НЕФТЬ-ГАЗ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
На главную >>


Теперь на нашем сайте можно за 5 минут создать свежий реферат или доклад

Скачать книгу целиком можно на сайте: www.nglib.ru.

Предложения в тексте с термином "Сталь"

Таким образом, одной из главных причин образования флокенов можно считать растворенный в стали водород, который не успевает выделиться при температурах ниже 200°С.

Флокены редко образуются в литой стали, так как выделившийся из раствора водород скапливается в многочисленных литейных порах и неплотностях литого металла.

Специальные стали.

Основы легирования стали.

Арматурные стали.

Высокопрочные арматурные стали.

Высокопрочная сталь.

II, Сталь.

Высокопрочные мартенситно-старею-щие стали.

Пружинные стали и сплавы.

Высокопрочные стали.

Структура и свойства стали после термомеханической обработки.

Я- Конструкционные стали повышенной обрабатываемости.

Глава XVII ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ

Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инструмента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени.

Если обрабатывается мягкий материал (дерево, пластмассы, цветные металлы), или при обработке стали и чугуна применяются малые скорости резания и стружка имеет малое сечение, то в единицу времени на процесс резания затрачивается мало энергии.

-сталь должна обладать красностойкостью.

Сталь в штампах испытывает значительные тепловые и ударные нагрузки, распределенные по сравнительно большой поверхности.

Наилучшей сталью является та, у которой при температурах, соответствующих условиям работы штампа, имеется наилучшее сочетание твердости и вязкости.

Для разных видов инструмента применяют стали разного типа.

Инструментальные стали разделяются на четыре категории: 1) пониженной прокаливаемости (преимущественно углеродистые) ; 2) повышенной прокаливаемое™ (легированные); 3) штамповые; 4) быстрорежущие.

Углеродистые и легированные стали применяют для режущего инструмента при легких условиях работы и для измерительного инструмента.

Быстрорежущие стали используют для изготовления режущего инструмента, работающего при повышенных режимах.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ

В эту группу входят все углеродистые инструментальные ста-ли, а также стали с небольшим содержанием легирующих элементов и поэтому не сильно отличающиеся от углеродистых по прокаливаемости.

Важнейшее технологическое свойство — слабая прокаливаемость — объединяет эти стали в одну группу.

Все стали указанной группы должны закаливаться в воде, и инструмент из этих сталей имеет, как правило, незакаленную сердцевину.

Это следует учесть при выборе стали на инструмент, при его конструировании, проведении термической обработки и эксплуатации1.

Сталь с Мп Сг Сталь с Мп Сг

Как видно, углеродистые инструментальные стали подразделяются на марки У7, У8, У9, У10, У11, У12, У13.

Буква У показывает, что это сталь углеродистая, цифра — среднее содержание углерода в десятых долях процента (значит, сталь У7 содержит около 0,7% С; У8 — около 0,8% С и т.

В правой части таблицы приведены легированные стали, отличающиеся некоторым повышением содержания марганца и введением около 0,5% Сг (стали марок Х06, Х05, 85ХФ).

сталь насквозь не прокаливается даже в сечении диаметром 12 мм.

Не рекомендуется применять стали I и V балла по прокаливаемое™ — первые склонны к образованию мягки» пятен на поверхности, а вторые — • к трещинам.

Прокалквг^'ость углеродистой инструментальной стали: а — сталь У!

Так как твердость в сердцевине зависит не только от прокаливаемости стали данной плавки и среды охлаждения, но и от размеров изделия (рис.

310, а), то необходимо учитывать эти факторы и для данного размера сечения инструмента назначать сталь соответствующего балла по прокаливаемости, обеспечивая получение в сердцевине твердости, равной HRC 40—45.

Сталь марки У7А — доэвтектоидная сталь и закаливается с температуры-выше кинетической точки Ас3.

Стали У8А и У9А — эвтектоидные стали.

В закаленной стали тетрагональность мартенсита и внутренние напряжения создают значительную хрупкость, поэтому после закалки отпуск является обязательной операцией.

Таблица 46 Температура отпуска различного инструмента из углеродистой стали

Виды инструмента Сталь Температура отпуска, °С Приемочная твердость рабочей части ИКС

Наиболее мягкой и вязкой сталью из перечисленных в табл.

46 является сталь У7А, поэтому ее применяют для инструмента, подвергающегося в работе толчкам и ударам.

Сталь У7 — для инструментов, подвергающихся ударам и толчкам и требующих вязкости при умеренной твердости, например для зубил, кузнечных штампов, кузнечного инструмента, клейм.

Сталь У8 — для инструментов, подвергающихся удара'м и требующих хорошей вязкости при высокой твердости, например матрицы, пуансоны, ножницы и ножи по металлу, столярный инструмент, пневматический инструмент.

Сталь У9 и У10 — для инструментов, не подвергающихся сильным ударам при максимальной твердости не режущей грани, например металлорежущий инструмент — сверла, метчики, развертки, резцы, фрезы, монетные штемпели, бурильный инструмент, медицинский инструмент, ножи для резки бумаги и кожи и т.

Сталь У12 и У13 — для инструментов с максимальной износостойкостью при наивысшей твердости, например резцы, различный металлорежущий и мерительный инструмент, напильники, зубила для насечки напильников, граверный инструмент, волочильные доски и т.

Сталь 85ХФ, XG6 и Х05 — для тех же назначений, что и стали У9, У11 и У13.

Стали с хромом имеют более мелкое зерно, так как цементит, содержащий в растворе хром, более устойчив против растворения, а наличие нерастворенных карбидных частиц сдерживает рост зерен аустенита.

Сталь 85ХФ, содержащая, кроме хрома, ванадий, весьма мелкозернистая и вязкая, применяется преимущественно для деревообрабатывающего инструмента.

Инструментальную сталь поставляют в виде полуфабриката (прутков, лент, проволоки, поковки и т.

) и для хорошей обрабатываемости должна быть огожжена на зернистый перлит, так как сталь, имеющая структуру пластинчатого перлита, обрабатывается плохо.

При отжиге следует стремиться к тому, чтобы зерна цементита были средней величины (диаметром 3— 4 мкм) и равномерно распределялись в стали.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ (ЛЕГИРОВАННЫЕ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ)

В эту классификационную группу входят стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1—3% и поэтому обладающие повышенной прокаливаемостью.

Меньшая скорость охлаждения при закалке уменьшает опасность образования трещин, деформации и коробления, к чему склонны углеродистые инструментальные стали.

В соответствии с этим легированные инструментальные стали подразделяются на III группы (табл.

В I группу входят обычные легированные инструментальные стали, в которых присадка 1,0—1,5% Сг обеспечивает повышение прокаливаемое™.

Для получения заданной твердости стали, легированной хромом, а особенно хромом и кремнием, ее следует отпускать при более высоких температурах, чем углеродистую (рис.

Это значит также, что разогрев режущей кромки инструмента в работе менее опасен для стали 9ХС, чем для сталей X и У10.

Сталь марки X по содержанию углерода и легирующих элементов точно совпадает с шарикоподшипниковой сталью ШХ15, но отличается от нее менее жесткими требованиями в отношении загрязненности неметаллическими включениями и наличия других дефектов металлургического происхождения.

80 всех случаях вместо стали X можно применять сталь ШХ15 (но не наоборот).

Повышенное содержание кремния в сталях этого типа (до 1,6%, как в стали 9ХС) создает некоторые трудности в производстве.

При закалке сталь 9ХС более склонна к обезуглероживанию, так как кремний повышает критические точки, и поэтому кремнистые стали приходится нагревать под закалку до более высоких температур, при которых быстрее протекают процессы обезуглероживания поверхности.

Это приводит при закалке к увеличению количества остаточного аустенита и уменьшению деформации; поэтому эти стали можно назвать малодеформирующимися инструментальными.

Конечно, стали I группы (X, 9ХС, ХГСВФ) деформируются при закалке значительно меньше, чем углеродистые, так как они закаливаются в масле, а не в воде, но стали II группы (ХГ, ХВГ) из-за увеличенного содержания остаточного аустенита деформируются еще меньше.

В группу III входят высокотвердые стали, легированные вольфрамом, из которых сталь ХВ5 называется алмазной.

Из-за худшей прокаливаемое™ по сравнению со сталями групп I и II эти стали можно отнести и к категории сталей пониженной прокаливаемое™, рассмотренных в предыдущем параграфе.

Стали этой группы можно закаливать и в воде, и в масле (в последнем случае — до определенного сечения).

Так, у стали

воде (и отпуска при 100—120°С) может достигать значений порядка HRC 67—68, а у стали ХВ5 — до HRC 69—70.

В стали ХВ5 растворимой карбидной фазой является карбид М3С, а избыточной — М6С.

БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ

Под быстрорежущими понимаются стали, предназначаемые для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания.

Быстрорежущая сталь должна в первую очередь обладать высокой горячей твердостью и красностойкостью.

Прежде чем изучать свойства и термическую обработку быстрорежущих сталей, ознакомимся с условиями работы этой стали как материала, из которого сделан инструмент.

Истирание задней поверхности при обработке стали незначительно, на передней поверхности стружка интенсивно вырабатывает лунку.

Если под действием этой температуры сталь инструмента не размягчается, инструмент долгое время сохраняет износостойкость и режущие свойства.

Следовательно, сталь для режущего инструмента должна иметь высокую твердость при повышенных температурах.

Твердость углеродистой стали после нагрева до 200°С начинает быстро падать.

Следовательно, для этой стали недопустим режим резания, при котором инструмент нагрелся бы выше 200°С.

Таким образом, инструмент из быстрорежущей стали более производителен, чем инструмент из углеродистой стали.

Следует отметить, что твердость в холодном состоянии не определяет режущей способности стали.

314, твердость углеродистой стали при нормальной температуре даже выше, чем быстрорежущей, но ее режущие свойства намного ниже.

Высокая твердость инструментальной стали необходима во всех случаях, но для быстрорежущего инструмента требуется высокая твердость не только в холодном состоянии, но и при повышенных температурах.

Иначе говоря, быстрорежущая сталь должна устойчиво сохранять твердость в нагретом состоянии, это называется красностойкостью.

Известно, при отпуске из мартенсита в углеродистой стали выделяются мельчайшие частицы карбида.

1 — твердый сплав; 2 — быстрорежущая сталь; 3 — углеродистая сталь туру отпуска поднять выше 200°С, происходит рост карбидных выделений, и твердость быстро падает.

Чтобы сталь устойчиво сохраняла твердость при нагреве, нужно ее легировать такими элементами, которые затрудняли бы этот процесс коагуляции карбидов.

Если ввести в сталь какой-нибудь карбидообразующий элемент в таком количестве, что он образует специальный карбид, то красностойкость скачкообразно возрастает.

Таким образом, красностойкость создается легированием стали карбидообразующими элементами (вольфрамом, молибденом, хромом, ванадием) в таком количестве, при котором они связывают почти весь углерод в специальные карбиды.

Наиболее распространенной быстрорежущей сталью является сталь Р18 (0,7% С; 18% W; 4% Сг и 1% V), а также сталь Р6М5 (0,9% С; 6% W; 5% Мо; 4% Сг; 2% V).

Все быстрорежущие стали обозначают буквой Р (рапид — скорость), цифры после этой буквы показывают содержание основного легирующего элемента — вольфрама, а для воль-фрамомолибденовых сталей и содержание молибдена.

Сталь Р18—наиболее распространенная, универсальная марка быстрорежущей стали.

Аналогична по назначению и близка по режущим свойствам сталь Р9.

Сталь Р9 труднее подвергается термической обработке, так как требует более точного соблюдения режима закалки, и плохо шлифуется, сталь Р18 дороже и обладает хорошими механическими свойствами.

Геллер предложил сталь Р12 (с 12% W), не имеющую этих недостатков.

Стали, содержащие кобальт, являются высокопроизводительными быстрорежущими сталями и применяются при обработке труднообрабатываемых сплавов или в случаях, когда их более высокая стоимость окупается более высокими режущими свойствами.

Следует также добавить, что стали с повышенным содержанием ванадия имеют преимущество перед Р18 главным образом вследствие более высокой износоустойчивости, а стали с кобальтом вследствие более высокой красностойкости; высокованадиевые стали хуже шлифуются (что часто затрудняет изготовление инструментов), а стали с кобальтом имеют пониженные механические свойства.

В связи с дефицитом вольфрама в последнее время получили распространение вольфрамомолибденовые стали, которые даже вытеснили «классическую» сталь Р18.

Из этих сталей преимущественное применение имеет сталь Р6М5.

В отожженном виде сталь состоит из карбидов и твердого раствора а.

В стали Р18 содержится карбид МбС, а в остальных сталях — М6С и МС, причем чем больше в стали ванадия, тем больше карбида МС и меньше М6С (например, в стали Р9 карбида МС около 15% и 85% карбида М6С, тогда как в стали Р9Ф5 карбида МС уже около 40%).

Природа всех быстрорежущих сталей одинакова; они различаются лишь по скорости процессов превращений и по температурной устойчивости, поэтому вполне возможно разобраться в природе этих сталей, взяв за пример обычную сталь R18.

В стали Р18 (обозначается иногда 18—4—1; цифры показывают содержание вольфрама, хрома, ванадия) присутствует один карбид — М6С и поэтому процессы превращений в ней можно рассмотреть ло псевдобинарному разрезу Fe — M&C,

В кованой и отожженной стали можно наблюдать три вида карбидов: крупные обособленные первичные карбиды, более мелкие вторичные и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в основной сорбитовый фон (феррит в смеси с эвтектоид-ным карбидом дает сорбитовын фон) (рис.

Изменение состава аустенита (мартенсита) в стали Р18 в зависимости от температуры (автор) нит.

Следовательно мартенсит, полученный из высоколегированного аустенита также будет высоколегирован и в работе окажется "более устойчивым так как будет обладать более высокой красностойкостью Эти данные показывают также, что для получения высоколегированного и устойчивого мартенсита быстрорежущую сталь следует закаливать от возможно более высокой температуры (при закалке с 1200°С в растворе будет 7% W).

Сталь Р18 отличается от Р9 только более высоким содер-?

Если сталь содержит кобальт, то последний, частично замещая атомы желез:!

Однако, если в отожженной стали Р18 содержится 25% карбидной фазы, то в раствор переходят только 10%, а 15% остаются в виде включений.

Сталь Р18, как содержащая большее количество карбидов, менее чувствительна к перегреву, и в этом ее преимущество перед сталью Р9.

Металлографические исследования быстрорежущей стали хорошо показывают те изменения в строении, которые происходят в стали при нагреве.

319,6 приведена микроструктура той же стали после закалки с 1280°С.

Описанное явление носит название вторичной закалки или вторичной твердости, гак как мы знаем, существенный момент, характеризующий закалку в стали — образование мартенсита.

Твердость HRC (1) и количество остаточного аустенита (2) в стали Р18 в зависимости от числа отпусков.

Микроструктура закаленной и отпущенной стали должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита и карбидов (рис.

Если сталь недостаточно хорошо отпущена, то, кроме игл мартенсита, в структуре обнаруживается остаточный аустенит (рис.

Для стали Р18 оптимальная температура закалки 1260—1280°С, для стали Р9 1220— 1240°С, для других сталей эти температуры указаны в табл.

Из-за малой теплопроводности стали нельзя помещать инструмент сразу в печь для окончательного нагрева во избежание появления трещин.

При охлаждении от комнатной температуры до —80°С образуется дополнительно около 15—20% мартенсита (от общего объема стали) и после обработки холодом сохраняется 10—15% остаточного аустенита.

Перед термической обработкой быстрорежущая сталь должна быть.

В этом случае сталь нагревают до 8GO—900°С и после выдержки охлаждают до 700—750°С.

