Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа. Классификация сталей по структуре отжига.

Влияние элементов на полиморфизм железа

Расширение g-области элементами, образующими твердые растворы внедрения, объясняется большей их растворимостью в ГКЦ решетке, а расширение g-области при образовании твердых растворов замещения –близостью их кристаллического строения аустениту. Такие элементы могут расширить g-область до комнатных и более низких температур. Стали со стабильной аустенитной структурой во всем температурном интервале вплоть до плавления называются аустенитными.

Если области a-и d-растворов смыкаются, то структура с ОЦК решеткой стабильна во всем интервале температур. Такие стали называются ферритными.

Свыше определённого содержания марганца, никеля и других элементов, имеющих гранецентрированную кубическую решетку, – состояние существует как стабильное от комнатной температуры до температуры плавления, такие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов, имеющих объемно-центрированную кубическую решетку. Выше определённого предела устойчивым при всех температурах является α– состояние. Такие сплавы на основе железа называются ферритными. Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагреве и охлаждении.

Подавляющее количество легирующих элементов уменьшают растворимость углерода в аустените и концентрацию углерода в эвтектоидной стали, т.е. сдвигают точки E и S влево элементы, расширяющие g-область снижают температуру А1; элементы, сужающие g-область – повышают температуру А1.

По структурам после нормализации различают следующие классы легированных сталей: перлитный М+Ф, мартенситный а+М, аустенитный а+Ф (в интернете еще пишут,что ферритный и ледебуритный)

29. Автоматные стали — это стали повышенной обрабатываемости резанием. При их обработке достигается высокая производительность, обеспечивается малая шероховатость обработанной поверхности, хорошее стружкоотделение. Эти стали используются в основном в массовом производстве для изготовления деталей на станках-автоматах (винтов, шпилек, болтов, гаек, мелких деталей сложной конфигурации и т.п.). Хорошая обрабатываемость резанием достигается за счет повышенного содержания в них серы (до 0,08… 0,35 %) и фосфора (0,06… 0,15 %). Однако наличие серы и фосфора в повышенных количествах снижает вязкость и пластичность сталей, поэтому они имеют пониженную прочность и склонны к хрупкому разрушению. Улучшение обрабатываемости сталей резанием достигается также введением в них свинца (0,15…0,30 %), селена (0,04…0,10 %) и кальция, при этом механические свойства сохраняются достаточно высокими. Автоматные стали обозначаются буквой А, которая ставится в начале марки, и цифрами, показывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, А12 — автоматная сталь, среднее содержание углерода — 0,12 %). Марганец обозначается буквой Г (если его количество в стали более 1 %, например сталь А40Г), свинец — буквой С, селен — буквой Е. Кальцийсодержащие стали обозначаются буквами АЦ, например АЦ40. В промышленности нашли применение кальцийсодержащие стали. Из кальцийсодержащих сталей изготавливают термически упрочняемые детали — шестерни, валы и т.п. Автоматные стали предназначены для изготовления изделий массового производства, обрабатываемых на станках-автоматах, автоматических линиях (гайки, болты, оси, шпильки, валики и др.). Эти стали хорошо обрабатываются режущими инструментами благодаря повышенному содержанию в них S, Р, Рв. Содержание S в автоматных сталях не должно превышать 0,2%, Рв–0,1% из-за существенного снижения свойств, повышения порога хладноломкости. Поэтому автоматные стали применяют для деталей, не испытывающих повышенных нагрузок в эксплуатации. Термическая обработка с целью упрочнения этих сталей, как правило, не применяется. Легированные автоматные стали упрочняются термической обработкой. Показатели прочности этих сталей соответствуют аналогичным конструкционным, но пластичность их из-за повышенных S, Р в 1,5..2 раза ниже. Тем не менее из легированных автоматных сталей изготовляют венцы зубчатых синхронизаторов автомобилей, червяки, фланцы, рычаги переключения передач, шестерни коленвала, втулки, валы и др.

