Ковалева А.А. Специальные стали и сплавы

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7 Влияние Ni и Cr на характер диаграмм изотермического распада аустенита Стали 50

Легирование влияет на кинетику промежуточного превращения

меньше, чем на перлитное. Промежуточное превращение начинается с

перераспределения углерода в аустените, идущего диффузионным путем.

Карбидная фаза выделяется из обогащенного углеродом аустенита при

промежуточном превращении, причем наиболее активно при легировании

стали кремнием, марганцем, хромом, никелем.

Кремний и алюминий способствуют насыщению стали углеродом. В

высокоуглеродистых сталях карбидообразование может происходить на

начальных стадиях превращения (рис 8).

Рис. 8 Влияние содержания легирующих элементов на температуру начала

мартенситного превращения.

Механические свойства продуктов промежуточного превращения

зависят от полученной структуры. Структура верхнего бейнита –

способствует низкому сопротивлению хрупкому разрушению, а нижнего

бейнита –придает хорошее сочетание механических свойств.

Созданы бейнитные стали, в которых промежуточное превращение

имеет малый инкубационный период, Это способствует получению более

высоких прочностных свойств.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРОВАНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ

Введение легирующих элементов способствует образованию

различных соединений и выделению вторичных фаз, что изменяет

механические свойства сталей. Легирование оказывает влияние на

критические точки (температуры превращений), на содержание углерода в

эвтектоиде, т.е. смещает критическую точку S в сторону меньших или

больших концентраций

Влияние легирующих элементов на закаливаемость и прокаливаемость

стали:

Понятия «закаливаемость» и «прокаливаемость» часто путают.

Прокаливаемость – это возможность получения при закалке мартенситной

структуры на определенную глубину во внутренних слоях изделия.

Закаливаемость – способность стали к повышению твердости в результате

закалки. Закаливаемость стали зависит в основном от содержания

(количества) углерода и в незначительной степени от наличия легирующих

элементов.

Влияние легирующих элементов на закаливаемость может быть прямым

и косвенным. Непосредственное (прямое) влияние невелико. Роль

легирующих элементов заключается в смещении мартенситной точки при γ →

α-превращении. Значительное упрочнение при закалке должны давать

элементы, упрочняющие феррит, например: Mn, Cr, Si. Косвенное же влияние

легирующих элементов связано с прокаливаемостью (рис. 9, 10).

Большинство элементов уменьшают критическую скорость охлаждения,

т.е. повышают прокаливаемость. Карбидообразующие элементы влияют

двояко.

Если элементы образуют стойкие карбиды, то при нагреве стали до

температуры ниже температуры их полного растворения, не удается

получить сталь максимальной твердости.

Сильные карбидообразующие элементы (Ti, V, Nb) уменьшают

закаливаемость, что связывают со снижением содержания углерода в

аустените. Поэтому твердость стали после закалки оказывается меньше, чем

ожидаемая, исходя из содержания углерода. Другой причиной является

снижение интервала температур мартенситного перехода, т.е. увеличение

количества остаточного аустенита. Кроме того, пониженная твердость может

быть связана с неполнотой протекания фазовых превращений при нагреве

стали под закалку, вызванной стабилизацией феррита при введении больших

количеств таких элементов, как Cr, W, Si.

Рис. 9. Кривые прокаливаемости стали, содержащей 0,4%С при легировании ее:

1 – 0,25 % Mo; 2 – 0,5 % Cr, 0,2 % Мо, 0,5 % Ni; 3 – 0,25 % Мо, 1,8 % Ni; 4 – 1 % Cr, 0,2

% Мо; 5 – 0,8 % Cr, 0,25 % Мо, 1,8 % Ni

Рис. 10. Полосы прокаливаемости улучшаемых легированных сталей

Влияние легирующих элементов на процессы, протекающие при отпуске

закаленной стали:

Легирование стали позволяет регулировать свойства материала, влияя

на протекающие при отпуске процессы. Как известно, при отпуске

происходят:

3 9 15 21 27 33

Расстояние от охлаждаемого

торца образца, мм

HRC

27 33

0 10 20 30 40 50

Расстояние от торца образца, мм

HRC

распад мартенсита;

образование Fe

C и специальных карбидов;

коагуляция карбидов;

распад остаточного аустенита;

возврат и рекристаллизация.

Распад мартенсита. Мартенсит представляет собой пересыщенный

твердый раствор углерода в нелегированном или легированном α-железе.