В этом интервале температур сталь выдерживают ао окончания превращения аустенита, которое заканчивается за 1,5—2 ч.

В плохо отожженной быстрорежущей стали после закалки наблюдается особый вид брака: при нормальной твердости и нормальном количестве oc-таточлого аустенита сталь оказывается очень хрупкой, а ее излом — грубозернистый, чешуйчатый, напоминает нафталин (рис.

ШТАМПОВЫЕ СТАЛИ

Стали, применяемые для изготовления инструмента такого рода, называют штамповыми сталями (по виду наиболее распространенного инструмента).

Штамповые стали делятся на две группы: деформирующие металл в холодном состоянии и деформирующие металл в горячем состоянии.

Условия работы стали при различных видах штамповки сильно различаются между собой.

В работе внутренняя полость штампа («фигура»), которая деформирует металл, соприкасается с нагретым металлом, поэтому штампо-вая сталь для горячей штамповки должна обладать не только определенными механическими свойствами в холодном состоянии, но и достаточно высокими механическими свойствами в нагретом состоянии.

Поэтому для молотовых штампов и для прессового инструмента применяют стали различных марок.

Для штамповки в холодном состоянии сталь, из которой изготавливают штампы, обычно должна обладать высокой твердостью, обеспечивающей устойчивость стали против истирания, хотя и вязкость, особенно для пуансонов, имеет также первостепенное значение.

Сталь для «горячих штампов» должна иметь как можно меньшую чувствительность к местным нагревам.

В недостаточно вязкой (пластичной) стали, например в плохо отпущенной, местный нагрев может привести к образованию трещин.

Еще в более тяжелых условиях работы находится сталь в штампах (прессформах) для литья под давлением.

Сталь, применяемая для пресс-форм, должна быть также достаточно износостойкой, иметь высокие механические свойства в нагретом состоянии и хорошо сопротивляться разъеданию поверхности формы расплавленным металлом.

Кроме перечисленных свойств, от стали, из которой изготавливают штампы больших размеров, требуется повышенная прокаливаемость.

Сталь, применяемая для штампов и пуансо--нов сложных конфигураций, должна мало деформироваться, при закалке.

Рассмотрим отдельно стали для холодных и для горячих штампов.

Поэтому для такого рода инструмента применяют стали с содержанием углерода не менее 1% состоянии низкоотпущенного мартенсита, т.

Для таких инструментов применяют такие стали, с которыми мы познакомились в п.

Из углеродистой стали марок У10, УП, У12 изготавливают штампы небольших размеров и простой конфигурации; ввиду неглубокой прокаливаемо-стн их следует применять для относительно легких условий работы (малая, степень деформации, невысокая твердость штампуемого материала).

Для более сложных конфигураций штампов и более тяжелых условий-работы применяют легированные закаливаемые в масле (глубоко прокаливающиеся) стали — чаще всего сталь X (ШХ15).

При относительно легких условиях работы (легкие удары, малая деформация металла, например ручные клейма, ручные зубила) применяют углеродистую сталь У7, У8, У9.

При необходимости иметь еще большую вязкость, чем при градиентной закалке стали с рабочей твердостью

Эту сталь применяют для пневматического и другого ударного инструмента.

Стали, легированные только кремнием, обладают меньшей прокаливаемостыо, чем стали, содержащие вольфрам; вольфрам измельчает зерно и придает стали большую вязкость.

Увеличение содержания углерода делает стали более твердыми и износоустойчивыми, но менее вязкими.

Учитывая это обстоятельство, можно получать хромокремнистые и хромовольфрамокремнистые стали с разным содержанием углерода.

), получили высокохромистые стали (12% Сг при 1—1,5% С), обладающие высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке и некоторыми другими особыми свойствами.

Все высокохромистые штамповые стали содержат в среднем 12% Сг (о стали Х6ВФ со средним содержанием 6% Сг будет сказано ниже) и высокий процент углерода.

Так, в отожженной стали Х12Ф1 присутствует 15— 17% карбидной фазы Af7C3, а в стали Х12 этой фазы 25—30% (так как в этой стали почти в два раза больше углерода).

Именно большое количество избыточной карбидной фазы (при всех ре* жимах термической обработки) и делает сталь высокоизносоустойчивой.

Способность этих карбидов частично переходить в раствор и в тем большей степени, чем выше нагрев под закалку, позволяет, изменяя температуру закалки, изменять свойства стали и ее поведение при термической обработке.

По своей природе стали типа Х12 похожи на быстрорежущие, так как в них совершаются те же превращения, что и у быстрорежущих сталей.

Высокохромистые стали являются сталями ледебуритного класса, так как в литом виде первичные карбиды, выделяющиеся во время затвердевания стали, образуют эвтектику — ледебурит.

Таблица 58 Режимы термической обработки стали Х12Ф1 (X121W) я о.

Но чаще сталь типа Х12 закаливают с температур, дающих наибольшую твердость после закалки (от 1050-—107,5°С) и последующего низкого отпуска (при 150-н180°С).

Твердость в обоих случаях • одинаковая (H-RC 61—63), но в первом случае сталь обладает более высокой красностойкостью, а во втором — большей прочностью.

Применяемые режимы термической обработки для сталей Х12Ф1 — Х12М (обе эти стали практически равноценны), получаемые при этом свойства и некоторые данные о строении (количество аустенита), приведены в табл.

Так как в стали типа XI2 количество остаточного аустенита изменяется в широких пределах (почти от 0 до 100%), то естественно, что и изменение объема, которое наблюдается при закалке, также сильно изменяется.

При закалке на мартенсит сталь приобретает объем больший, чем исходный, а при закалке на аустенит — меньший (см.

При некоторой температуре соотношение получающегося аустенита и мартенсита таково, что объем закаленной стали точно равен исходному.

Стьли Х12Ф1, Х12М и им подобные мало деформируются при закалке, а при применении термической доводки деформацию можно свести практически к нулю Поэтому эти стали следует рекомендовать для инструмента сложной формы, для которого деформация при закалке недопустима.

Существенным недостатком стали Х12 является пониженная механическая прочность, обусловленная наличием в этой стали большого количества карбидной фазы.

А так как этой фазы будет тем больше, чем больше углерода в стали, го в силу этой причины сталь Х12 (с 2,0—2,3% С) применяют лишь для неответственных назначений и для простого по конструкции инструмента.

Сталь рассматриваемого класса, но с меньшим содержанием углерода и хрома и менее склонная к карбидной ликвации, представлена в табл.

Сталь Х6ВФ содержит меньше карбидов, чем сталь типа Х12 (12—14% карбида М7С3 в отожженной стали Х6ВФ против 15—17% в стали Х12Ф1 и 25—30% в стали Х12), и при прочих равных условиях карбидная ликвация у нее меньше (рис.

Поэтому эта сталь обычно закаливается с 1000°С±10 (для получения макси

Так как прочность и вязкость также мало изменяются в этом же интервале температур отпуска (такое изменение свойств характерно и для сталей типа Х12), то сталь Х6ВФ отпускают или при 150°С (для сохранения высокой твердости), или при 200°С (для некоторого повышения вязкости).

Влияние термической обработки на строение и свойства стали Х6ВФ (автор): а — влияние температуры закалки; б — влияние температуры отпуска

Из изложенного следует, что области применения и режимы термической обработки сталей Х6ВФ и Х12Ф1 в общем похожи, только сталь Х6ВФ отличается более высокой прочностью, но меньшей износоустойчивостью.

Для получения хороших свойств по всему сечению, в частности достаточной вязкости, сталь штампов должна глубоко прокаливаться.

Так как быстрым охлаждением штампов крупных размеров нельзя устранить отпускную хрупкость, то сталь должна быть минимально чувствительной к этому пороку.

Поэтому подобное взаимодействие штамповой стали с металлом изделия должно быть минимальным.

Для штампов, работающих в легких условиях1, применяют углеродистые стали с содержанием углерода от 0,6 до 1,0%, т.

стали марок У7, У8 и У9.

Наибольшее применение при изготовлении штампов имеет сталь У7.

Следует, однако, отметить, что в современных условиях углеродистая сталь мало применима для штампов, так как штамповку проводят с большой интенсивностью, и штампы из углеродистой стали не будут обладать достаточной стойкостью в работе.

59 является сталь 5ХНМ.

329, где видно влияние температуры отпуска на свойства этой стали, а также температуры испытания для стали, закаленной и отпущенной при 550°С (при-менен нормальный режим термической обработки штампов из этой стали, под

Такими свойствами обладают все стали, указанные в табл.

Сталь 5ХГМ имеет пониженную пластичность (\|) = 30-%) и вязкость (а„ =3-н4 кгс-м/см2)—естественное следствие замены никеля марганцем.

Сталь 5ХНТ, не содержащая элементов, задерживающих процесс отпуска (молибден, вольфрам), быстрее разупрочняется и при отпуске 550°С имеет более низкую прочность, но более высокую пластичность.

Более высоким комплексом механических свойств при 600°С обладает сталь 5ХНМ.

Стали 5ХГМ и 5ХНСВ превосходят сталь 5ХНМ по горячей прочности, но уступают ей по вязкости (в этом сказалось влияние марганца и кремния).

Сталь 5ХНТ не содержит молибдена или вольфрама (задерживающих процессы распада мартенсита) и имеет при 600°С пониженную прочность.

стали см С, - и • о *- о о™ * 0° * •?

По прокаливаемое™ рассматриваемые стали располагаются в следующем нисходящем порядке: 5ХНСВ, 5ХНМ, 5ХНТ.

Для указанного назначения в принципе можно было бы применить и быстрорежущие стали, но они все же недостаточно пластичны.

64 стали похожи на быстрорежущие (например, ЗХ2В8 похожа на Р9), но имеют пониженное содержание углерода, что делает их более вязкими.

Наиболее распространенной является сталь ЗХ2В8.

Сталь 4ХЗВФ2М2 показала в испытаниях повышенную стойкость в работе, а 4Х5В2ФС — равную стали ЗХ2В8.

В отожженной стали ЗХ2В8 имеется около :12% карбида М^С.

После закалки с 1100°С сталь приобретает структуру мартенсита с небольшим количеством аустенита и избыточных карбидов при твердости HR.

331, Влияние отпуска и температуры испытания па свойства стали ЗХ2ВЗ (автор)

Поэтому сталь обладает высокой прочностью и твердостью при повышенных (до 600— 650°С) температурах (рис.

Me следует думать, что для всех деталей прессового инструмента применяют только стали, приведенные в табл.

Матрицы, прошивные и формующие пуансоны небольшой длины и большого диаметра, меньше нагревающиеся в работе и воспринимающие меньшие давления, чем другие части прессового инструмента, изготавливают из уже знакомой стали 5ХНМ или из конструкционной стали ЗОХГС.

Для пуансонов и матриц, работающих при больших удельных давлениях и высоких температурах, следует применять сталь ЗХ2В8 и ей подобные.

Когда по условиям работы возникают удары, то вместо стали ЗХ2В8 следует применять сталь типа 5ХНМ или 4Х5В2ФС, обладающую большей вязкостью, чем ЗХ2В8, и большей красностойкостью, чем 5ХНМ.

Следовательно, для прессового инструмента следует применять: 1) сталь ЗХ2В8 (см.

2) стали типа 5ХНМ (табл.

3) сталь 4Х5В2ФС для деталей, подвергающихся сравнительно высоким рабочим температурам и динамической нагрузке;

4) конструкционные стали типа ЗОХГС, 40ХН—для частей штампа, испытывающих только значительные механические нагрузки при слабом разогреве (до 300°С).

), изготовленных из стали ЗХ2В8 и др.

Кроме перечисленных, применяют еще сталь 7X3 (0,6—0,75%С, 3,2— 3,8% Сг, остальные элементы в обычных пределах), обладающую более высокой износоустойчивостью благодаря более высокому содержанию углерода, чем в остальных сталях, но значительно уступающую сталям типа ЗХ2В8 и 5ХНМ по вязкости и красностойкости.

Применяется сталь 7X3 для штампов, работающих в условиях невысокого нагрева (400—500°С).

Поэтому для прессформ применяют те же стали: ЗХ2В8 для наиболее нагруженных деталей и для менее нагруженных в тепловом отношении деталей — более простые стали (7X3, ЗОХГС и даже углеродистые стали 40 и У7), а также нержавеющие стали типа 3X13, с которыми познакомимся ниже.

Начальная стадия окисления стали — чисто химический процесс.

Архаров) / — ферритные стали; 2 — аустенитные

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами, которые благоприятным образом изменяют состав и строение окалины.

Так, в результате введения в сталь соот

Чем выше содержание хрома, алюминия или кремния в стали, тем выше окалиностойкость стали и тем выше может быть рабочая температура.

При рабочей температуре 900°С для достаточной окалиностойкости сплав (сталь) должен содержать не менее 10% Сг, а при рабочей температуре _______________________1100°С —не менее 20—25% Сг.

Важно, что окалиностойкость, столь существенно зависящая от состава стали или сплава, не зависит от его структуры, т.

Fe—Сг—N1—Со; 5 — а)стенитные стали; 6 — теплоустойчивые стали; 7 — сплав титана; 8 — сплав алюминия смотря на то, что температуры плавления у них сильно различаются (у сплавов алюминия 7ПЛ»600°С, у сплавов меди 7ПЛ«900°С).

Полосы длительной прочности стали Х18Н9Т

Ниже 300°С наибольшую прочность имеют простые конструкционные стали 1, обработанные на высокую прочность.

Для работ в интервале 350—500°С оптимальными по свойствам являются сравнительно слаболегированные стали перлитного и ферритного классов 2.

С повышением температуры до 500 — 650°С прочность сталей этого типа резко падает, уступая сталям аустенитного класса 3, а при 650—900°С стали аустенитного класса уступают первое место высоколегированным кобальтовым и никелевым сплавам 4.

Рассмотрим перлитные « аустенитные стали, сплавы на основе никеля и кобальта и тугоплавких металлов.

ПЕРЛИТНЫЕ И МАРТЕНСИТНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Рассмотрим стали, применяемые главным образом в котло-строении для изготовления паропроводов, пароперегревателей, крепежных и других деталей, подвергаемых длительным меха

Предел прочности (кратковременный) различных сплавов в зависимости от температуры испытания (суммировано по данным различных источников и схематизировано): / — хромоникелевая конструкционная сталь; 2 —- ферритная жаропрочная (теплоустойчивая) сталь; 3 — аустенит-ная жаропрочная сталь; 4 — никелевый жаропрочный сплав ническим воздействиям при умеренно высоких температурах — не выше 500—600°С.

Сталь 12Х2МФБ содержит 0,5—0,8% Mb, а сталь 1Х12ВНМФ 0,5—0,8% Ni.

Все стали, приведенные в табл.

Стали перлитного класса являются сравнительно малолегироваиными сталями, которые при 0,12%С содержат 0,5 или 1% Сг и 0,3 или 0,5% Мо.

Стали перлитного класса, как не содержащие большого количества хрома, естественно, не обладают высокой жаростойкостью и их нельзя применять при температурах выше 550—580°С.

Благодаря высокому содержанию хрома в стали повышается не только окалиностойкость, но и жаропрочность, вследствие повышения температуры рекристаллизации и образования специальных карбидов (М^зСв, медленнее коагулирующих, чем цементит (М3С).

Присадка вольфрама, молибдена, ванадия в стали с 12% С г повышает жаропрочность, но до известного предела, так как при более высоком содержании этих элементов сталь становится полуферритной, в которой превращение ы=^:у будет протекать не полностью1, а это может отрицательно повлиять на свойства.

Самыми низкими жаропрочными свойствами обладает перлитная 'углеродистая нелегированпая сталь (см.

Более высокой жаропрочностью, чем перлитная сталь, обладает сталь мартенситного класса (с 12% Сг), но при 600°С и выше она уступает аустенитной стали.

Более подробные сведения о жаропрочных свойствах котельной стали одной из марок (12ХМФ) можно получить из данных, приведенных на рис.

Хотя после закалки и отпуска все стали приобретают строение, близкое к равновесному (феррит+карбиды), тем не менее продолжительный нагрев мо

Кроме сложных, применяют и простые 12%-ные хромистые стали, различающиеся только содержанием углерода.

Видно, что простая 12%-ная хромистая сталь уступает по жаропрочности более сложным по составу сталям того же типа.

Стали, приведенные в табл.

Если к свариваемости не предъявляют особых требований, то можно применять высокохромистые стали с высоким содержанием кремния, так называемые сильхромы.

Сталь t, °С.

АУСТЕНИТНЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Аустенитные жаропрочные стали применяют для изготовления клапанов двигателей, лопаток газовых турбин, и других «горячих» деталей реактивных двигателей — в основном для работы при 600—700°С.

Все аустенитные жаропрочные стали содержат большое количество хрома и никеля, а также добавки других элементов.

Аустенитные жаропрочные стали обладают рядом общих свойств — высокой жаропрочностью и окалиностойкостью, большой пластичностью, хорошей свариваемостью, большим коэффициентом линейного расширения.

В интервале 550—600°С эти стали часто охрупчиваются из-за выделения по границам зерна различных фаз.

Аустенитные стали могут быть разделены на две группы: а) не упрочняемые термической обработкой, т.

Углеродистые стали.

Стали первой (гомогенной) группы применяют как жаропрочные и как нержавеющие, поэтому более подробно о них будет изложено в главе «Коррозионностойкие стали>, здесь же мы ограничимся данными об их окали-ностойкости и жаропрочности (см.

Стали содержат 1—2% Mn (кроме 4Х12Н8Г8МФБ и Х25Ш6Г7АР, у которых 7,5—9,5% Мп и 5—7% Мп); до 0,08% Si (кроме стали Х25Н20С2, в которой 2—3% Si); менее 0,02% S и 0,035°/п Р.

Стали с буквой Р в марочном обозначении содержат около 0,002% В.

Продолжительная выдержка при рабочих температурах (500—700°С) охрупчивает сталь из-за выделения избыточных фаз по границам зерен и образования так называемой а-фазы (сигматизация), представляющей собой ин-терметаллид типа FeCr.

Стали второй группы, в отличие от первой, нестабильны и склонны к упрочнению вследствие распада твердого раствора (вязкость при этом снижается).

Конечно, цель такой термической обработки — повышение жаропрочности; аустенитные стали второй группы обладают жаропрочностью более высокой, чем гомогенные аустенитные стали, что объясняется тонким распределением второй фазы, однако это является преимуществом только при кратковременных сроках службы; при длительных сроках службы (т>100 ч) избыточная упрочняющая фаза скоагулирует, и тогда гомогенные сплавы превосходят по жаропрочности дисперсионно твердеющие.

Микроструктура аустенитной жаропрочной стали.

Кроме этих сталей более или менее широкого назначения, имеются аусте-нитные жаропрочные стали более узкого применения: для литых деталей высокой окалиностойкости (детали печей, например реторты), листовой обшивочный материал, подвергаемый нагреву и т.

Для лопаток турбин применяют аустенитные сталь ч сплавы на основе никеля и кобальта.

Как и аустенитные стали, сплавы на основе никеля могут быть разделены на гомогенные (так называемые нихромы и инконсли) и стареющий (гак называемые нимоники).

Известные до того времени жаропрочные сплавы, в основном аустенитные стали, не удовлетворяли новым, возросшим требованиям в отношении жаропрочности.

Жаропрочные стали.

Жаропрочные стали и сплавы.

КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ (НЕРЖАВЕЮЩИЕ) СТАЛИ И СПЛАВЫ

Чистое железо и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмосфере, в воде и во многих других средах, так как образующаяся пленка окислов недостаточно плотна и не изолирует металл от химического воздействия среды.

Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии, и таким образом можно создать сталь (сплав), практически не подвергающуюся коррозии в данной среде.

При введении таких элементов в сталь (сплав) происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости.

Не вдаваясь в подробности явлений, связанных с процессами коррозии и коррозионным разрушением, укажем, что введение в сталь >12% Сг делает ее коррозионностойкой в атмосфере и во многих других промышленных средах.

Хромистые нержавеющие стали применяют тргх типов: с 13, 17 и 27% Сг, причем стали с 12% Сг в зависимости от требований имеют различное содержание углерода (от 0,1 до 0,4%).

Стали с 17—18 и 25—28% Сг имеют иногда небольшие добавки титача и никеля.

Сталь различных способов производства.

Как видим, в зависимости от содержания углерода хромистые стали с 12—14% Сг могут относиться к разным структурным, классам, что и отражено в табл.

Сталь 0X13 может относиться к чисто ферритному классу (при содержании углерода<0,09% и хрома<13%) и в полуферритный (при среднем содержании хрома и углерода).

В первом случае эта сталь не будет испытывать Y^a-превращения полностью, во втором случае будет происходить неполное Y^e-превращение.

Эта же сталь при минимальном содержании хрома (12%) и максимальном содержании углерода (0,15%) будет испытывать протекающее полностью Y-»-a-nPeBPauteHHe' a ПРИ охлаждении из •области у 11а воздухе будет закаливаться на мартенсит.

Это обстоятельство делает сталь данной марки нестабильной по свойствам, и небольшие отклонения в составе (в пределе марочного состава) резко тменяют структуру стали от ферритной до мартенситной.

В известной мере подобное наблюдается в стали марки 1X13*' и Х14*2.

Стали 2X13, 3X13 и 4X13 — стали мартенситного класса.

Стали Х17 и Х25—Х28 — ферритные стали (рис.

В соответствии со сказанным, стали имеют после закалки (или охлаждения на воздухе) от высоких температур (900—1100°С) следующую структуру: сталь 0X13 и 1X13—феррит и мартенсит (в разных соотношениях структура перекристаллизованного феррита преобладает, как правило, в стали 0X13 и его мало в стали 1X13); сталь 2X13, 3X13, 4X13 — мартенсит; сталь 12X17, 15Х25Т, 15X28 —феррит.

Сталь с 0,01% С при 13% Сг не упроч*' В зависимости от фактического содержания углерода и хрома она может быть полуферритной или мартенситной.

*2 Ферритная сталь, но при содержании углерода на верхнем пределе — нолуферритная.

няется при закалке, так как в ней отсутствует \':1±:а'пРевРаЩение' сталь с 0,35%С сильно упрочняется при закалке температур выше 800°С (для этой стали /lci=800°C) в связи с образованием мартенсита; стали с промежуточным содержанием углерода упрочняются при закалке в меньшей степени — как из-за неполноты ач^'у-рревращения, так и потому, что мартенсит содержит меньше углерода.

Поэтому чем больше в стали Х13 углерода, тем более высокой должна быть температура закалки, чтобы растворимость карбидов была возможно более полной, а твердость высокой.

Стали типа Х13 —распространенные и наиболее дешевые нержавеющие стали; их применяют для бытовых назначений и в технике (лопасти гидротурбин, лопатки паровых турбин).

Стали эти хорошо свариваются.

Стали с низким содержанием углерода (1X13, 2X13) пластичны, из них хорошо штампуются различные детали; стали 2X13 и 4X13 обладают высокой твердостью и повышенной прочностью, из них изготавливают детали повышенной прочности и износоустойчивости при высокой коррозионной стойкости1.

Стали с 1,7% Сг обладают более высокой коррозионной стойкостью.

Ввиду высокого содержания хрома стали типа Х17 можно применять и как жаростойкие (окалиностойкие) при рабочих температурах не выше 900°С.

Однако подобное превращение в этой стали протекает не до конца, что тем не менее дает заметное упрочнение.

В группе сталей с 17% Сг сталь Х17Н2 является высокопрочной (табл.

Стали с 25—28% Сг применяют для деталей печей (муфели, чехлы термопар, реторты) при температурах 1050—1150°С.

стали (порог хладноломкости повышается и переходит в область положительных температур).

Типичная структра феррит-ной нержавеющей стали (Х25Т).

Достижения металлургической технологии позволили изготовлять хромистые стали (с 17 и более %( Сг) с содержанием углерода менее 0,005%.

Эти стали не имеют указанных выше недостатков, т.

ХРОМОНИКЕЛЕВЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ

Введение достаточного количества никеля в 18%-ную хромистую сталь переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой и не хладноломкой.

Нержавеющие стали с 18% Сг и 10% Ni получили наиболее широкое распространение в машиностроении, в изделиях широкого потребления, а также в архитектуре и скульптуре.

Чистая сталь.

Типичная микроструктура нержавеющей стали: а — а>стенитного класса (аустенит).

Типичная структура нержавеющей стали (аустенита) приведена на рис.

Промышленные хромоникелевые стали, естественно, не являются чистыми Fe —Сг — Ni сплавами, а содержат примеси.

Решить, к какой группе по структуре отнести промышленные сложные по составу хромоникелевые стали, содержащие углерод, азот, марганец, кремний, титан и другие элементы, довольно трудно; тройная система Fe — Сг — Ni (см.

В стали с 22% Сг и таким же содержанием остальных элементов1 эквивалент хрома повысится до 24%, и сталь будет содержать примерно 5% феррита.

Аустенитные стали — с устойчивым аустенитом.

Аустенито-мартенситные стали (или стали так называемого переходного класса).

К этому же классу относятся и те стали, аустешп которых при охлаждении до комнатной температуры хотя и не дает признаков у-*-а- превращения, но все же неустойчив, так как при обработке холодом или под действием пластической деформации он превращается в мартенсит.

Аустенито-ферритные стали, имеющие структуру a+Y-Аустениг в этих сталях может быть устойчивым и неустойчивым.

В таблицу включены не только хромоникелевые стали, в том числе и с дополнительным легированием, но и такие,, в которых марганец и азот частично и даже полностью заменяют никель (в последнем случае они, разумеется, не являются хромоникелевыми сталями).

362), но выше 800°С растворимость резко увеличивается и при температуре 1050°С можно перевести в раствор 0,05о/0 С, а при 1150°С—все карбиды, даже если сталь содержит 0,15% С (при содержании 9% Mi; никель уменьшает растворимость углерода в аустените при высокой температуре).

Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при" определенных условиях приводит и к охрупчиванию стали и к появлению особого вида коррозионного разрушения по грани

Лист из нержавеющей стали, пораженный интеркристаллитной коррозией, при постукивании не издает металлического звука, при небольшом усилии легко разрушается и может быть превращен в порошок.

Процесс интеркристаллитной коррозии возникает лишь в результате нагрева закаленной аустенитной стали в определенной области температур <500--700°С).

Микроструктура аустенитной нержавеющей стали, пораженной интеркристаллитной коррозией: а _ ХЗОО; б — Х500

При введении в сталь титана или ниобия образуются соответственно карбиды типа МС.

Углеродистая сталь общего назначения.

Характеристику устойчивости стали к интеркристаллитной коррозии можно выразить своего рода С-образньши диаграммами (рис.

364, видно, что в стали 18-9 без титана и ниобия выдержка в течение 10 мин, при 650—700°С приводит металл и состояние склонности к интеркристаллитной коррозии (рис.

Сталь 18-10 с титаном и ниобием значительно более устойчива (рис.

Продолжительность провоцирующего нагрева, вызывающего интеркристаллртную коррозию стали Х18Н10:ч — без стабилизаторов; б — сталь с 0,5% Ti; е — сталь с 0,7"/о Mb.

При оценке результатов испытаний на МКК принимается, что если сталь не склонна к интеркристаллитной коррозии после закалки и отпуска в течение часа при 650°С, то такую сталь можно применять в закаленном виде в сварных изделиях, причем после сварки термическая обработка не требуется.

Если сталь оказалась устойчивой к интеркристаллитной коррозии в закаленном состоянии и неустойчивой после провоцирующего отпуска (650°С, 1 ч), то из нее можно изготавливать либо нссварные изделия, либо, если сварка неизбежна, следует применять термическую обработку (закалку) сварных изделий, иначе сварной шов не будет коррозионностойким.

Чисто аустенитные стали склонны также еще к одному виду коррозионного разрушения, IK так называемому коррозионному растрескиванию или к коррозии под напряжением.

Такому разрушению подвержены (но несколько слабее) и ферритные нержавеющие стали.

Двухфазные стали (аустенито-ферритные) обладают наименьшей склонностью к коррозионному растрескиванию.

Нечувствительны стали к коррозионному растрескиванию с 30—40% Ni.

Аустенитные нержавеющие стали применяют очень широко не только из-за их высоких антикоррозионных свойств, но и благодаря высоким технологическим и механическим свойствам.

Эти стали хорошо прокатываются в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глу- 10 бокую вытяжку и профилирование, допускают применение электросварки, без охрупчивания околошовных зон.

Кроме того, при закалке происходят рекристаллиза-пнонные процессы, устраняющие последствия пластической деформации, которой часто подвергаются нержавеющие аустенит-ные стали.

Сталь ООХ18Н10, естественно, обладает наиболее высокой пластичностью н наименьшей прочностью, так как почти не содержит углерода и легирующих элементов выше 18% Сг и 10 Ni, указанное количество которых необходимо для создания коррозионной устойчивости (хром) и аустенитной структуры (никель).

В результате легирования этой стали повышается прочность (углерод и азот влияют сильнее, чем остальные элементы — металлы).

Наиболее прочные аустенитные стали, содержащие азот и углерод, обладают пределом текуче

Однако эти стали склонны к межкристаллитной коррозии и охрупчиванию при высокой температуре.

Нержавеющие стали этого класса получили применение главным образом как высокопрочные.

Проследим ,ча изменением механических свойств стали Х15Н9Ю с изменением структурного состояния по этапам термической обработки.

В этой стали можно вызвать мартспситное превращение, кроме обработки холодом, пластической деформацией или закалкой с 800°С.

Нагартованная сталь.

84 и 85, показывает, что аусте-нито-мартенситиые дисперсионно твердеющие стали обладают существенно более высокими свойствами, чем чисто аустенитные стали, и применение их предпочтительней, разумеется, если нет дополнительных требований в отношении магнитных свойств1.

Меньшее применение по сравнению с только что рассмотренными двумя классами стали — аустенитным и аустенитно-мартенситным — имеют стали аустеннто-ферритного класса (их еще иногда называют двухфазными).

Причина заключается в том, что эти стали отличаются нестабильностью свойств — небольшие колебания в составе (внутри марочного содержания элементов) приводят к существенному изменению количественного соотношения у- и а-фаз и, следовательно, к различию в свойствах.

Кроие того, эти стали обладают склонностью к охрупчиванию (при 400— (>00°С).

По прочности они превосходят чисто аустеиитную сталь, по для многих назначений это не является преимуществом.

1 Вое аустенитные стали немагнитны, а 'лагштиы.

аустенито-мартенситные стали

Скорость этих трех видов коррозионных разрушений зависит от состава стали и структурного состояния.

Большинство нержавеющих аустенитных сталей содержит около 18% Сг и обладает приблизительно одинаковой стойкостью; им уступают стали с 14% О, но их превосходят двухфазные стали, содержащие 21% Сг.

Весьма стойки к межкристаллитной коррозии стали с пониженным содержанием углерода (<0,03% С) и стали с титаном или ниобием.

На основе перечисленных соображений выбирают нержавеющую сталь для изделия.

Стойкость сталей (в отношении равномерного коррозионного разрушения) 1 — 12 и 15—19 примерно одинакова, пониженной стойкостью обладают стали 13, 14, 21 и 22, а повышенной 20 и 23—25.

Остальные стали не обладают высокой стойкостью к межкристаллитной коррозии и малой склонностью к охрупчнванию.

Высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию обладают стали' типа 18—12, остальные стали, особенно типа 18—9; в этом отношении уступают им.

Молибден и медь вводят в нержавеющие стали для повышения сопротивления коррозии в кислотах, поэтому стали типа Сг—№—Мо и Сг—N4—Си— Мо будут рассмотрены в параграфе о кислотостойких сталях.

стали для улучшения обрабатываемости резанием.

Сталь 6(Х18Н10Е)—автоматная нержавеющая сталь.

КИСЛОТОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Рассмотренные в предыдущем параграфе нержавеющие стали оказываются недостаточно стойкими в перечисленных средах и других средах высокой агрессивности.

Для эксплуатации в этих средах следует применять другие, так называемые кислотостойкие стали и сплавы.

Увеличение стойкости в кислотах (общая коррозия) дает присадка в аустенитные стали молибдена и особенно молибдена с медью при одновременном увеличении содержания никеля (стали типа Сг—Ni—Мо и Сг—Ni—Мо—Си, см.

При необходимости иметь и высокую кислотостойкость (на уровне стали ЭИ943), и высокие механические свойства (•<тв>100 кгс/мм2) рекомендуется к применению сплав Сг— Ni—Мо—-Си—Ti—А1.

При комнатной температуре высокой стойкостью в этой кислоте обладают все аустенитные нержавеющие стали (хромистые типа Х17 нестойки).

Примерно при 70°С аустенитные хромоникелсвые стали нестойки даже в кислотах слабой концентрации, но примерно до 5% H2SC>4 могут работать аустенитные стали с добавлением молибдена и меди (стали ЭИ943, см.

' В кипящей серной кислоте до концентрации примерно 30% все стали, в том числе и сталь ЭИ943, нестойки.

При комнатной температуре любой концентрации аустенитные стали устойчивы, хромистые нет.

В горячей (70°С) фосфорной кислоте устойчивы лишь сталь ЭИ943 (до концентрации 25%), в кипящей — лишь хастеллой (до концентрации °0— 50%), а при более высокой устойчивы лишь тугоплавкие металлы.

Соляная кислот ал При комнатной температуре устойчива только> сталь ЭИ943, но лишь в разбавленной кислоте (5%).

КРИОГЕННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Таким образом, стали и сплавы, предназначаемые для работы при низких температурах, делят на металлические материалы для работы при низких климатических температурах (до —60°С) так называемые стали северного исполнения и эксплуатируемые при температурах от комнатной до температуры ниже —80°С почти вплоть до абсолютного нуля (4,2 К — температура i-нпения жидкого гелия) —так называемые криогенные стали и сплавы, которые чаще всего являются одновременно и нержавеющими (аустенитными).

367 показано влияние температуры на прочностные свойства сл'стенигных сталей (аустенитные стали наиболее распространенные крио-i'/иные стали).

Представлена сталь Х18Н20 (рис.

В стали Х18Н10, как было сказано выше (см.

в области напряжений, превосходящих о"0,2 Поэтому о"о,2 в этой стали изменяется, как и в стали со стабильным аусте-ннтом, а разрушение (сь) происходит не в аустекитном, а аустенпто-мар-тонситном состоянии.

Листовая сталь для холодной штамповки.

Сталь Х18АГ19 не содержит никеля и несмотря на аустенитную структуру в ней при температурах ниже (—80) — (—100)°С появляется в изломе хрупкая составляющая.

Хромоникслевые аустенитные стали имеют высокую ударную вязкость (ан >90 кгс-м/см2) при комнатной температуре, и, так как при всех температурах вплоть до температуры кипения жидкого водорода (—253°С) у них сохраняется вязкий излом, ударная вязкость монотонно снижается, очевидно, за счет монотонного повышения прочности, но сохраняет при - 253°С высокие значения, выше 10 кгс-м/см2 (рис.

Вот почему для работы при таких низких температурах (ниже —196°С) применяют преимущественно аустенитные стали, тогда как для температур выше —196С>С [т.

Как было показано, никель эффективно понижает порог хладноломкости железа и, следовательно, используя это влияние, можно получать желе-зоникелевые стали (низкоуглеродистая) с разным значением порога хладноломкости (табл.

указываем верхнее значение порога хладноломкости для стали в нормализованном состоянии.

В связи с дефицитностью никеля необходимо бережно выбирать стали, легированные этим элементом.

Отсюда сталь ОН6 (6% Ni) можно применять до —100°С при динамических условиях нагружения и до —180°С (практически до —196°С, т.

до «кислородных» температур) при отсутствии динамических нагрузок, а сталь ОН9 (9|% iNi) соответственно до —130 и —<196°С.

«Водородная» (—253°С) и «гелиевая» (—269°С) температуры, по-видимому, для стали 9% Ni (и безусловно для стали с 6% Ni) слишком низкие.

Кроме того, эти стали не являются коррозионностойкими.

В случае требований высокой коррозионной стойкости1 следует применять хромоникелевые аустенитные стали, описанные в п.

2 этой главы, обладающие к тому же более высокой хладоетойкостью, чем стали с ферриглой структурой (в том числе и ОН6 и ОН9).

Относительно невысокая прочность (ст0,2«25 кгс/мм2) аустенитных нержавеющих сталей привела к разработке высокопрочных криогенных сталей (например, сталь ЭП222 с 'СТ0,2=40 кгс/мм2 или ЭП699 с ст0,2 = 80 кгс/мм2).

Нержавеющие и жаропрочные стали.

Нержавеющие стали.

Высокопрочные а\стеннтные стали.

Коррозпонностойкие стали и сплаиы.

Чистая сталь.

Глава XX ИЗНОСОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Поэтому износостойкость сплава (стали) определяется его физико-химическими свойствами и условиями износа, причем в зависимости от условий износа оптимальная структура и свойства металла могут быть различными.

При одинаковой поверхностной твердости стали со структурой мартенсит + карбиды обладают большей износостойкостью, чем стали с такой же твердостью, но не имеющие избыточных карбидов (рис.

При одинаковой твердости сталь, имеющая крупнокристаллическую структуру, имеет меньшую износостойкость, чем сталь с мелкокристаллической структурой, так как у первой сопротивление хрупкому разрушению меньше.

ГРАФИТИЗИРОВАННАЯ СТАЛЬ

Графитизированная сталь обладает высокой стойкостью против износа.

В литом горячекатаном состоянии эти стали имеют структуру пластинчатого перлита с избыточными (часто в виде сетки) карбидами.

Детали из графитизирусмой стали можно применять в отожженном состоянии и после закалки с отпуском.

1 Поскольку графитизируемые стали по составу похожи на ковкий чугун, отличаясь лишь меньшим содержанием углерода.

Отожженная графитизированная сталь превосходит по прочности высокопрочный чугун и обычную конструкционную углеродистую сталь (в нормализованном состоянии), уступая последней по пластичности:

Графитизированная сталь

Сталь 50.

Термически обработанную гра-фитизированную сталь применяют для холодных штампов, калибров, траков и других деталей, подвергающихся в работе большим давлениям и износу.

В отожженном состоянии графитизиро-ванную сталь применяют как заменитель цветных металлов — латуни и бронзы.

Из графитизированной стали изготавливают литые коленчатые валы.

Наличие графита повышает склонность стали к затуханию колебаний, а ее недостаточная прочность может быть компенсирована конструктивно — более выгплнпй Аппмпй птпиппк UPM Рис- зж Структура графитизированной стали ВЫГОДНОЙ формой ОТЛИВОК, чем (зернистый перлит+округлые включения гра-ПОКОВКИ.

ВЫСОКОМАРГАНЦОВИСТАЯ СТАЛЬ

Однако существует аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровождаемого большим удельным давлением (и когда отсутствует чисто абразивный износ), при низкой твердости (всего лишь НВ 200—250) обладает высокой износоустойчивостью.

Это так называемая сталь Гадфильда[ (Г13), содержащая 1,2% С и 13% Мп.

Сталь применяют в литом и реже — в горячедеформирован-ном виде.

Термическая обработка литых и кованых деталей (механической обработке сталь подвергается с большим трудом) заключается в закалке в воде с 1050—1100°С.

Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей проч

1 Первая найденная Гадфильдом легированная сталь, которую начали применять в промышленности примерно с 1882 г.

Примерные механические свойства этой литой и закаленной на аустенит стали следующие: 0в = 80-г-100 кгс/мм2; оо,2 = 26н-40 кгс/мм2; б=40-г-50%; г|з=40ч-50%; твердость ЯВ

При низкой твердости сталь Гадфильда обладает необычно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и ударами.

Аустенитная сталь Г13, не содержащая никель в литом, а также кованом состояниях, имеет явно выраженный порог хладноломкости (рис.

решеткой не имеют порога хладноломкости и в стали ПЗ допускалось высокое содержание фосфора (до 0,12%).

373) показывают, что стали с г.

Поэтому и в стали Г13, используемой для

Автоматные стали.

Влияние наклепа на твердость углеродистой стали 40 (!

) и стали ПЗ (2)

Ударная вязкость и доля волокнистой составляющей в изломе стали ПЗ, содержащей разное количество фосфора (автор) ответственных отливок, следует жестко регламентировать содержание фосфора (не более 0,02%).

Высокая вязкость аустенита наряду с достаточной прочностью и износоустойчивостью делает сталь Гадфильда незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно.

Из стали ПЗ изготавливают черпаки экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие детали.

В этих деталях трение сопровождается ударами и большими давлениями; при абразивном износе, когда давление и, следовательно, наклеп отсутствуют, сталь Гадфильда не имеет существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями такой же твердости.

Имеются также стали с высокой кавитационной стойкостью2.

Примером кавитационной стали может служить сталь марки ЗОХ10Г10 (0,3% С; 10%Сг; 10% Мп).

Хотя при этом значительного изменения свойств не происходит как при термической обработке стали, тем не менее определенные изменения наблюдаются, и в последнее время при работе сплавов предусматривается воз

Титан обладает вы_______________ _ сокой коррозионной стойкостью в большем количестве агрессивных сред, превосходя в этом отношении нержавеющую сталь.

Чернов, изучая структуру литой стали, указал, что процесс кристаллизации состоит из двух элементарных процессов.

В кипящей серной кислоте — одной из наиболее агрессивных сред кислотостойкая хромоникельмолибденомедистая сталь может работать при концентрации Н2О4 до 5%, сплав хастеллой (80% Ni, 20% Mo)—при концентрации до 20%, а тантал не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при концентрации до 80% (см.

Возможно изготовление аппаратуры не из листов чистого молибдена, а из биметалла: сталь+молибден (молибден — покрытие).

Несмотря на высокую стоимость тугоплавких материалов по сравнению с такими коррозионностойкими материалами, как высоколегированная нержавеющая сталь или сплав хастеллой, применение сплавов Та—Mb экономически оправдано, так как вследствие высокой коррозионной стойкости можно эксплуатировать химическую аппаратуру весь срок без замены облицовки.

У этих сплавов коэффициент примерно в десять раз меньше, чем для углеродистой стали, и в 20 раз меньше, чем для аустенитной стали.

Пружинные стали и сплавы.

Глава XXIV МАГНИТНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

СТАЛИ И СПЛАВЫ ДЛЯ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ (МАГНИТНОТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ)

Углеродистая сталь применяется для изготовления небольших по размеру магнитов.

Обычно для этой цели используется сталь У10—У12, которая после закалки имеет Яс=60^-65 Э и Бг = 8000ч-^8500 Гс.

Хромистая сталь (1% С и 1,5 или 3% Сг) имеет приблизительно такие же магнитные свойства, что и углеродистая.

-Эти стали обладают значительно большей прокаливаемостью, и поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров.

Кобальтовые стали (содержащие наряду с хромом 5 или 15% Со) обладают наиболее высокими магнитными свойствами (Нс от 100 до 170 Э и Вг от 8000 до 85 Гс) по сравнению с другими сталями.

Хромистые Углеродистые стали

Вначале рассмотрим стали (табл.

Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают сложной термической обработке, состоящей из предварительной нормализации (воздушной закалки), закалки с обычной температуры в воде или масле и низкого отпуска (желательно с предварительной обработкой холодом).

103, можно получить в стали с 30% Со (Яс = 250 Э) и на безуглеродистых дисперсионно твердеющих сплавах системы; Fe — Mo, Fe — V — Со Со или Fe — Mo — Co.

Электротехническая сталь представляет собой феррит-ный сплав железа с кремнием (3%, Si, см.

Электротехническую сталь изготавливают в виде тонких листов, которые используют для изготовления сердечников трансформаторов, магнитопроводов электрических машин и аппаратов переменного и постоянного тока.

Как отмечалось, электротехническая листовая сталь представляет собой сплав железа с кремнием при строго ограниченном содержании других примесей.

Листовая электротехническая сталь подразделяется по сортаменту (главным образом по толщине), способу производства (холоднокатаный и горячекатаный лист), степени анизотропии, а также основным магнитным характеристикам (магнитная индукция и удельные потери) и степени легирования кремнием.

Эти стали маркируют следующим образом: после первой буквы Э следуют две или больше цифр.

Один нуль показывает, что сталь холоднокатаная текстурованная (смотри ниже), два нуля — холоднокатаная малотекстурованная.

Таким образом марка Э12 означает электротехническую горячекатаную сталь с 1 % Si и второго уровня по электротехническим свойствам, а марка Э1200 — такую же сталь, но холоднокатаную слаботекстурованную.

В соответствии с этим трансформаторное железо (основное применение — сердечники трансформаторов), обладающее более высокими магнитными свойствами, имеет более низкие механические свойства, чем динамная сталь (главное применение — детали динамомашин).

Современная технология производства высших сортов электротехнической стали заключается в следующем: выплавка1 стали с заданным содержанием кремния и минимальным углерода (практически содержание углерода получается около 0,05%), затем прокатка в горячем состоянии на так называемый «подкат» толщиной 2,5 мм и последующая холодная прокатка на толщину 0,5—0,35 мм.

Следует еще добавить, что удельные потери на перемагничивание тем меньше, чем тоньше лист, поэтому электротехническую сталь изготавливают только в виде тонких листов толщиной 0,35 и 0,50 мм.

Если в процессе изготовления деталей трансформатора сталь была подвергнута даже незначительной пластической деформации (например, рубке листов, загибу), то магнитные свойства ухудшаются.

Таблица 109 Электромагнитные свойства листовой электротехнической стали

Горячекатаная сталь (§ = 0,50 мм) Холоднокатаная малотекстцрованная сталь (5 = 0,50)

Э22 Э31 14800 14600 2,2 2,0 Холоднокатаная текстурованнаг сталь (Ь = 0,501 0,35)

НЕМАГНИТНЫЕ СТАЛИ

Вместо цветных металлов для этой цели применяют более дешевые немагнитные аустенитные стали.

XX) стали пригодны как немагнитные, если по прочностным свойствам они удовлетворяют поставленным требованиям.

Однако сталь ПЗ часто не проходит по прочностным и технологическим свойствам, а аустенитные нержавеющие стали слишком дороги в качестве материала для деталей большой массы (например, для немагнитных бандажных колец в турбогенераторах).

В этом случае применяют стали, легированные марганцем, хромом, алюминием при сравнительно повышенном содержании углерода (около 0,4%) и ограниченном содержании никеля.

Сталь должна обладать устойчивым аустенитом, т.

Раньше в качестве немагнитных применяли стали с высоким содержанием никеля (ЭИ269).

Это — сталь типа стали Гадфильда с присущей ей склонностью сильно упрочняться при деформировании и, следовательно, плохо подвергаться обработке давлением, резанием и т.

