Влияние легирующих элементов на свойства стали

Преимущества легированных сталей, а также характерные для них специальные свойства проявляются только после соответствующей термической обработки. Поэтому из легированных сталей изготовляют детали, обязательно подвергаемые термической обработке. Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаще легируют более дешевыми элементами - марганцем, хромом, бором, а также более дорогими и дефицитными - никелем и молибденом.

Хром (вводят в количестве до 2 %) растворяется в феррите и цементите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства, что предопределило его широкое применение. Способствует получению высокой

и равномерной твердости, повышает жаропрочность, жаростойкость, коррозионную стойкость.

Никель (вводят в количестве от I % до 5 %) наиболее резко снижает порог хладноломкости и увеличивает сопротивление распространению трещины, увеличивая пластичность и вязкость. Кроме того, никель повышает электросопротивление.

Марганец (вводят в количестве до 1,5 %) заметно повышает предел текучести стали, однако делает сталь чувствительной к перегреву, содействует росту зерна. Содержание в стали хрома или марганца до 1 % практически не влияет на порог хладноломкости. Однако при больших их концентрациях порог хладноломкости повышается. Вместе с марганцем вводят карбидообразующие элементы для измельчения зерна.

Кремний (количество ограничивают 2 %) сильно повышает предел текучести, несколько затрудняет разупрочнение стали при отпуске; снижает вязкость и повышает порог хладноломкости при содержании свыше 1 %.

Вольфрам и молибден - дорогие и дефицитные карбидообразующие элементы, которые большей частью растворяются в феррите. Вольфрам (0,8-1,2 %) уменьшает величину зерна, повышает твердость и прочность, улучшает режущие свойства при повышенных температурах.

Молибден (0,2-0,4 %) действует также, как и вольфрам, повышает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, а также повышает коррозионную стойкость.

Легирование стали в небольших количествах (от 0,05 до 0,15 %) ванадием, титаном, ниобием и цирконием, образующих труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости.

Бор в микродозах (0,002-0,005 %) вводят для увеличения прокаливаемости. Так как он оказывает существенное влияние на свойства стали, то он записывается в маркировку стали (например, 20ХГР содержит 0,001-0,005 % бора).

По структуре в нормализованном состоянии стали подразделяются на классы - перлитный, мартенситный и аустенитный. Кроме того, могут быть стали аустенитно-мартенситного (переходного), мартенсито-ферритного класса и другие.

Перлитные стали после отжига содержат в структуре или только перлит или, кроме него, еще феррит (доэвтектоидные стали) или вторичные карбиды (заэвтектоидные стали). Стали перлитного класса содержат сравнительно небольшое количество легирующих элементов.

В перлитных низколегированных сталях после нормализации получается структура перлитного типа (перлит, сорбит, троостит) с возможными включениями феррита у доэвтектоидных и цементита у заэвтектоидных сталей. К перлитному классу относится большинство марок конструкционных (20Х, 30ХГСА, ШХ15 и др.) и инструментальных сталей (9ХС, ХВГ и др.).

При содержании легирующих элементов примерно 4-10 % С - образные кривые на диаграмме распада аустенита сдвигаются вправо настолько, что после нормализации структура стали получается преимущественно мартенситная. Поэтому такие среднелегированные стали относятся к мартенситному классу.

Сталями мартенситного класса являются некоторые конструкционные (18Х244ВА, 38ХНЗМФА и др.), хромистые нержавеющие (30X13, 20X13 и др.), жаропрочные (15Х11МФ, 40Х9С2) и другие стали.

Легированные стали перлитного класса в отличие от простых углеродистых выгодно отличаются тем, что для получения мартенситной структуры могут закаливаться в масле, тогда как углеродистые стали должны закаливаться в воде. Резкое охлаждение при закалке углеродистых сталей ведет к короблению деталей.

Самыми лучшими в этом отношении являются стали мартенситного класса. В них мартенсит образуется при закалке на воздухе. Коробление в этом случае наименьшее. Кроме того, с увеличением содержания легирующих элементов увеличивается прокаливаемость, что позволяет производить упрочнение путем закалки и отпуска изделий больших сечений.

У простых углеродистых сталей прокаливаемость очень низкая, так для стали У10 прокаливаемость составляет примерно 10 мм; у легированных сталей перлитного класса прокаливаемость умеренная, а у сталей мартенситного класса - большая.

Как указывалось выше, стали мартенситного и перлитного классов в равновесном состоянии могут быть доэвтектоидными, эвтектоидными и заэвтектоидными в зависимости от содержания углерода. Однако в связи с тем, что все легирующие элементы сдвигают влево точку S (указывающую содержание углерода в эвтектоиде) и точку E (указывающую максимальную растворимость углерода в аустените) диаграммы "Железо-углерод", эвтектоидная концентрация у легированных сталей всегда меньше, чем 0,8 %. Поэтому у отожженных доэвтектоидных легированных сталей, при равном с углеродистыми сталями содержании углерода, площадь, занятая перлитом на микрошлифе, оказывается всегда больше, чем у углеродистых.

Ледебуритные стали - это инструментальные стали с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов (Cr, W, Mo и др.), например, Р9, Х12М. После литья структура таких сталей состоит из ледебурита, перлита и вторичных карбидов. При ковке крупные ледебуритные (первичные) карбиды раздробляются на более мелкие.

В отожженном после ковки состоянии структура стали состоит из сорбитообразного перлита, первичных (более крупных) и вторичных (более мелких) карбидов, общее количество которых может достигать 30-35 %. Поэтому стали иногда называют карбидными.

В нормализованном состоянии многие ледебуритные стали являются сталями мартенситного класса или сталями перлитного класса. Однако на практике классификация по структуре в нормализованном состоянии для ледебуритных сталей используется редко.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: