Файл: Специальные стали лекция1.doc

Железо является полиморфным металлом и имеет две формы кристаллического строения: -железо с ОЦК решеткой и -железо с ГЦК решеткой. В связи с этим все легирующие элементы по их растворимости в железе делят на две группы.

К первой группе относятся легирующие элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. К ним относятся те элементы, которые имеют ГЦК решетку. Эти легирующие элементы повышают точку А₄ и понижают А₃, и расширяют -область (рисунок слева). При этом возможно существование -фазы во всем интервале концентраций (открытая -область: Ni, Mn, Co, Pd, Pt – рисунок слева а) и ограничение области существования -фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная -область: C, N, Cu, Zn – рисунок выше б).

Ко второй группе относятся элементы, хорошо растворяющиеся в -железе и плохо в -железе. Это элементы с ОЦК решеткой. Эти легирующие элементы. понижают точку А₄ и повышают точку А₃, сужая -область При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание -области. В этом случае возможно образование двойных систем с замкнутой -областью и гомогенной -областью (закрытая -область: Be, Al, Si, V, Cr, Mo, W, Ti, As (мышьяк), олово, сурьма – рисунок выше в) и систем, в которых -область ограничена областью гетерогенных структур (суженная -область: рений – рисунок выше г).

Т.о. при большом содержании легирующих элементов полиморфное превращение в сталях может отсутствовать. Так, например, при содержании марганца или никеля в количестве больше точки b₂ (рис. б слева) устойчивым во всем интервале температур сохраняется аустенит: такие стали называют аустенитными.

При содержании хрома, ванадия, кремния выше концентрации, определяемой точкой a₂(рис.а слева), устойчивым является феррит: такие стали называют ферритными.

Легирующие элемента могут смещать также точку А_с1, соответствующую превращению перлита в аустенит. Это связано с двумя факторами. С одной стороны, легирующие элементы изменяют температуру -превращения для феррита, входящего в состав перлита, и, с другой стороны, влияют на температуру диссоциации карбидов и растворения углерода и легирующих элементов в -железе.

Карбидообразующие элементы повышают температуру диссоциации карбидов, и если при этом они также повышают температуру -превращения, то влияние их на точку А_с1 особенно сильно (рисунок слева).

Некарбидообразующие элементы, растворяясь в цементите, понижают температуру диссоциации карбида. При этом никель и марганец понижают температуру -перехода и, следовательно, снижают точку А_с1. Хром до 12…13% сравнительно слабо повышает А_с1, а при содержании его более 14% наблюдается резкое повышение А_с1.

Легирующие элементы влияют также на положение эвтектоидной точки S и предельную концентрацию углерода в аустените (точку E). Некарбидообразующие элементы, растворяясь в феррите и замещая часть атомов железа в его решетке, уменьшают содержание железа в эвтектоиде и смещают точку S в сторону меньших содержаний углерода (рисунок слева). Аналогично влияют карбидообразующие элементы, которые в большом количестве растворяются в феррите, карбиды которых участвуют в образовании эвтектоида (например, Mn, Cr). Такие элементы, как Mo и W, сначала уменьшают, а затем увеличивают содержание углерода в эвтектоиде.

Большинство легирующих элементов растворяясь в аустените и изменяя параметры его кристаллической решетки, понижает предел растворимости углерода в -железе и, следовательно, смещает точку E в сторону меньших концентраций углерода.

Влияние легирующих элементов на прокаливаемость сталей.

Упрочнение в равновесном состоянии невелико. Поэтому в отожженном состоянии легированные конструкционные стали по свойствам мало отличаются от углеродистых.

Легированные стали, как правило, подвергают термическому упрочнению. Растворяясь в железе, наряду с углеродом, они задерживают диффузионные превращения, ограничивая подвижность атомов углерода в кристаллической решетке -железа и -железа. Уменьшение коэффициентов диффузии атомов углерода в железе определяется двумя факторами:

при растворении карбидообразующих элементов между их атомами и атомами углерода в кристаллической решетке железа образуются связи, энергия которых выше, чем энергия связи между атомами углерода и железа;
при растворении в аустените Ni и Mn понижаются температуры фазовых превращений. Понижение А₃ и А₁ приводит к увеличению времени распада аустенита сталей, переохлажденных ниже А₁.

В результате легирующие элементы, растворяясь при нагреве в аустените, задерживают распад переохлажденного аустенита при охлаждении, сдвигая С-образные линии перлитного превращения вправо (рисунок слева).

Такое влияние легирующих компонентов на кинетику превращения переохлажденного аустенита приводит к существенному улучшению технологических свойств сталей.

Соответственно, повышается прокаливаемость сталей. При закалке деталей из легированной стали поверхность и сердцевина будут охлаждаться со скоростью выше критической: V_пов>V_кр и V_сер>V_кр (рисунок выше), и по всему сечению получим мартенсит.

Классификация сталей.

Существует много признаков, по которым классифицируют стали.

По химическому составу стали подразделяют на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенные легирующих элементов.

В низколегированных сталях суммарное содержание легирующих элементов должно быть не более 2,5% (кроме углерода);

В легированных – от 2,5 до 10%;

В высоколегированных – более 10% при содержании в них железа не менее 45%.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45%, но его количество больше, чем любого другого элемента.

В зависимости от легирования стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, хромоникелевыми, хромованадиевыми и др.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные, машиностроительные и стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки металлов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Стали классифицируют также по структуре, полученной при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (900⁰С). В зависимости от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали обычно бываю углеродистыми и низколегированными, мартенситные – легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные – высоколегированными. Могут быть также смешанные структурные классы: феррито-перлитный, феррито-мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенситный.

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особовысококачественные. Категория обыкновенного качества относится только к углеродистым сталям.

Главными качественными признаками являются более жесткие требования по химическому составу, прежде всего по содержанию вредных примесей: P и S:

	P	S
обыкновенного качества	0,040	0,050
качественные	0,035	0,035
высококачественные	0,025	0,025
особовысококачественные	0,025	0,015