Присадка алюминия в марганцовистые аустенитные стали сильно уменьшает их склонность к упрочнению при деформации.

Такая особенность легирования марганцовистого аустенита алюминием использована в наиболее экономичной и достаточно технологичной немагнитной стали 45Г17ЮЗ.

Механические свойства этой стали в закаленном состоянии следующие: ов=70 кгс/ммг, 00,2=35 кгс/мм2, 5=35%, ае — = 10 кгс-м/см2.

Все перечисленные аустенитные стали не являются коррозионно устойчивыми; стойкость против коррозии у них выше, чем у обычной углеродистой стали.

При одновременном требовании немагнитное™ и высокой коррозионной устойчивости следует применять нержавеющие стали (тина Х18Н12) или цветные металлы (латуни).

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Поэтому электротехнические стали и сплавы рассматриваются в главе о магнитных сплавах.

Электротехнические стали и сплавы делят на проводниковые, у которых сопротивление прохождению электрического тока должно быть минимальным, и сплавы электросопротивления с повышенным электросопротивлением.

Простое нелегированное железо и углеродистая сталь

сохраняют устойчивость до более высоких температур (750°С), чем нержавеющие стали.

Высокой стойкостью в натрии обладают никель, хром, молибден, железо, цирконий; ограниченно устойчивы титан и нержавеющая сталь, а углеродистая сталь, алюминий, платина неустойчивы.

В наибольшей степени требованиям современной техники удовлетворяют аустенитная нержавеющая сталь и цирконий, обладающие оптимальным сочетанием требуемых свойств.

Благодаря более низкой температуре плавления алюминия по сравнению с железом технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали.

* Процессы термической обработки стали были рассмотрены на основе сплавов Fe — С.

Щелочноземельный легкий металл литий лишь недавно стали применять для легирования алюминиевых сплавов.

Основные виды термической обработки стали.

Несмотря на сравнительно невысокую прочность (o"u = 40-f-50 кгс/мм2), вязкость разрушения (Kic) алюминиевых сплавов значительно уступает стали (она равна 120—140 кгс/мм '*, тогда как у стали при тон же прочности A'ic«500 кгс/мм*'*, а #1с=150н-200 кгс/ммJ'* характерно для высокопрочной стали с о в > 250 кгс/мм2).

ки условия теплооотвода меняются (из-за теплового сопротивления, из-за повышения температуры стенки изложницы и других причин), градиент температур в прилегающем слое жидкого металла резко уменьшается и, следовательно, уменьшается степень переохлаждения стали.

Зародышами кристалла здесь являются обычно (различные мельчайшие включения, присутствующие в жидкой стали, или случайно в нее попавшие, или не растворившиеся в жидком металле (тугоплавкие составляющие).

Теория термической обработки стали.

Сплав АЛ12, наоборот, имеет высокие литейные и низкие механические свойства, однако по этим показателям он уступает нормальному силумину и его применение не оправдано (в серии алюминиевых литейных сплавов первым стали применять АЛ 12).

Эти факторы будут влиять на скорость теплоотвода и образование больших или меньших градиентов температур внутри объема кристаллизующейся стали и т.

В хорошо раскисленной так называемой спокойной стали, отлитой в изложницу с утепленной надставкой, усадочная раковина образуется в верхней части слитка, и в объеме всего слитка содержится малое количество газовых пузырей и раковин (рис.

Недостаточно раскисленная, так называемая кипящая сталь, содержит раковины и пузыри во всем объеме (рис.

проволока из при длине стали Н18К9МА разрушится под действием собственного веса 2,3 км, поэтому часто удельную дробность измеряют в км.

Сходство термической обработки алюминиевых бронз с термической обработкой стали дополняется тем, что при охлаждении с критической скоростью (З-фаза превращается-в игольчатую структуру.

При ударе бериллиевой бронзы о металл или камень не получаются искры, как у стали.

Чугунные вкладыши изготавливают из серого перлитного чугуна (марки АЧЦ-1 и АЧЦ-2); это самый дешевый материал для вкладышей; он может выдерживать значительные удельные давления, но из-за более высокого коэффициента трения (у пары сталь — чугун по сравнению с парой бронза — сталь или баббит — сталь) чугунные вкладыши не следует применять в быстроходных двигателях.

Баббиты, кроме того, имеют и минимальный коэффициент трения со сталью и хорошо удерживают смазку.

Так, например, чаще всего основой является углеродистая или низколегированная сталь, а плакирующим слоем — нержавеющая сталь (Х18Н10Т, Х17Н13М2Т, Х23Н28МЗДЗТ и т.

), никель, монель-металл (марки НМЖМд-28-2, 5-1,5)—это так называемый коррозионностойкий биметалл или твердая инструментальная сталь (Х6Ф1) это износостойкий биметалл.

Главное преимущество биметалла — это его меньшая стоимость по сравнению с таким же монометаллическим изделием, сделанным только из одного плакирующего слоя, поскольку плакирующий слои является обычно дорогой нержавеющей сталью или дорогим цветным металлом, а основа — дешевой простой сталью1.

Сталь (проволока) 1400 7,74 420 203 13 1280 1,83 129 245 27

Алюминий 8Ю2 0,47 20 91,0 37,5 0,47 500 30 12,4 А12О3 0,35 20 112,7 35,5 Сталь 0,25 20 121,1 30,2 Бор 0,12 20 36,5 13,4 Бор 0,53 20 79 29,2

Наибольшее внимание привлекают алюминиевые сплавы, армированные волокнами из бора, углерода, нержавеющей стали и бериллия; титановые сплавы, армированные волокнами молибдена и бериллия, и никелевые сплавы, армированные волокнами вольфрама, молибдена и их сплавов.

Практика термической обработки стали.

Вуда 627 подшипниковые 618 высокого электросопротивления 553 кислотостойкие 497 криогенные 499 металлические 97 прецизионные 536 •Сталинит 508 Сталь: аустенитная 343, 487 аустенито-мартенситная 487 быстрорежущая 362 высокопрочная 390

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

а) при медленном деформировании мелкозернистых материалов (сплавов) при высоких температурах (приблизительно 0,7—0,8 от абсолютной температуры плавления); б) при температурах вблизи (несколько ниже) температуры фазовых превращений, например в стали при 680—720°С (выше 720° в стали происходит превращение, см.

Конструкционные стали.

Цементуемые (низкоуглеродистые) стали.

Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали.

Высокопрочные стали.

Для стали и других конструкционных материалов испытание на растяжение является основным и оно применяется чаще, чем другие виды нагружения.

Строительная сталь.

Арматурная сталь.

Пружинная сталь.

Шарикоподшипниковая сталь.

Инструментальные стали.

Инструментальные стали пониженной прокаливаемости.

Инструментальные стали повышенной прокаливаемости (легированные инструментальные стали).

Быстрорежущие стали.

Штамповые стали.

Прочность в зависимости от плотности дислокаций (высокопрочная сталь)

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

Перлитные и мартенситные жаропрочные стали.

Аустенитные жаропрочные стали.

Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы.

Хромистые нержавеющие стали.

Хромоникелевые нержавеющие стали.

Кислотостойкие стали и сплавы.

Криогенные стали и сплавы.

Износостойкие стали и сплавы.

Графитизированная сталь.

Высокомарганцовистая сталь.

Магнитные стали и сплавы.

Стали и сплавы для постоянных магнитов (магнитнотвердые сплавы).

Немагнитные стали.

Электротехнические стали и сплавы.

III), «Легированные стали» (ч.

По объему производство чугуна и стали намного более чем в 10 раз превосходит производство всех других металлов, вместе взятых.

К- Чернова «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.

В этой работе Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

1 Обычно сталью, а тем более чугуном, называют, сплавы железа с углеродом (более 2% С —чугун,, менее 2% С —сталь).

Так как растворимость углерода в а-железе мала, то при нормальных температурах в большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита или другого карбида.

Укажем попутно на простое правило — умножение содержания углерода на 15 дает содержание цементита в стали и чугуне, % (по массе), а практически и % (по объему).

Количество феррита и перлита зависит от содержания угле-рода в стали.

Чем больше, углерода, тем больше в структуре стали перлита.

1 Измеряется площадь, занятая перлитом или ферритам (для ориентировочного определения содержания углерода доля площади, занятая ферритом или перлитом, может оцениваться визуально), и тогда содержание углерода в стали будет где % П — количество перлита в структуре, %.

Структура ззэвтектоидной стали.

Глава VII УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ

Основной продукцией черной металлургии является сталь, причем приблизительно 90% изготавливается углеродистой стали и 10% легированной1.

Таким образом основным металлическим материалом промышленности является углеродистая сталь.

Углеродистая сталь промышленного производства — сложный по химическому составу сплав.

) стали разных производств различаются главным образом по содержанию этих примесей.

Однако один элемент, а именно — углерод, вводится в простую углеродистую сталь специально.

Углерод сильно влияет на свойства стали даже при незначительном изменении его содержания.

1 О легированной стали см.

К стали, подвергаемой термической обработке, предъявляются некоторые повышенные требования (например, более узкие пределы по содержанию углерода и др.

Такая сталь называется сталью повышенного качества.

Углеродистые стали повышенного качества, высококачественные и инструментальные, подвергаемые термической обработке, будут рассмотрены совместно с легированными сталями в гл.

Сталь, содержащая 0,8% С, состоит из одного перлита; в стали, содержащей больше 0,8%С, кроме перлита, имеется вторичный цементит; если содержание углерода меньше 0,8%, то структура стали состоит из феррита и перлита (см.

Увеличение содержания углерода в стали приводит к повышению прочности и понижению пластичности (рис.

Если сталь применяют в виде отливок, то более грубая литая структура обладает худшими свойствами, чем это следует из рис.

1 В последнее время на металлургических, а также машиностроительных заводах и заводах стройконструкции нередко подвергают (для повышения прочности) термической обработке стали обычного качества.

В этом случае сталь надо селектировать, т.

Постоянными примесями сталей считают марганец, кремний, фосфор, серу, а также газы (водород, азот, кислород), в Т<У или ином количестве постоянно присутствующие в технических сортах стали.

При большем содержании их сталь следует отнести к сорту легированных, куда эти элементы введены специально (отсю да и название легированные стали млн специальные стали) рассмотрим влияние примесей отдельно.

Этот элемент вводят в любую сталь для раски* ления.

Марганец заметно влияет на свойства стали, повышая п{.

Но так как во всех сталях содержание марганца пр мерно одинаково, то его влияние на сталь разного состава ост.

Кремний раскисляет сталь по реакции:

Руды железа, а также топливо и флюсы содержат какое-то количество фосфора, которое в процессе производства чугуна остается в нем в той или иной степени и затем переходит в сталь.

При выплавке стали в основных мартеновских печах из металла удаляется большая часть фосфора.

Сталь, выплавлен

Наиболее высокое содержание серы в бессемеровской стали (до 0,06%).

В основном мартеновском процессе и при выплавке стали в основной электрической печи сера удаляется из стали.

Обычно содержание серы для высококачественной стали не должно превышать 0,02—0,03%.

Для стали обычного качества допускают более высокое содержание серы: 0,03—0,04%.

ной, как правило, по границам зерен, делает сталь хрупкой при 800°С и выше, т.

Вследствие красноломкости сталь с повышенным содержанием серы не поддается горячей обработке давлением.

С этой точки зрения сера является вредной примесью в стали.

Последнее связано с тем, что еще в процессе нагрева стали вокруг оторочек сернистого железа, начиная с температуры 988°С, происходит оплавление (т.

Введение марганца в сталь уменьшает вредное влияние серы, так как при введении его в жидкую сталь протекает реакция образования сульфида марганца: FeS + Mrf-> MnS + Fe.

Своеобразно влияние серы на вязкие свойства, поскольку сера присутствует в большинстве марок стали в виде сульфидов марганца (рис.

В общем случае серу все же следует считать вредной примесью в стали.

1 Благодаря этому обстоятельству, содержание серы в сталях подвергаемых обработкой резанием, не должно быть очень низким (для этой цели мало пригодны стали, обработанные синтетическими шлаками).

После выплавки сталь -100

СТАЛЬ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПРОИЗВОДСТВА.

ЧИСТАЯ СТАЛЬ

В металлургии применяют различные способы производства стали.

Как известно, сталь производят (выплавляют) в различных печах.

В соответствии с этим подразделяют сталь на бессемеровскую, мартеновскую, кислородно-конверторную и электросталь.

В бессемеровском конверторе жидкий чугун продувают воздухом, кислород воздуха соединяется с примесями в чугуне, в том числе с углеродом, п чугун превращается в сталь.

Хотя основную массу металла обычного качества изготавливают в мартеновских печах, все-таки, исходя из технико-экономических соображений, целесообразно большинство сталей производить конверторным способом и надо полагать, что он постепенно вытеснит мартеновский способ производства стали, что фактически и наблюдается, так как на строящихся металлур

Мартеновская сталь в большинстве случаев производится основным процессом и лишь для некоторых назначений, когда требуется большая чистота по неметаллическим включениям (оксидам) и меньшая насыщенность кислородом, изготавливается более дорогая кислая мартеновская сталь.

Будучи более дорогой, электросталь является и более качественной; поэтому этим способом изготавливают преимущественно легированные и высоколегированные стали, жаропрочные сплавы, инструментальные стали и т.

Так как практически полное отсутствие газов и связанное с этим улучшение свойств достигаются при плавке в электрических индукционных печах в вакууме, то стали и сплавы для наиболее ответственных назначений производятся этим способом.

Практически такие же результаты по содержанию газов и наличию неметаллических включений имеет сталь, выплавленная в обычных условиях, но затем (после заливки в ковш) помещенная в вакуум.

Этот способ (сталь, вакуумированная в ковше) дешевле, чем выплавка в вакууме.

В зависимости от способа раскисления сталь бывает спокойной (раскисленной марганцем, кремнием и алюминием) и кипящей (раскисленной только марганцем).

Следовательно, по химическому составу кипящая сталь отличается от спокойной: первая почти не содержит кремния (Si<0,05%), вторая содержит его нормальное количество (0,12—0,3%).

Так как кипящая сталь, как хуже раскисленная, содержит больше кислорода, то она уступает по качеству спокойной.

Промежуточное положение по качеству занимает так называемая полуспокойная сталь — раскисленная марганцем и алюминием, которую начинают применять вместо кипящей и вместо спокойной стали (табл.

Сталь Раскисленп;' годного.

В кипящей стали зональная ликвация больше, чем в спокойной.

Стали, кроме обычных примесей, могут содержать различные случайные.

Поэтому выплавленная скрап-процессом сталь обычно содержит в некотором количестве элементы, которыми обычно легируют сталь (хром, никель и др.

Например, руды Керченского месторождения содержат мышьяк, и выплавленная па этих рудах сталь будет содержать этот элемент до 0,1—0,15%.

Таким образом, сталь одной и той же марки может отличаться по примесям, учитываемых, а часто и не учитываемых ГОСТами и техническими условиями, а это может сильно повлиять на свойства.

Борьбу за чистую и, следовательно, надежную (вязкую) сталь пропо-дят с помощью разных способов выплавки и обработки жидкой стали, о чем говорилось выше, и, обобщая сказанное, можно прийти к таким выводам.

В будущем возможно изменение традиционной схемы металлургического производства стали: руда-*-чугун (из доменной печи)-»-сталь Сиз мартj.

ю прямого восстановления)-деталь (электропечь)-мшстая сталь (сталь, рафинированная путем вторичного переплана или вакуумировапная и ковше).

Удобно оценивать степень загрязнения стали п -.

Содержание примесей (типичное) в стали обычных способов производства, ат.

Таблица 18 Содержание примесей (типичное) в рафинированной стали, ат.