При нагреве осуществляется разложение мартенсита с выделением из него

карбида железа. Этот процесс в углеродистой стали продолжается до

температур порядка 300–350

С. Однако при этом сохраняется

тетрагональность кристаллической решетки. Легирующие элементы слабо

влияют на кинетику превращения до температур 150–200

С.

Но сильные карбидообразующие элементы способствуют замедлению

выделения углерода из мартенсита до температур порядка 400–500

С (в то

время как в углеродистых сталях весь углерод выделяется при нагреве до

250–300

С). Это влияние, вероятно, связано с уменьшением

термодинамической активности углерода в растворе, т.е. с изменением сил

межатомной связи между углеродом и легирующим элементом.

Исключением являются некарбидообразующие элементы – Ni, Cu, они

ускоряют распад мартенсита, а Si его задерживает.

Образование цементита (Fe

C), специальных карбидов и их

коагуляция. Карбиды в легированных сталях могут образовываться из

мартенсита путем зарождения и роста либо через промежуточный карбид

(растворение легирующих элементов в цементите – механизм на месте).

При образовании легированного цементита происходит перестройка

его решетки в решетку специального карбида. Например, Cr растворяется в

карбидах до 20 % (в цементите), Мо и W – до десятых долей процента, а V,

Nb, Ti, Zr не растворяются совсем. Образуются сложные специальные

карбиды типа (Fe, Cr)

, (Fe, Cr)

При образовании карбидов из твердого раствора углерод

перераспределяется между твердым раствором и карбидообразующими

элементами. Цементит, выделяющийся при низких температурах, будет

вновь растворяться в твердом растворе. Это происходит при нагреве

до 450–600

С.

Для каждой карбидной фазы существует своя температура коагуляции.

Если в углеродистых сталях это 350–400

С, то в легированных – 450–600

С.

Распад остаточного аустенита. После закалки в сталях всегда есть

остаточный аустенит. В конструкционных сталях его содержание составляет

от 3–5 до 15 %, в быстрорежущих – 20–40 %, в высокохромистых (типа

Х18М) – до 60–80 %.

Распад остаточного аустенита А

ост

может происходить через

промежуточные стадии при охлаждении: А

ост

→ Б (бейнит), А

ост

→ С

(сорбит), А

ост

→ Т (троостит), или непосредственно А

ост

→ М.

При распаде А

ост

→ Б легирующие элементы Mn, Cr, Ni, W, Si

повышают устойчивость аустенита до более высоких температур отпуска.

Если в углеродистых сталях это интервал температур 200–300

С, то в

легированных – он значительно выше (400–600

С). А

ост

находится в

напряженном состоянии и превращается в бейнит практически без

инкубационного периода. Такой бейнит по свойствам близок к продуктам

распада мартенсита при этих температурах.

Превращение А

ост

в мартенсит происходит при отпуске – в процессе

охлаждения стали от 500–600

С до комнатной температуры выделяются

карбиды, при этом А

ост

обедняется углеродом и легирующими элементами,

его мартенситная точка увеличивается до Т

комн

и выше, что способствует

образованию мартенсита. После такого отпуска твердость стали может быть

более высокой, чем при закалке, из-за появления неотпущенного мартенсита,

это явление называют вторичной твердостью или вторичной закалкой.

Возврат и рекристаллизация. Эта стадия распада наблюдается при

температурах от 400

С и выше. Мартенсит полностью переходит в

ферритокарбидную смесь (Ф + К) и теряет игольчатое строение структуры,

т.к. меняется характер высоко- и малоугловых границ.

Дисперсионное твердение.

Отпуск закаленной стали приводит к изменению ее механических

свойств (прочность, пластичность, твердость). Известно, что при воздействии

температуры в сталях происходят следующие превращения:

1) распад пересыщенных твердых растворов (разупрочнение);

2) выделение вторичных фаз из твердых растворов (упрочнение или

разупрочнение, в зависимости от количества фаз, их размеров и

расположения).

Эффективность процессов упрочнения и разупрочнения будет зависеть

от преобладания первого или второго фактора или от их соотношения.

Например, если растворимость элемента с ростом температуры

увеличивается, а совершающиеся при охлаждении превращения не связаны с

перестройкой кристаллической решетки, то при резком охлаждении

фиксируется твердый раствор, а при последующем нагреве (отпуске)

наблюдается повышение твердости.

При дисперсионном твердении свойства меняются в зависимости от

степени пересыщенности легирующими элементами твердого раствора при

закалке и от дисперсности полученных новых фаз при отпуске.

