяют вид диаграммы и кинетику
превращения. Они разделяют перлитное и бейнитное превращение с
появлением области устойчивого аустенита между ними. Так влияют
хром, молибден, вольфрам, ванадий.
20
Если в стали присутствуют несколько легирующих элементов
независимо от их отношения к карбидообразованию, то разделение
перлитного и промежуточного превращения наблюдается (рис 7).
В перлитной области все легирующие элементы, если они растворены в
аустените , увеличивают инкубационный период. Особенно сильно влияют
молибден и марганец. Кобальт – уменьшает стабильность аустенита.
В промежуточной области особенно сильно влияют азот и углерод, они
увеличивают устойчивость аустенита. Карбидообразующие элементы
расширяют инкубационный период начала промежуточного превращения, но
в меньшей степени чем , чем они влияют на перлитное превращение.
Легирование повышает количество остаточного аустенита при бейнитном
превращении. В легированных сталях температура превращения
промежуточного и мартенситного могут совпадать.
Легирование оказывают влияние и на температуру мартенситного
превращения , особенно марганец и никель. Как видно из рисунка, хром,
ванадий, молибден влияют меньше. Медь и кремний практически не влияют
в небольших количествах. Кобальт и алюминий повышают мартенситную
точку. Углерод и азот – снижают температуру мартенситного превращения.
Количество остаточного аустенита после закалки в сталях с кремнием и
кобальтом –уменьшается, а с другими элементами – возрастает.
В связи с этим, температуру мартенситного превращения можно
рассчитать пор формуле А.А.Попова:
Мн = 520-320(%С) -45(%Мn) -30 (%Сr) -20 (% N i + %Mo) – 5 (%Si + %Cu).
Перлитное превращение в легированных сталях контролируется
скоростью протекания полиморфного γ→α- превращения и скоростью
диффузионного перераспределения легирующих элементов между твердым
раствором и образующейся фазы, то есть процессом карбидообразования.
Образование специальных карбидов влияет на свойства конструкционных
сталей.
Промежуточное (бейнитное) превращение развивается при
температурах, когда скорость диффузии углерода значительна, а скорость
диффузии легирующих элементов низкая.