Выражение химического состава стали в ат.

Такая цифра показывает общую степень загрязненности стали, т.

Просуммировав таким образом содержание примесей видно, что самой «грязной» является бессемеровская сталь (~6000 ат.

ррт), значительно (в 3 раза) чище мартеновская и кислородно-конверторная сталь (~2000 ат.

Рафинирующие переплавы приводят к дальнейшему очищению стали (до ~1000 ат.

ppm), a если использовать при приготовлении стали высокочистую шихту, то общую чистоту можно довести примерно до ~500 ат.

4 УГЛЕРОДИСТАЯ СТАЛЬ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

Горячекатаная сталь, поступающая с металлургических заводов в виде проката (прутки разного сечения, балки, лист, трубы и т.

Сталь в соответствии с ГОСТом должна отвечать определенным требованиям.

Сталь обычного качества имеет свойства, гарантируемые ГОСТ 380—71* (мартеновский, конверторный и бессемеровский металл).

Если сталь используют для изделий, которые не подвергают горячей обработке (сварке, ковке и т.

), то структура и свойства, которые сталь получила по выходе из прокатного цеха металлургического завода, сохраняется и у потребителя.

В этом случае стали поставляют потребителю только по механическим свойствам.

Если сталь у потребителя будет подвергаться горячей обработке (ковке, штамповке и т.

В этом случае сталь поставляется потребителю только по химическому составу.

Если у потребителя сталь подвергается сварке, то в зоне теплового влияния сварного шва свойства металла изменяются и для потребителя важно знать химический состав стали, так как именно он будет определять свойства стали в этой зоне.

сталь обычного качества поставлялась по ГОСТ 380—60, а еще ранее — по ГОСТ 3857 и 380—41.

В соответствии со сказанным ГОСТ 380—71 предусматривает поставку стали трех групп: группа А — с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке); группа Б — с гарантируемым химическим составом (сталь подвергается горячей обработке); группа В — с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций).

Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 1, 2, 3 и т.

Если после марочного обозначения стоит «кп» — значит сталь кипящая; если стоит «пс» — сталь полуспокойная и если «сп», то сталь спокойная.

Сталь группы Б маркируется М, К, Б (что показывает способ производства — мартеновский, конверторный, бессемеровский).

Сталь группы В (изготовляется мартеновским или конверторным способом) маркируется буквой В и цифрой.

Сталь ВСт!

19), а химический состав, — как сталь МСт1кп (табл.

То же можно сказать и о стали ВСт2, ВСтЗ и т.

Содержание кремния в кипящей стали не более 0,07%, в полуспокойной 0,05—0,15%, в спокойной 0,12—0,30% (или 0,15—0,35%), условиями.

21 приведены данные о температурах перехода в хрупкое состояние наиболее распространенной стали марки СтЗ (из нее изготавливают строительные и мостовые фермы, экскаваторы, драги и многие другие сооружения, эксплуатируемые в северных условиях).

Сталь Температура перехода, °Г.

При температурах выше температуры начала перехода в хрупкое состояние сталь обладает высокой вязкостью и вполне надежна в любых условиях эксплуатации, при температурах ниже температуры конца перехода, т.

когда излом полностью хрупкий и применять сталь нельзя ни при каких условия::.

), показывают, что спокойная сталь значительно лучше, чем кипящая, а термическая обработка1 резко понижает порог хладноломкости.

Для ответственных назначений ввиду возможности снижения температуры ниже 0°С кипящую сталь применять не следует.

НАГАРТОВАННАЯ СТАЛЬ

Для отожженного состояния механические свойства определяются главным образом составом стали и в первую очередь содержанием углерода.

При максимальном наклепе (обжатие 96—97%) высокоуглеродистой стали (1,2%С) достигается прочность, превышающая 400 кгс/мм2.

Действительно, рекордные значения прочности сгв=480-=-500 кгс/мм2 получены были лишь на проволоке 0,1 мм из высокоуглеродистой стали после значительных обжатий (98%).

Обычно для этой цели применяют сталь с 0,6—0,8%С, которая после обжатия 80—90% получает прочность 180—300 кгс/мм2.

ЛИСТОВАЯ СТАЛЬ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ШТАМПОВКИ

Наряду с изделиями из прочных нагартованных сталей приходится изготавливать изделия из мягкой малоуглеродистой стали, например проволоку для обвязки, тонкий лист для глубокой штамповки или вытяжки.

Сталь для глубокой вытяжки должна отличаться большой пластичностью.

Поэтому для этих целей применяют сталь с минимальным содержанием углерода.

Для глубокой вытяжки применяют преимущественно низкоуглероднстую кипящую (низкокремнистую) сталь марки 08кп, содержащую" =5 008% С' 0,25—0,50% Mn; <0,03% Si; <0,03% S; <0,02,% Р.

Чтобы сталь хорошо штамповалась, она должна иметь не только определенный состав, но и соответствующую микроструктуру — мелкозернистый феррит с перлитом, располагающимся в стыках нескольких ферритных зерен.

АВТОМАТНЫЕ СТАЛИ

Естественно, что улучшение обрабатываемости стали — основного машиностроительного материала—имеет весьма большое практическое значение.

Вопрос о связи обрабатываемости со структурой и составом стали теоретически еще полностью не изучен.

Получить удовлетворительную корреляцию между механическими свойствами и обрабатываемостью не удалось, но приближенно можно считать, что повышение твердости или прочности снижает обрабатываемость (определяемую по скорости резания) и в первом приближении даже мало зависит от состава стали (рис.

Стали с аустенитной структурой обладают малой теплопроводностью.

Поэтому, несмотря на низкую твердость, аустенитные стали обрабатываются плохо.

Размер зерна в стали, не влияя заметно на твердость, существенно влияет на обрабатываемость.

Крупнозернистая сталь, обладая пониженной вязкостью (об этом см.

Доэвтектоидные стали обладают лучшей обрабатываемостью при структуре феррит+штастинчатый перлит.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали лучше обрабатываются, если их структура состоит из зернистого перлита.

Относительно влияния состава стали следует отметить, что увеличение содержания углерода в стали вследствие упрочнения приводит к снижению обрабатываемости.

Тем не менее очень низкоуглеродистые стали и техническое железо обрабатывается плохо, вследствие их большой вязкости и пластичности, кроме того, при их обработке получается длинная трудноудаляемая стружка.

Поэтому для изготовления малоответственных деталей применяют так называемые автоматные стали — низкоуглеродистые стали с повышенным содержанием серы и фосфора.

Было показано также, что обрабатываемость стали улучшается присадкой небольшого количества свинца (0,1—0,2%), не растворимого ни в жидкой, ни в твердой стали.

В твердой стали свинец, присутствуя в виде мелких обособленных включений, делает стружку '(более ломкой и оказывает смазывающее действие.

Механические характеристики от присадки свинца снижаются мало, но трудность введения свинца в сталь и особенно трудности, связанные с переплавкой свинцовистых сталей, ограничили их широкое применение.

Лучше всего обрабатывается серофосфористая сталь А12.

Другие стали, указанные в табл.

Чистая сталь.

Чугун дешевле стали.

Таким образом, чугун (кроме белого) отличается от стали наличием в структуре графитовых включений, а между собой чугуны различаются формой этих включений.

1860 1808 1839 1922 1802 1783 1925 1808 1950 1940 1910 1960 1900 1920 Fe 1900 Fe ветствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

Из рассмотрения структур указанных трех видо", чугуна можно заключить, что их металлическая основа похожа на структуру эвтектоидной стали, доэвтектоидной стали и желези.

Графит по сравнению со сталью обладает низкими механическими свойствами, и поэтому графитные включения можно считать в первом приближении просто пустотами, трещинами.

Отсюда следует, что чугун можно рассматривать как сталь, испещренную большим количеством пустот и трещин.

Если растягивающие напряжения имеют минимальные значения, как например при сжатии, свойства чугуна оказываются достаточно высокими и практически очень близкими к свойствам стали того же состава и структуры, что и металлическая основа чугуна.

Поэтому предел прочности при сжатии и твердость чугуна зависят главным образом от строения металлической основы и мало отличаются от этих свойств стали.

Такие же свойства чугуна, как сопротивление разрыву, а также изгибу, кручению, в основном обусловливаются количеством, формой и размерами графитных включений; в данном случае свойства чугуна сильно отличаются от свойств стали.

Для чугуна с шаровидным графитом принципиально возможны все виды термической обработки, применяемые для стали, и их начинают использовать для улучшения свойств этого чугуна.

В ряде случаев именно благодаря наличию графита чугун имеет преимущества перед сталью: во-первых, наличие графита облегчает обрабатываемость резанием, делает стружку ломкой, стружка ломается, когда резец дойдет до графитного включения; во-вторых, чугун обладает хорошими антифрикционными свойствами2 благодаря смазывающему действию графита; в-третьих, наличие графитных выделений быстро гасит вибрации и резонансные колебания; в-четвертых, чугун почти нечувствителен к дефектам поверхности, надрезам и т.

Действительно, поскольку в чугуне имеется огромное количество графитных включений, играющих роль надрезов и пустот, то совершенно очевидно, что дополнительные дефекты на поверхности уже не могут иметь влияния, хотя бы в незначительной степени напоминающего то большое воздействие, которое оказывают эти дефекты поверхности на свойства чистой от неметаллических включений высокопрочной стали.

Следует также указать лучшие литейные свойства по сравнению со сталью.

Обычный промышленный чугун -— не двойной железоуглеродистый сплав — он содержит те примеси, что и углеродистая сталь, т.

марганец, кремний, серу и фосфор, но в большем количестве, чем сталь.

Хотя этот чугун по механическим свойствам и уступает стали.

Из чугуна, обладающего лучшими, чем у стали, литейными свойствами, можно литьем (дешевым способом) изготавливать изделия сложной конфигурации (с внутренними полостями и т.

Другими словами, в ряде случаев деталь сложной конфигурации из менее прочного материала (чугуна) конструктивно оказывается более прочной, простой по конфигурации детали из более прочного материала (стали).

Действительно, основную долю по изготовлению и применению имеет железо (в виде его сплава с углеродом— сталь), что связано с рядом

Стали производят больше, чем всех остальных металлов вместе взятых.

металла (во всем мире), то на долю стали приходится свыше 550 млн.

Объем производства стали — важный показатель технической и экономической мощи страны.

Без обеспечения в необходимом количестве сталью не может развиваться ни одна отрасль промышленности.

1 Укажем, что цементация (насыщение стали углеродом) в середине прошлого века и ранее была типичным металлургическим процессом, так как только таким способом изготавливали высокоуглеродистые стали.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

«Стальной» участок диаграммы Fe— С стали является диаграмма железо—углерод.

Поскольку мы рассматриваем термическую обработку стали, то нам интересны только сплавы с концентрацией до 2%С и соответственно область на диаграмме железо—углерод с концентрацией углерода до 2%, (точнее до 2,14%С).

Неполная закалка — термическая операция, при которой нагрев проводят до температуры, лежащей выше Ас\, но ниже Лс3 и в структуре стали сохраняется доэвтектоидный феррит (заэвтек-тоидный цементит).

Отпуск — нагрев закаленной стали ниже Ас\.

Для стали возможны различные виды химико-термической обработки в зависимости от элемента, диффундирующего в сталь.

Фазовые превращения, которые совершаются в стали, также вызваны тем, что вследствие изменившихся условий, например температуры, одно состояние оказывается менее устойчивым, чем другое.

Этим и вызываются превращения, протекающие в стали.

При термической обработке стали наблюдаются четыре основных превращения.

Как было отмечено, всестороннее давление пока еще не используется для целей структурообразования в стали из-за технологических сложностей; недостаточно ясно также, насколько это эффективно в отношении получения особых свойств.

Физические основы термической обработки стали.

Глава X ТЕОРИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Изучение процессов термической обработки стали началось с открытия Д.

В результате систематических опытов, направленных к одной цели — исследовать кинетику превращений н стали, С.

) и его ученикам и последователям удалось накопить обширный экспериментальный материал, который после обобщений составил основу современных представлений о превращении в стали и современной теории термической обработки стали.

Выяснить природу закаленной стали можно лишь, применяя рентгеновские лучи и другие методы физического анализа металлов (электронный микроскоп, внутреннее трение и др.

В данной главе рассмотрена теория термической обработки стали на основе общей теории фазовых превращений переохлажденных систем, кратко описанных в гл.

Сталь с 0,86% С (И.

Луч соответствует нагреву стали с какой-то определенной скоростью v2.

Реальные превращения, в отличие от равновесных, протекают при температуре выше А\ и не при одной температуре, a IB интервале температур, лежащем тем выше, чем быстрее мы нагреваем сталь.

Для получения однородного по составу (гомогенного) аусте-нита при нагреве требуется не только перейти через точку окончания перлито-аустенитного превращения, но и перегреть сталь выше этой точки, или дать выдержку для завершения диффузионных процессов внутри аустенитного зерна.

Скорость гомогенизации аустенита в значительной степени определяется исходной структурой стали — от степени дисперсности цементита и его формой.

При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет до 950—1000°С, после чего

У крупнозернистой стали ничто не препятствует росту зерна, который и начинается вскоре после перехода через критическую точку.

178 видно, что при температурах немного более высоких, чем критическая точка (Ас\), зерна аустенита у наследственно крупнозернистой стали больше, чем у наследственно мелкозернистой, а при температурах значительно более высоких у наследственно мелкозернистой стали зерно может оказаться крупнее.

Размер зерна, полученный в стали в результате той или иной термической обработки,— это так называемое действительное зерно.

Аустенитные зерна растут только при нагреве (при последующем охлаждении они не измельчаются), поэтому максимальная температура нагрева стали в аустенитном состоянии и ее наследственная зернистость определяют окончательный размер зерна.

Сохранение наследственной зернистости в закаленной стали.

существовавшего при высокой температуре) аустенитного зерна при фактически другой структуре стали, так как этот размер определяет многие свойства стали, особенно в закаленном состоянии.

182,а, • причем предварительно сталь должна быть нагрета до таких температур, при которых у наследственно мелкозернистой стали зерно еще не начнет расти (см.

178), а у наследственно крупнозернистой стали уже вырастает.

Для обычных сортов конструкционной стали — эта температура 930°С.

Стали, у которых при этой температуре номер зерна 1—4, принято считать наследственно крупнозернистыми, а стали с номером зерна 5—8 — наследственно мелкозернистыми.

Зависит ли склонность к росту зерна (наследственная зернистость) от состава стали?

Заэвтектоидная сталь, как правило, менее чувствительна к росту зерна при повышении температуры, чем эвтск-тоидная.

Многие легирующие элементы, вводимые в сталь (ванадий, титан, вольфрам, молибден и др.

Здесь имеет значение способ производства стали — метод ее раскисления.

Сталь, раскисленная только ферромарганцем (кипящая сталь) пли ферромарганцем и ферросилицием, — наследственно крупнозернистая сталь, а сталь, дополнительно раскисленная алюминием, — мелкозернистая.

Алюминии, введенный в жидкую сталь незадолго до ее разливки по изложницам, образует с растворенным в жидкой стали азотом и кислородом частицы нитридов и оксидов (A1N, А120з).

Эти соединения растворяются в жидкой стали, а после ее кристаллизация и последующего охлаждения выделяются в виде мельчайших субмикроскопических частиц («неметаллическая пыль»).

Па свойства стали влияет только действительный размер зерна, наследственный размер зерна влияния не оказывает.

Укрупнение зерна аустенита в стали почти не отражается на статистических характеристиках механических свойств (твердость, сопротивление разрыву, предел текучести, относительное удлинение), но сильно снижает ударную вязкость, особенно при высокой твердости (отпуск при низкой температуре).