Механизм дисперсионного твердения можно представить следующим

образом: при отпуске пересыщенного твердого раствора (в начальной

стадии) на границе зерен возникает неоднородность по составу, образуются

зоны, обогащенные элементом χ, которые когерентно связаны с матричным

твердым раствором. При этом напряжения и искажения кристаллической

решетки имеют максимальную величину, а сплав – максимальную

твердость. С увеличением выдержки или при повышении температуры

отпуска когерентность нарушается. Фаза отделяется от основного твердого

раствора межзеренной границей, принимает свои параметры и

конфигурацию. Происходит обособление выпавших частиц. Затем частицы

растут по величине, что уменьшает твердость материала.

С повышением температуры частицы растут более быстро, они

коагулируют, а свойства не успевают увеличиться, наблюдается их

снижение.

При закалке сталей на мартенсит происходит изменение объема, что

приводит к росту внутренних напряжений, которые могут вызвать

трещинообразование.

Использование дисперсионного твердения в таких материалах при

закалке фиксирует α-твердый раствор, не вызывает образования новых фаз и

структурных превращений, а также больших внутренних напряжений (только

температурные). Упрочнение достигается при отпуске за счет выделения

вторичных фаз. В этом преимущество сталей с дисперсионным твердением.

Другое положительное свойство – сохранение механических свойств до

более высоких температур (до температуры не ниже той, при которой

проводилось дисперсионное твердение).

Кривые изменения прочности для различных материалов однотипны и

отличаются тем, что при большом количестве дисперсных частиц на кривых

наблюдается максимум вторичной твердости, а при малом количестве частиц

его нет, однако изменяется прочность, а именно она немного снижается.

Явление повышения прочности называют дисперсионным твердением. Оно

характеризуется пиком вторичной твердости. Явление дисперсионного

упрочнения наблюдают в сплавах, легированных сильными

карбидообразующими элементами или нитридообразующими.

ВТОРИЧНАЯ ТВЕРДОСТЬ

Вторичное твердение высокопрочных сталей происходит при

различном количестве легирующих элементов Твердость закаленной стали

при отпуске резко возрастает, что связывают с выделением вторичных фаз.

Легирование такими элементами как вольфрам, ванадий, ниобий, титан,

молибден способствуют проявлению вторичной твердости. Пик вторичной

твердости наблюдают при температурах 550-650°С (рис 11). Эффект

упрочнения обусловлен выделением специальных карбидов типа МеС,

причем наибольшая роль принадлежит карбидам ванадия и молибдена.

Вторичное твердение повышают легированием кремнием, так как он

повышает интенсивность твердения, но одновременно ускоряет

перестаривание, поэтому содержание кремния ограничивают 0.7 - 1.0 %. При

комплексном легировании в высокопрочных сталях пик вторичной твердости

при содержании в стали 5% 1-2% 0.5%

Рис. 11 Зависимость твердости от температуры отпуска.

После проведения отпуска твердость становится более высокой, чем

после закалки, что может быть связано с появлением неотпущенного

мартенсита и выделения специальных карбидов. Такое явление называют

вторичной твердостью или вторичной закалкой. Примером могут служить

быстрорежущие стали.

отп

,º

400

300

200

Выделение спец.

карбидов

HRC

Раздел 2. Конструкционные стали.

Лекция № 4.

План лекции:

Строительные стали.

Углеродистые стали.

Низколегированные стали.

Стали повышенной прочности.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТАЛИ

Определение понятия строительных сталей.

Основные требования к свойствам строительных сталей. Понятия

надежности конструкций, хладноломкости. Классификация сталей по уровню

прочности, сортаменту.

Области применения строительных сталей.

Определение понятия строительных сталей:

Строительными называют конструкционные стали, применяемые для

изготовления металлических конструкций и сооружений, а также арматуры

железобетона. Строительные стали используют для изготовления

металлоконструкций зданий, сооружений, мостов, кранов, эстакад, бункеров,

машин, ковшей, резервуаров.

Основные требования к свойствам строительных сталей:

В зависимости от назначения к сталям предъявляются следующие

требования: прочность и пластичность в определенном соотношении

(желательно, чтобы прочностные характеристики были более высокими);

высокая вязкость; хорошая свариваемость; коррозионная стойкость; малая

склонность к хрупкому разрушению – надежность; обрабатываемость

резанием, способность к гибке, правке и т.д.