30. Цементуемые стали используются для изготовления деталей, работающих на износ и подвергающихся действию переменных и ударных нагрузок. Детали должны сочетать высокую поверхностную прочность и твердость и достаточную вязкость сердцевины. Цементации подвергаются низкоуглеродистые стали с содержанием углерода до 0,25%, что позволяет получить вязкую сердцевину. Для деталей, работающих с большими нагрузками, применяются стали с повышенным содержанием углерода (до 0,35 %).

С повышением содержания углерода прочность сердцевины увеличивается, а вязкость снижается. Детали подвергаются цианированию и нитроцементации. Цементуемые углеродистые стали 15, 20, 25 используются для изготовления деталей небольшого размера, работающих в условиях изнашивания при малых нагрузках. Цементуемые легированные стали применяют для более крупных и тяжелонагруженных деталей, в которых необходимо иметь, кроме высокой твердости поверхности, достаточно прочную сердцевину (кулачковые муфты, поршни, пальцы, втулки). Хромистые стали 15Х, 20Х используются для изготовления небольших изделий простой формы, цементуемых на глубину h =1…1,5 мм. При закалке с охлаждением в масле, выполняемой после цементации, сердцевина имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине и большей прочностью в цементованном слое.

Дополнительное легирование хромистых сталей ванадием (сталь 15ХФ), способствует получению более мелкого зерна, что улучшает пластичность и вязкость. Никель увеличивает глубину цементованного слоя, препятствует росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Хромоникелевые стали 20ХН применяют для изготовления деталей средних и больших размеров, работающих на износ при больших нагрузках (зубчатые колеса, шлицевые валы). Стали мало чувствительны к перегреву.

Стали, дополнительно легированные вольфрамом или молибденом (18Х2Н4ВА), применяют для изготовления крупных тяжелонагруженных деталей. Эти стали являются лучшими конструкционными сталями, но дефицитность никеля ограничивает их применение. Хромомарганцевые стали применяют вместо дорогих хромоникелевых, однако эти стали менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость. Введение небольшого количества титана (0,06…0,12 %) уменьшает склонность стали к перегреву (стали 18ХГТ, 30ХГТ). С целью повышения прочности применяют легирование бором (0,001…0,005 %) 20ХГР, но бор способствует росту зерна при нагреве.

31. Улучшаемые стали — это углеродистые и легированные стали, содержащие 0,3…0,55% углерода, основным способом упрочнения для них является улучшение (закалка и высокий отпуск), обеспечивающее получение структуры сорбита. Содержание углерода определяет близкий уровень механических свойств 900… 1000 МПа, от ~ 650…750 МПа при высокой ударной вязкости как углеродистых, так и легированных сталей. Но эти свойства для углеродистых и легированных сталей достигаются в разных сечениях в зависимости от уровня легирования. Для легированных сталей эти свойства можно получить для деталей большего сечения, упрочняемых во всем объеме. Углеродистые улучшаемые стали 35, 40, 45, 50, 55 имеют низкую прокаливаемость (до 10… 15 мм). В улучшенном состоянии они применяются для изготовления деталей небольшого сечения и простой формы. В отожженном или нормализованном состоянии эти стали используются для изготовления деталей большого сечения, работающих при невысоких нагрузках. Из сталей 40, 45, 50, 55 производят также детали, отдельные части (поверхности) которых работают на износ (шейки и шлицы валов, зубья шестерен и др.). Эти поверхности подвергают местной закалке ТВЧ. Хромистые (35Х, 40Х, 45Х, 50Х) и марганцовистые (35Г, 40Г, 45Г, 40Г2, 45Г2) стали являются наиболее дешевыми среди легированных и применяются для средненагруженных деталей сечением до 30…35 мм. Хромомарганцевые (35ХГ2), хромокремниевые (ЗЗХС, 40ХС) и хромокремнемарганцевые (хромансили ЗОХГСА, 35ХГСА) стали имеют более глубокую прокаливаемость и приобретают после улучшения высокие прочностные свойства в деталях большего сечения — до 60…70 мм. Хромоникелевые стали (40ХН, 45ХН, 50ХН) используются для изготовления деталей с диаметром сечения до 70 мм, а хромоникельмолибденовые (30ХН2МА, 38ХНЗМА, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА) — до 100 мм и более. Эти стали предназначены для крупных деталей ответственного назначения (валы и роторы турбин, нагруженные детали компрессоров и др.). Хромомолибденоалюминиевая сталь 38Х2МЮА применяется для деталей, подвергаемых после улучшения азотированию. Это детали, работающие в условиях повышенного износа (гильзы цилиндров двигателей, шестерни, шпиндели шлифовальных станков и т.п.).