Наследственно мелкозернистая сталь не склонна к перегреву, т.

Наследственно мелкозернистую сталь можно прокатывать (ковать) при более высоких температурах и заканчивать прокатку (ковку) при более высокой температуре, не опасаясь получения при этом крупнозернистой структуры.

Как правило, все спокойные марки стали изготавливают наследственно мелкозернистыми, а кипящие стали — наследственно крупнозернистыми.

В первом случае (для углеродистой стали) превращение заканчивается через несколько десятков минут (тысячи секунд), а во втором случае оно происходит за одну — две секунды.

Структура эвтектоидной стали в зависимости от температуры распада аустенита: а — перлит, распад при 700°С; б — сорбит, распад при 650°С.

Неоднородный аустенит при всех степенях переохлаждения дает зернистый перлит, следовательно, нагрев до невысокой температуры (для заэвтектоидной стали ниже Лез) приводит при охлаждении к образованию зернистого перлита.

В той же стали при тех же температурах превращения, но после невысокого нагрева (780°С), получился зернистый перлит (рис.

Пластинчатый перлит в стали с 1% С, полученный в результате нагрева на 900°С (т.

Зернистый перлит в стали с 1,2% С, полученный в рез^ьтате^ нагрева на 780°С (т.

Зародыши возникают преимущественно по границам зерна, поэтому у более крупнозернистой стали общая протяженность границ зерна меньше, чем у мелкозернистой, и, следовательно, условия для зарождения центров хуже.

зависит только от состава стали и для данного химического состава является природной характеристикой стали, зависящей только от степени переохлаждения.

Если содержание углерода в стали отлично от эвтектоидного, то, как следует из диаграммы железо — углерод, превращению аустенита в перлит предшествует выделение феррита или цементита.

Диаграмма изотермического распада аустенита для доэвтектоидной стали (0,4% С) для доэвтектоидной стали в полном виде.

По этой диаграмме основные сведения об изотермическом превращении можно получить для данной стали при любой степени переохлаждения.

Если взять не доэв-тектоидную, а заэв-тектоидную сталь, то при малых переохлаждениях распаду аустенита будет предшествовать предварительное выделение цементита.

Обобщенная диаграмма превращения переохлажденного аустепита в углеродистой стали исходит при диффузии углерода, но без перемещения металлических атомов.

После рассмотрения процесса превращения аустенита при постоянной температуре и разных степенях переохлаждения можно перейти к рассмотрению процесса распада аустенита при непрерывном охлаждении, когда сталь, нагретая до аусте-нитного состояния, охлаждается с разной скоростью.

Следовательно, чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать с такой скоростью, чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур.

т стали (рис.

Чтобы закалить сталь, ее следует охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая.

т стали.

т стали.

Кроме того, кристалл мартенсита в стали, независимо от температуры, образуется за чрезвычайно ко

стали, к 1948 г.

Структура мартенсита (а) и микрорельеф на поверхности полированного шлифа и той же стали (б), возникающий в результате образования мартенсита.

т стали.

Из этого следует, что температура образования мартенсита зависит в основном от состава стали (состава аустенита).

Теперь в СССР практически изготовляется столько же стали, сколько в самой промыш-ленно развитой капиталистической стране (США).

Опытами было показано, что при непрерывном охлаждении аустенита при скорости от УК (для углеродистой стали она примерно составляет 150 град/с) до сверхвысоких скоростей охлаждения (~ 10000 град/с) не удалось снизить температуры начала мартенситного превращения.

5 показана относительная стоимость разных металлов (за единицу принята стоимость железа, точнее простой углеродистой стали, которая равна приблизительно 10 коп/кг).

Типичная структура мартенсита закаленной стали имеет характерный игольчатый вид (рис.

Так как в стали, структура которой показана на рис.

Количество остаточного аустенита в стали, фиксируемое закалкой, зависит от положения мартенситной точки.

Х500: а — сталь с 0,8% С; б — сталь с 1,4% С

В закаленных малоуглеродистых сталях почти нет остаточного аустенита (в сталях с С<0,6% содержание остаточного аустенита равно 2—3%), но высокоуглеродистые стали содержат его в большом количестве, зависящем от режима закалки, скорости охлаждения в мартенситном интервале.

Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали

Сталь содержит 23% N1, 3,64) Мп.

Выделение карбидов, которые наблюдаются в структуре стали, претерпевшей бейнитное превращение, происходит уже после 7-^а-превращения, а это показывает, что расслоение по углероду не приводит к полному обеднению отдельных участков аустенита.

Изучение микроструктуры, атомно-кристаллической структуры, физических и механических свойств в отпущенном состоянии и изменение этих свойств в процессе отпуска позволили с необходимой достоверностью установить 'Последовательность превращения при нагреве закаленной стали.

Исходной является структура закаленной стали, состоящая из тетрагонального мартенсита и аустенита.

Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали (1,2% С): / — закаленная сталь; 2 — отожженная сталь

Отклонение кривой 1 у закаленной стали от горизонтальной линии 2 свидетельствует о наличии каких-то превращений.

Так, в мартенсите закаленной стали с 1,35% С за 40 мес.

При 400°С третье превращение заканчивается, и сталь состоит из феррита и цементита.

Схема, иллюстрирующая процессы, совершающиеся при отпуске стали; III — снятие внутренних напряжений, наиболее интенсивно развивается в районе 300—400°С; процесс коагуляции карбидных частиц начинается при низких температурах отпуска (150°С), но с наибольшей интенсивностью протекает выше 400°С.

Указанные температурные интервалы относятся к отпуску углеродистой стали при медленном нагреве.

Сталь, отпущенная при 350—500°С, имеет структуру тро-стита (рис.

Микроструктура отпущенной стали (0,45% С).

В отожженном, нормализованном или отпущенном состояниях (4тп>400°С) сталь состоит из пластичного феррита и включений карбидов (цементита).

221, б), то вокруг этих частиц возникает искажение кристаллической решетки, что препятствует движению дислокаций, и сталь упрочняется.

Если твердость выражать в единицах Бринелля, а поверхность раздела фаз в мм2/мм3 (подсчитывается, исходя из среднего размера частиц и их количества в 1 мм3), то для стали с зернистыми включениями цементита о =0,004, а для стали с пластинчатыми включениями (пластинчатый перлит) а=0,002.

Количество карбидных частиц постоянного размера зависит от содержания углерода в стали (для углеродистой стали прямо пропорционально).

В углеродистой стали с 0,35%!

С цементит составляет приблизительно 5% (по массе или по объему); в стали с 0,7%jC содержится 10% цементита и т.

221,6 или 221,б; измельчение карбидной составляющей, происходящее при этом, и объясняет более высокую прочность закаленной и отпущенной стали по сравнению с нормализованной.

Таким образом, объясняется изменение твердости в отожженной (нормализованной) или отпущенной стали, имеющей структуру феррито-цементитной смеси разной дисперсности.

Чем больше углерода в стали, тем больше искаженность тетрагональной решетки мартенсита и больше его твердость.

Твердость мартенсита зависит в первую очередь от содержания в мартенсите (в стали) углерода.

Впрочем, эта кривая не характеризует твердость закаленной стали, так как сталь, кроме мартенсита, содержит то или иное количество остаточного аустенита.

Если нагрев под закалку был произведен выше точки Ас3 и весь углерод был переведен в твердый раствор, то твердость закаленной стали при увеличении содержания углерода свыше 0,8% снижается из-за резкого возрастания количества остаточного аустенита (рис.

Tp,e:u>e:j стали в зависимости от содержания углерода и температ\ры закалки/ — нагрев выше Ас,; 2 — на-рев только выше Ас, (770°С); 3 — микротвердость мпртен

Х500 чески не зависит от размера игл мартенсита), описанная зависимость свойств термически обработанной стали от размера пластин мартенсита имеет большое значение.

Углеродистые стали с различным содержанием углерода ная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства, поэтому свойства отпущенных сталей рассмотрим подробнее.

Наибольшая шластичность (i|>) соответствует отпуску при 600—650°С, когда весь комплекс механических свойств выше, чем у отожженной стали.

Более высокие механические свойства закаленной и высокоотпущенной стали по сравнению с отожженной или нормализованной (при равной прочности у закаленной и высокоотпущенной cr0,2, t|), #н выше) объясняются различным строением сорбита (перлита) отпуска и сорбита закалки, имеющих, как указывалось выше, в первом случае зернистое, а во втором — пластинчатое строение.

У закаленной углеродистой стали при обычном испытании на ударный изгиб вязкость сохраняется низкой вплоть до температуры отпуска 400°С, после чего начинается интенсивное повышение ударной вязкости; максимум ее достигается при 600°С.

Мы уже рассматривали изменения свойств стали в зависимости от температуры отпуска.

Температура отпуска — наиболее существенный фактор, влияющий на свойства отпущенной стали.

Применительно к стали термомеханическая обработка (ТМО) заключается в наклепе аустенита с последующим его превращением.

состоит в наклепе стали до термической обработки, но в результате быстрого нагрева, до аустенитного состояния и охлаждения, наклепанное состояние в той или иной мере сохраняется.

В результате сталь упрочняется, как за счет мартенситной реакции1, но и дополнительное упрочнение вносят дефекты строения, унаследованные мартенситом от деформированного аустенита.

Так как температура деформации сравнительно низкая (значительно ниже обычных температур горячей деформации), то пластичность (точнее сопротивление деформации) у стали высокая, а необходимость сильно деформировать сталь создает определенные технологические трудности.

Как явствует из определения ВТМО, последнее осуществляется выше температуры рекристаллизации и если немедленно после деформации не охладить сталь ниже tf, что практически трудно осуществить, то будут происходить рекристаллизационные процессы.

Очевидно, продолжительность паузы зависит от состава стали, температуры, степени деформации и других факторов.

В отдельных случаях после деформации сталь подвергают изотермическому бейнитному распаду (ВТМИзО)* и даже перлитному превращению.

Фазовые превращения при термической обработке стали.

Превращения при отпуске стали.

Физические основы термической обработки стали, Киев, «Техника», 1975.

Глава XI ПРАКТИКА ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30—50°С выше Асз, а для заэвтектоидной стали — на 30—50°С выше Ас\.

Оптимальный ннтервал закалочных температур углеродистой стали

Микроструктура закаленной стали: а — ди;Птектоидпан сталь, неполная закалка (нагрев выше Ас\, но ниже АСз).

Мартенснт+феррит; б — заэвтектоидная сталь, правильная закалка (нагрев выше Act, ниже

Сталь 40, Х500

Наличие в структуре закаленной стали избыточного цементита полезно во многих отношениях.

222, кривая )); при таком нагреве растет зерно аустенита, увеличивается возможность возникновения больших закалочных напряжений, интенсивнее обезуглероживается сталь с поверхности и т.

Таким образом, оптимальной является закалка доэвтекто-идной стали от температуры на 30 — 50°С выше Дс3, а для заэвтектоидной стали на 30 — 50° выше Лсь

Нагрев всесторонний, осуществляется в печи, сталь легированная.

Интенсивность окисления и обезуглероживания стали зависит от температуры, состава стали и состава окружающей газовой среды.

Эти газовые среды различно влияют на сталь.

взаимодействия газов между собой и газов со сталью, можно создать при заданных температурах термической обработки такие условия, при которых реакции окисление^восста-новление и обезуглероживаниез^науглероживаиие протекают с одинаковой скоростью в обе стороны, т.

Выше 650°С скорость превращения аустенита мала, -А, и поэтому сталь при закалке можно охлаждать в этом интервале температур медленно, но, конечно, не настолько, чтобы началось выпадение феррита или превращение аустенита в перлит.

В углеродистой стали ниже 400°С вновь начинается зона относительной устойчивости аустенита, охлаждение снова может быть медленным1.

1 Не следует путать с закаливаемостью, которая характеризуется максимальным значением твердости, приобретенной сталью в результате закалки.

Если же сечение велико и скорость охлаждения на поверхности меньше, то при данном способе закалки сталь не закалится даже на поверхности.

Для данной стали при данных условиях охлаждения на поверхности получится мартенситная структура, в центре — перлитная, на расстоянии половины радиуса получится мартенсит+тростит.

Следовательно, для данной стали каждой (Закалочной среде соответствует свой критический диаметр.

236 показана глубина закалки (незаштрихованная часть сечения) закаленных в воде и масле образцов различного диаметра одной и той же стали.

Если нужно, чтобы изделие при термической обработке прокаливалось насквозь, следует выбрать такую сталь, чтобы

Сталь обычно характеризуется критическим диаметром D» или DK или DK •

Измерив после закалки твердость на поверхности по длине образца и представив полученные результаты графически, у глубоко прокаливающейся стали получим плавное снижение твердости (кривая 2 на рис.

239), а у неглубоко прокаливающейся стали (кривая / на рис.

Твердость по длине образца после торцовой закалки: / — образец из неглубоко прокаливающейся стали; 2 — из гл>боко прокаливающейся стали структуры к структуре мартенсит+неболыиое количество тростита.

239, относятся к стали с 0,7% С (полумартенситная твердость равна HRC 50).

Следовательно, полумартен-ситный слой находится для стали 1 на расстоянии 3 мм, а для стали 2 — на расстоянии 18 мм, или твердость HRC 50 получается у стали / при охлаждении 105 град/с, а у стали 2— 10 град/с.

В данном случае D^ для стали / равен 25 мм и для стали 2— 75 мм.

Для стали 1 критические диаметры равны: при охлаждении в воде 16 мм, в масле 8,5 мм.

Наличие 50% тростита снижает свойства закаленной стали, поэтому значение критического диаметра, определенного по полумартенситной твердости, следует рассматривать как переходную ступень для определения критического диаметра, при котором в центре бруска получается полная закалка (95% мартенсита).

Стали одной марки нельзя характеризовать одной линией, как это показано на рис.

Чтобы характеризовать прокаливаемость стали данной марки, строят так называемые полосы прокаливаемости, полученные на основании опытов над большим числом плавок стали данной марки.

Имея заранее построенную полосу прокаливаемости, мы, применяя сталь данной марки, можем ожидать, что lit.

Соответственно марку стали харатеризуют минимальный и максимальный критический диаметры, что зависит от колебаний состава.

242 приведены полосы прокаливаемости для стали некоторых марок.

При сквозной закалке свойства по сечению закаленной стали однородны.

При несквозной закалке свойства закаленной стали изменяются от поверхности к центру так же, как изменялись бы свойства у серии тонких образцов, которые получили бы при закалке разную скорость охлаждения.

Представляет особый интерес, чем будут отличаться по свойствам стали с различной прокаливаемостью, если последующим отпуском выравнить твердость по сечению.

Схема, показывающая влияние глубины закалки на механические свойства закаленной и отпущенной стали (заштрихована прокаленная зона): а—в — стали различной прокаливаемости

Теперь по внутренним напряжениям в стали и дру гих металлах имеются многочисленные исследования и обширная литература.

Закаленная сталь всегда находится в структурно напряженном состоянии.

В зависимости от состава стали, формы и размеров детали и требуемых в термически обработанной детали свойств выбирать оптимальный способ закалки, наиболее просто осуществимый и одновременно обеспечивающий нужные свойства.

Чем больше углерода содержит сталь, тем больше объемные изменения при превращении, тем при более низкой температуре происходит превращение аустенита в мартенсит, тем больше опасность возникновения деформаций, трещин, напряжений и других закалочных пороков, тем тщательнее следует выбирать условия закалочного охлаждения для такой стали.

В мартенситном интервале сталь охлаждается медленно, что способствует уменьшению внутренних напряжений.

Цвет слоя окисла зависит от его толщины; уже за короткое время пребывания стали при 220°С она покрывается слоем толщиной 0,04 мкм.

Этот слой придает поверхности стали светло-желтый цвет.

