Материал: Kushner - Materialovedeniye 2008
в более мягком охладителе. Это уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин;
∙ увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении.
9.4. Маркировка и классификация легированных сталей
В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.
По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные,
эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.
Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме3С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом.
В соответствии с диаграммой «Fe – Fe 3C» доэвтектоидные стали содержат менее 0,8% углерода, эвтектоидные около 0,8%; заэвтектоидные 0,8–2,0% и ледебуритные примерно до 2,14%.
Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E (на диаграмме «Fe – Fe 3C») в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными лежит в легированных сталях при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.
При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный,
аустенитный.
Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 9.5).
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры – перлит, сорбит, троостит.
У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо – аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.
111
Рис. 9.5. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов.
Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения в область отрицательных температур, поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуре, сохранит аустенитное состояние.
В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) ста-
ли разделяются на: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромо-
никельмолибденовые и т.п.
Кроме того, стали подразделяются по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5% легирующих элемен-
тов), легированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%).
Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству. Качество стали – это комплекс, обеспечиваемых металлургическим процессом свойств, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей (серы и фосфора).
По качеству легированные стали подразделяются на качественные
(до 0,04% S и до 0,035% P), высококачественные (до 0,025% S и до 0,025%
Р) и особовысококачественные (до 0,015% S и до 0,025% Р).
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:
∙конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве
иобладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами;
∙инструментальные, применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.
Конструкционные стали подразделяются на:
∙строительные;
112
∙машиностроительные;
∙стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.
Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав.
Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот, Б – нио-
бий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, Н – никель, М – молибден, П – фосфор, Р – бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ч – редкоземельные элементы, Ю – алюми-
ний.
Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах (при содержании 1–1,5% и менее цифра отсутствует).
Например, сталь 12Х2НВФА в среднем содержит 0,12% С; 2% Cr, 1% Ni, 1% W, 1% V. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная (ограничено содержание вредных примесей S<0,03%; P<0,03%). Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС– Ш.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (ШХ15), автоматных с буквы А (А30); буква Л (110Г13Л) в конце марки обозначает, что детали из данного сплава получают литьем.
В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра показывающая содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (Р18 – 18% W, Р6М5 – 6%W, 5% Mo).
Нестандартные легированные стали выплавляемые заводом «Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером, например ЭИ415, ЭП617 и т.п. После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.
113
10. УПРОЧНЕНИЕ СПЛАВОВ
Интерес к упрочнению материалов обусловлен стремлением к уменьшению их расхода, увеличению прочности, износостойкости, коррозионной стойкости деталей, сопротивления хрупкому разрушению, выносливости, надежности и срока службы машин, а также повышению других механических и эксплуатационных характеристик материалов деталей машин.
Любое упрочнение с энергетической точки зрения представляет собой создание структуры с повышенной величиной внутренней или свободной энергии. Повышение внутренней энергии при структурных превращениях реализуется тремя основными способами: ростом плотности дефектов кристаллического строения, переходом материала в более энергоемкое полиморфное состояние и повышением структурно– энергетических параметров исходной структуры за счет свободной энергии модифицирующих компонентов. В различных способах упрочнения проявляются свои доминирующие структурно– энергетические механизмы упрочнения. Так, в технологиях поверхностного модифицирования имеют место полиморфные превращения и повышение концентрации специальных легирующих компонентов. В технологиях пластического деформирования главную роль играет увеличение плотности дефектов кристаллического строения. При воздействии на материалы концентрированных потоков энергии и вещества проявляются все структурно– энергетические механизмы упрочнения (повышение плотности дефектов кристаллического строения, полиморфные превращения и легирование).
К основным способам упрочнения металлов и сплавов относятся: легирование с образованием твердых растворов; пластическое деформирование; создание дисперсных выделений; упрочнение термическими методами; упрочнение химико-термическими методами.
10.1. Упрочнение легированием
Формирование благоприятной структуры и надежность работы деталей обеспечивают рациональное легирование, измельчение зерна и повышение качества металла.
Упрочнение при легировании увеличивается пропорционально концентрации легирующего элемента в твердом растворе. При этом надо помнить, что различные легирующие элементы имеют ограниченную растворимость в основных фазах сплава и это зависит от относительной разницы атомных радиусов компонентов. Образование твердых растворов разных типов (замещения, внедрения, упорядоченных, не упорядоченных и др.)
114
создают комбинации различных дислокационных образований с многообразными характеристиками прочности.
Измельчение зерна осуществляется легированием и термической обработкой. Наиболее эффективное измельчение структуры достигается при высокотемпературной термомеханической обработке. Она предусматривает пластическую деформацию аустенита с последующим превращением в мартенсит. В результате высокотемпературной термомеханической обработки обеспечивается наиболее благоприятное сочетание высокой прочности с повышенной пластичностью, вязкостью и сопротивлением разрушению. Упрочнение растет по мере увеличения концентрации растворенного легирующего элемента и различия в атомных радиусах железа и этого элемента. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного феррита Si, Mn, Ni, т. е. элементы, имеющие отличную от Feα кристаллическую решетку. Слабее влияют Mo, V и Cr, решетки которых изоморфны Feα. Повышение чистоты сплава достигается металлургическими приемами путем удаления вредных примесей серы, фосфора, газообразных элементов – кислорода, водорода, азота.
При введении в сталь легирующих элементов, растворимость которых в решетке железа может изменяться в зависимости от температуры, наблюдается эффект, называемый дисперсионным твердением. Для этого необходимо получить пересыщенный твердый раствор с повышенной концентрацией растворенного элемента. Такой твердый раствор является неравновесным и стремится к распаду. Процесс распада пересыщенного твердого раствора при комнатной температуре называется естественным старением, при некотором нагреве – искусственным старением.
При старении избыточный элемент выделяется из кристаллической решетки металла-растворителя в виде мельчайших частиц, которые назы-
вают дисперсной фазой.
Дисперсная фаза, будучи равномерно распределена в твердом растворе, искажает кристаллическую решетку последнего и изменяет механические свойства сплава. Повышение твердости, прочности наблюдается только в том случае, когда сохраняется когерентность (непрерывность) атомно-кристаллических решеток дисперсной фазы и твердого раствора.
Дисперсионное твердение связано с диффузионными процессами и поэтому продолжительность старения оказывает на него существенное влияние. Дисперсионное твердение в сложнолегированной стали с несколькими легирующими элементами часто проявляется совершенно иначе, чем в стали с одним легирующим элементом. Дополнительные легирующие элементы могут увеличивать или уменьшать растворимость основного элемента, вызывающего дисперсионное твердение, и тем самым увеличивать или уменьшать эффект упрочнения материала. Дисперсионное твердение сопутствует обычному процессу термической обработки
115