Высокопрочные стали

Высокопрочными называют стали, имеющие предел прочности более 1500 МПа, который достигается подбором химического состава и оптимальной термической обработки. Такой уровень прочности можно получить в среднеуглеродистых легированных сталях, применяя закалку с низким отпуском (при температуре 200…250oС) или изотермическую закалку с получением структуры нижнего бейнита. После изотермической закалки среднеуглеродистые легированные стали имеют несколько меньшую прочность, но большую пластичность и вязкость. Поэтому они более надежны в работе, чем закаленные и низкоотпущенные. При высоком уровне прочности закаленные и низкоотпущенные среднеуглеродистые стали обладают повышенной чувствительностью к поэтому их рекомендуется использовать для работы в условиях плавного нагружения. концентраторам напряжения, склонностью к хрупкому разрушению, Легирование вольфрамом, молибденом, ванадием затрудняет разупрочняющие процессы при температуре 200…300 oС, способствует получению мелкого зерна, понижает порог хладоломкости, повышает сопротивление хрупкому разрушению. Стали 30ХГСА, 38ХН3МА после низкотемпературной термомеханической обработки имеют предел прочности 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в два раза по сравнению с обычной термической обработкой. Это связано с тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что способствует увеличению пластичности.

Мартенситно-стареющие стали

Мартенситно-стареющие стали (03Н18К9М5Т, 04Х11Н9М2Д2ТЮ) превосходят по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые легированные стали. Они обладают малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению и низким порогом хладоломкости при прочности около 2000 МПа. Мартенситно-стареющие стали обладают высокой конструкционной прочностью в интервале температур от криогенных до 500 oС и рекомендуются для изготовления корпусов ракетных двигателей, стволов артиллерийского и стрелкового оружия, корпусов подводных лодок, батискафов, высоконагруженных дисков турбомашин, зубчатых колес, шпинделей, червяков и т.д

33. Пружинная сталь — это низколегированный сплав, среднеуглеродистая или высокоуглеродистая сталь с очень большим пределом текучести. Это позволяет изделиям из пружинной стали возвращаться к исходной форме несмотря на значительный изгиб и скручивание.Большинство пружинных сталей (как те, что используются в автомобилях) закалены и отпущены до значения 45 по шкале C Роквелла. Пружинные стали и сплавы (ГОСТ 14959-79) - среднеуглеродистые (0,60...0,80% С), низколегированные (Mn, Si, Cr, Ni и др.) стали, обладающие высокими механическими свойствами, в первую очередь, высокими пределами упругости и прочности, а также повышенной релаксационной стойкостью при достаточной вязкости и пластичности. Для получения этих свойств стали должны содержать более 0,5% С и быть способными к термической обработке - закалке и отпуску. Пружинные стали (стали 65Г, 70, 75; 50ХА, 55ХГР, 55С2, 60С2, 50ХФА, 60С2ХФА, 65С2ВА, 70С2ХА), в основном, используются для изготовления пружин и рессор.Кроме рассмотренных выше пружинных сталей общего назначения в машиностроении широко применяются пружинные стали специального назначения. К пружинным сталям специального назначения помимо требования высоких механических свойств, могут предъявляться дополнительные требования по физико-химическим свойствам: немагнитность, коррозионная стойкость, низкий или постоянный температурный коэффициент модуля упругости и др.