Надежность металлических конструкций определяется склонностью

стали к хрупким разрушениям. Показателем надежности является

температура перехода стали из вязкого состояния в хрупкое – температурный

порог хладноломкости (хладноломкость). Чем ниже критическая

температура хрупкости Т

хр

, тем более надежна сталь при эксплуатации, тем

менее чувствительна она к концентраторам напряжений и динамическим

нагрузкам. При авариях наблюдают мгновенное распространение трещин,

что характерно для хрупкого состояния. Например: Т

хр

= 50, 250, –70 °C

наиболее надежна сталь с Т

хр

= –70

C. Азот, водород, фосфор, сера

повышают Т

хр

По хладноломкости стали делят:

на стали без гарантированной хладостойкости;

хладостойкие (до –40

C);

стали «северного исполнения» (от –40 до –70

С);

криогенные стали (от –180 до −286

С).

Большое влияние на хладостойкость оказывает структура стали, а

именно величина ферритного зерна: чем крупнее зерно, тем более хрупок

материал. Следовательно, материал (после нормализации, улучшения,

термоупрочнения) с мелкозернистой структурой имеет более высокое

сопротивление хрупкому разрушению.

В углеродистых сталях хладостойкость зависит от способа раскисления

и содержания углерода. Так, сталь полностью раскисленная Ст3сп имеет

температуру хрупкости на 30–40

С ниже, чем Ст3кп. Это объясняют

наличием азота, фосфора, серы, кислорода в твердом растворе и примесях, не

связанных в нитриды. Кипящая сталь также склонна к деформационному

старению.

Рис. 12 Влияние содержания углерода на ударную вязкость: 1 – 0,13-0,15 % С; 2 – 0,18–

0,25 % С; 3 – 0,22–0,27 % С

Как видно из рис. 12, при температуре ниже –40

С разность в

значениях KCU становится несущественной для сталей с различным

содержанием углерода.

В связи с тем, что при работе стали подвергаются холодной

пластической деформации, необходимо, чтобы не происходило

деформационного старения. Под деформационным старением понимают

процесс, при котором атомы (С и N

) мигрируют к оставшимся свободными

дислокациям и образуют атмосферы Котрелла. Для вырывания дислокаций

требуются значительные напряжения, что повышает прочность и снижает

пластичность материала.

Критерием склонности стали к деформационному старению считают

величину смещения условных порогов хладноломкости (изменение ударной

вязкости по доле волокнистой составляющей в изломе).

По прочности строительные стали подразделяют на семь классов.

Каждый класс характеризуется минимальным гарантированным значением

временного сопротивления разрыву (числитель) и пределом текучести

(знаменатель):

стали нормальной прочности с 380/230;

стали повышенной прочности с 460/430 и 520/400;

стали высокой прочности с 600/450, 700/600, 850/750;

арматурные строительные стали A1/A11.

Прочностные характеристики (временное сопротивление при

растяжении и предел текучести) необходимо повышать любым из известных

способов: легированием, пластической деформацией, термической

обработкой или их совместным использованием.

В процессе холодной пластической деформации сталь приобретает

наклеп, который проявляется в изменении структуры и повышении

механических свойств. При пластической деформации одна часть кристалла

скользит относительно другой. При малых степенях деформации скольжение

происходит в определенных плоскостях (наиболее благоприятных). В

конечной стадии скольжение охватывает значительное количество

кристаллов. Свободному распространению сдвиговой деформации

препятствуют границы зерен и структурные несовершенства, наблюдается

поворот и изгиб наименее благоприятно ориентированных кристаллов. При

этом возникает структура (текстура) деформации.

Упрочнение, происходящее при деформации, объясняют движением

дислокаций. Любой процесс, препятствующий перемещению дислокаций

(образование вакансий, выделение избыточных фаз, фрагментация

кристаллов, дефекты упаковки), упрочняет сталь.

Свариваемость – одно из основных требований, предъявляемых к

строительным сталям. Обычно свариваемость понимают, как способность

стали подвергаться термическому воздействию сварки с плавлением без

образования трещин (холодных и горячих) и без существенного ухудшения

механических свойств.

На практике свариваемость оценивают специальными пробами или по

углеродному эквиваленту, который определяют по формуле:

экв

= С + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 +

+ Cu/13 + P/2 + ∆⋅0,024,

где Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, Cu, P – содержание элементов, % мас.; ∆ –

толщина свариваемых деталей, мм.

Углеродный эквивалент не должен превышать 0,45–0,48. Материал

обладает хорошей свариваемостью, если С

экв

≤ 0,25. При С

экв

≤ 0,25–0,5

свариваемость у материала относительно ограниченная, требующая

специальных условий сварки (подогревов) и использования припоев типа СВ.

В связи с этим содержание углерода в строительных сталях ограничено: С ≤

0,22 %.