Твердость рабочей части определится при данном содержании углерода в стали цветом отпуска.

Деталь охлаждается в закалочной среде, имеющей температуру выше мартеиситной точки для данной стали.

тогда, когда сталь проходит интервал мартенситного превращения.

Поэтому ступенчатая закалка для углеродистой стали применима лишь для деталей диаметром не более 10— 12 мм, а для легированных сталей до 20—30 мм.

В отличие от ступенчатой при изотермической закалке необходимо выдерживать сталь в закалочной среде столько времени, чтобы успело закончиться изотермическое превращение аустенита.

В результате изотермической закалки с распадом аустенита в этом районе температур сталь обладает меньшей твердостью, чем при любых способах закалки, но обычно повышенной вязкостью.

Продолжительность выдержки в закалочной среде определяется временем превращения аустенита при данной температуре (ее находят по диаграмме изотермического распада аустенита для данной стали).

) новый метод термической обработки стали, заключающийся в охлаждении закаленной стали, в структуре которой имеется остаточный аустенит, до температур ниже 0°С.

Во многих сортах стали в закаленном состоянии содержится повышенное количество остаточного аустенита.

Если точка конца мартенситного превращения лежит ниже 0°С (например, в углеродистой стали при содержании углерода более 0,5%, см.

Специфическими при обработке стали холодом являются два следующих момента.

Поскольку превращение происходит только при охлаждении в области мартенситиого интервала, то и охлаждение следует вести до точки Мк для данной стали.

Положение Мк зависит от состава стали.

Дело в том, что во многих промышленных сортах стали, в структуре которых после закалки имеется остаточный аустенит, выдержка при комнатной температуре уменьшает количество остаточного аустенита, превращающегося при обработке холодом.

Обработку холодом применяют для многих деталей, изготовленных из стали с высоким содержанием углерода, для получения максимальной твердости (инструменты, цементированные детали, шарикоподшипники и т.

Устраняют дефект повторной закалкой от нормальных температур для данной стали.

Отжиг — термическая обработка, при которой сталь нагревается выше Acz (или только выше Ас\ — неполный отжиг) с последующим медленным охлаждением.

Нагрев выше Лс3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали.

И в случае нормализации превращение должно произойти в верхнем районе температур с образованием перлита, но при несколько большем переохлаждении, что определяет некоторое различие свойств отожженной и нормализованной стали.

248), заключающимся в нагреве стали выше верхней критической точки с последующим медленным охлаждением.

Литая сталь О'бычно характеризуется неоднородностью состава, дендритной и зональной ликвацией.

Структурой зернистого перлита должны обладать инструментальные стали, так как это обеспечивает хорошую обрабатываемость режущим инструментом и малую склонность к перегреву при закалке.

Для этого сталь, нагретая выше верхней (или только нижней) критической точки, охлаждается быстро (точнее, с любой скоростью) до температуры, лежащей на 50—100°С ниже равновесной точки А!

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует и рекомендуется эти стали подвергать не отжигу а нормализации.

Для среднеуглеродистых сталей (0,3—0,5% С) различие в свойствах нормализованной и отожженной стали более значительно; в этом случае нормализация не может заменить отжига.

Нормализация в этом случае придает стали по сравнению с отожженным состоянием более высокую прочность, но по сравнению с улучшенным состоянием нормализованная сталь имеет несколько меньшую пластичность и вязкость.

Курс термической обработки стали и чугуна.

Технология термической обработки стали.

Сталь У10 (автор): / — скоростной электронагрев; // — медленный печной нагрев из этой диаграммы, чем больше скорость нагрева, тем выше температура нагрева для закалки.

Как отмечалось, температура закалки стали назначается в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.

когда сталь магнитна, нагрев происходит быстро, а выше точки Л2 магнитная проницаемость ((д,) уменьшилась в тысячи раз, и поэтому глубина б резко возросла, удельная мощность (на 1 см3 нагреваемого слоя) уменьшилась, и скорость нагрева поэтому тоже резко замедлилась (рис.

Для поверхностной закалки применяют обычные углеродистые стали с содержанием углерода 0,4 °0 и выше1.

Легированные стали применять, как правило, не следует, так как глубокая прокаливаемость, которая достигается легированием, здесь совершенно не нужна.

Предложен2 способ глубокого индукционного нагрева стали пониженной прокаливаемое™.

Выше критической точки был нагрет весь зуб и часть основания, но так как сталь была пониженной прокаливаемое™, то

Сталями пониженной прокаливаемости являются углеродистые стали с

) примесей (стали марок 55ПП, 60ПП и т.

Вологди-ным; металловедческие проблемы, связанные с быстрым нагревом стали, изучены Н.

Технология термической обработки стали при индукционном нагреве.

Так, для стали с 0,2% С при 1100°С коэффициент D = 6-10~7 для диффузии углерода и b = 6-10-J1 для диффузии молибдена.

До середины прошлого века сталь умели получать только методом сквозной цементации железа; в последнее время этот старый процесс, широко применяющийся и в настоящее время, подвергся научной разработке.

Так как для цементации берут низкоуглеродистую сталь, то сердцевина остается мягкой и вязкой, несмотря на то что после цементации сталь подвергается закалке.

325, падает с удалением от поверхности в глубину изделия, доходя до исходного содержания углерода в цементуемой стали.

Поэтому при газовой цементации строго следят за составом цементующей атмосферы не только чтобы не было образования сажи, но и чтобы избежать пересыщения цементуемой стали углеродом.

Недостатки эти в значительной степени устраняются, если использовать: а) наследственно мелкозернистую сталь (следует организовать на машиностроительном заводе систематический контроль сталей на зерно); б) газовую цементацию; благодаря меньшей чем при твердой цементации, продолжительности процесса, получается меньший рост зерна.

После этой обработки, измельчающей зерно в сердцевине, следует вторая закалка от более низких температур, обычно применяемых для высокоуглеродистой стали (760—800°С).

1 Для высокоуглеродистой стали, как мы знаем, нормальный закалочный: нагрев — это нагрев выше Ас\, но ниже Асз.

Если цементировали слабо прокаливающуюся углеродистую сталь, то яри нагреве как выше Ас3.

так и ниже Ас3 последующее охлаждение не может быть настолько резким, чтобы предотвратить в такой малоуглеродистой стали перлитное превращение.

Структура сердцевины цементируемой углеродистой стали независимо от режима обработки состоит из перлита и феррита, отличающихся разным размером зерна (мелкозернистая в случае двойной обработки, более крупнозернистая — при одинарной, рис.

Микроструктура сердцевины цементированной углеродной стали

Рис 260 Микроструктура сердцевины цементированной легированной (хромоникелевой) стали.

В сердцевине цементованной детали из легированной стали структура будет иной.

Если (для сердцевины) закалка была с нагревом стали выше Ас3, то структура будет мартенситной (рис.

Если твердость в сердцевине цементованной углеродистой стали не изменяется при термической обработке и имеет всегда низкое значение (порядка НВ 150), то в легированных сталях структура сердцевины, как мы видели, изменяется существенно.

Сейчас наблюдается тенденция применять для цементации стали с более высоким содержанием углерода (0,25—0,35% вместо 0,10—0,20%).

Азотированием называют процесс насыщения стали азотом.

Возможно, что присутствие алюминия в стали, кроме нитридов перечисленных элементов, вызывает образование нитрида A1N, ковалентные связи в котором обусловливают очень высокую его термическую устойчивость.

На практике азотированию подвергают легированные стали.

Твердость азотированного слоя (поверхностная) в зависимости от температуры азотирования: / — нитраллой; 2 — конструкционные легированные стали; 3 — углеродистые стали туры азотирования до комнатной вследствие уменьшения растворимости их в основных азотистых фазах.

Глубина и поверхностная твердость азотированного слоя зависят от ряда факторов, из которых основные: температура азотирования, продолжительность азотирования и состав азотируемой стали.

Стали, содержащие элементы, образующие термически стойкие, т.

Обычные конструкционные стали после азотирования имеют меньшую твердость, а твердость азотированных углеродистых сталей совсем невысока, так как в них специальные нитриды не образуются, а нитриды железа при 500°С и выше оказываются скоагулированными.

269 представлена зависимость глубины слоя от температуры и продолжительности азотирования стали 38ХМЮА (сталь содержит хром, молибден и алюминий).

Менее легированные стали азотируются легче, т.

Для этой цели азотированию подвергают специальные стали (нитраллои), содержащие элементы, дающие нитриды высокой термическо!

Наиболее распространенной в СССР маркой стали, предназначенной для азотирования, является сталь 35ХМЮА (0,50—0,38% С; 1,35—1,65% Сг; 0,4—0,6% Мо и 0,75— 1,1% А1).

Сравнение двух ос ювных методов, химико-термической обработки стали—цементации и азотирования, — применяемых для повышения поверхностной твердости и износо остойчивости, позволяет сделать ряд существенных выводов о целесообразн зсти применения каждого из них на практике.

ные детали значительно дороже, так как этот процесс более длительный, и для азотирования применяют дорогие легированные стали.

Для повышения усталостной прочности азотируют не специальные предназначенные для этогс стали (например, сталь 35ХМТОА), а обычные легированные, содержащие нитридообразующие элементы (такими сталями являются обычно хромониьелевые конструкционные, см.

Кроме высокой коррозионной устойчивости, других требований к слою обычно не предъявляют, и поэтому азотированию для повышения коррозионной устойчивости подвергают любые стали, в том числе и простые углеродистые, за сравнительно короткое время (0,5—1 ч) при 600—700°С.

Жидкое цианирование — наиболее распространенный вид цианирования стали — проводят в расплавленных цианистых солях.

Последнее получило название тенифер — процесс и состоит в насыщении стали азотом (и в значительно меньшей степени углеродом) в цианистых солях (40% KCN + 60% NaCN), через которую пропускают сухой воздух.

Теоретические основы химико-термической обработки стали Свердловск, Металлургиздат, 1962.

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ1

Прежде всего необходимо определить, что называется леги-•ванной сталью и легирующим элементом.

К этой группе относятся марганец и кремний, а также и алюминий, который как кремний и марганец, применяется в качегве раскислителя, эти элементы присутствуют в любой хорошо раскисленной стали (в кипящей стали содержание кремния и члюминия очень невелико), потому что введение их в металл необходимо при производстве стали; к постоянным (обыкновенным) примесям следует отнести серу и фосфор, потому что полностью освободиться от них при массовом производстве стали невозможно.

Это кислород, водород и азот, фисутствующие в любой стали в очень малых количествах.

К этой группе относятся примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов или случайно.

Так, уральские руды содержат небольшое количество меди, и она попадает в сталь, выплавленную из этих руд.

Сталь, выплавленная из керченских руд, имеет мышьяк, так как эти руды содержат мышьяк.

-вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью менения ее строения и свойств, называются легирующими э.

В связи с этим стали, в которые для получения требуемых свойств специально вводят легирующие элементы, называют легированными сталями (легированные стали иногда называют специальными).

Например сталь, 'Содержащая всего 0,06—0,1% ванадия (V) или 0,1 •)( титана (Ti), считается легированной ванадиевой или титановой сталью, поскольку эти элементы специально вводили в сталь для получения требуемых свойств.

Поэтому, например, сталь с 1,0% Мп является уже легированной марганцовистой сталью, а марганец такой концентрации считается легирующим элементом.

Поэтому при наличии в стали даже весьма малых количеств свинца, серебра или меди (меди выше 1%) они будут находиться в свободном состоянии в виде металлических включений.

Стали, легированные серебром, а также медью при содержании ее более 1%, применения не имеют1.

Поэтому в процессе производства стали такие элементы, введенные в последний момент плавки, раскисляют сталь, отнимая кислород у железа: F

Больше всего неметаллических включений в кипящей мартеновской и особенно бессемеровской стали, меньше в спокойной стали и еще меньше в электростали.

Сталь вакуумной выплавки (а также сталь электрошлакового переплава) содержит самое небольшое количество неметаллических включений.

О карбидообразовании в стали будет с ;азано дальше.

Это значит, например, что при наличии в стали одновременно хрома и ванадия следует ожидать в первую очередь образования карбидов ванадия( в равновесных условиях).

Так, в хромомарганцовистс» стали вместо чистого карбида хрома Сг2зСе образуется карби/i (Сг, Мп, Ре)2зС6, содержащий и растворе железо и марганец.

Так как карбиды, имеющие одинаковую химическую формулу, взаимно растворяются, то, например, при наличии в стали одновременно титана и ниобия будут образовываться не два разделенных вида карбидов, а один общий карбид, в который «на равных основаниях» входят и титан и ниобий.

ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ

Схема диаграмм изотермического распада аустенита: и — углеродистая сталь (1) и сталь, легированная некарбидообразующими элементами (2); 6 — углеродистая сталь (I) и сталь,легированная карбидообразующими элементами (2)

Замедление распада аустенита следует объяснить рядом факторов, но главным является, по-видимому, то, что при перлитном превращении в легированной стали требуется диффузия легирующих элементов для образования карбида, тогда как в углеродистой стали для образования цемента ~ _"' требуется только диффузия углерода.

Очень эффективно действует молибден при введении его в хромоникелевую сталь.

Оптимальное содержание бора в стали, обеспечивающее наибольшую прокаливаемость, равно всего лишь 0,002— 0,006%; при большом содержании бора концентрация его на границах зерна аустенита превышает предел насыщения, в результате чего появляются избыточные бористые фазы (бори-ды), действующие как центры кристаллизации перлита, и прокаливаемость уменьшается.

Их влияние сказывается здесь исключительно на положении температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали.

Стали содержат 1% С (В.

Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева.

Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хромом, молибденом, кремнием и др.

, нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.

Влияние легирующих элементов на свойства стали.

Специальные стали.

Основы легирования стали.

Легированные стали могут быть классифицированы по четырем признакам: по равновесной структуре, по структуре после охлаждения на воздухе, по составу и по назначению.

Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит;

Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру;

Заэвтектоидные стали, имеющие ,в структуре избыточные (вторичные) карбиды;

Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали1.

В соответствии с диаграммой Fc—С доэвтектоидныс углеродистые стали содержат менее 0,8% углерода, эвтектоидные около 0,8%, заэвтектоидные 0,8—2,0% и ледебуритные более 2,0%.

Так, при 5°/0 Сг сталь с 0,6% С является за-эвтектоидной, а с \,5°/о С — лсдебуритной.

При достаточно высоком содержании элементов, расширяющих у-обласп, получаются стали, в которых сохраняется аустенит при охлаждении до комнатной температуры.

Следовательно, кроме доэвтектоидного, эвтектоидного, заэвтектоидного и ледсбуритного классов, могут еще быть легированные стали ферритного и аустанитного классов2.

1 По структуре ледебуритные стали должны быть отнесены к чугунам (белым).

2 Возможны еще так называемые промежуточные классы—полуферрит-ный или полуаустенитный, — это такие стали, у которых у*^ происходит частично.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов, мартенситного — более значительным и, наконец, аустенитного — высоким содержанием легирующих элементов.

В этом случае сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохранит аустенитное состояние.

Так, при закалке перлитной стали может быть получена мартенситная структура, а при медленном охлаждении сталь мартенситного класса испытывает превращение в перлитной области.

Охлаждение аустенитной стали ниже нуля может вызвать в ней мартенситное превращение.

В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые, хромони-кельмолибденовые и тому подобные стали.

Конструкционная сталь, идущая на изготовление деталей машин.

Конструкционная (машиноподелочная) сталь, как правило, у потребителя подвергается термической обработке.

Поэтому конструкционные стали подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и отпуску, практически не обязательно высокому).

Инструментальная сталь, идущая на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента.

Инструментальные стали условно подразделяют на следующие четыре категории: углеродистые, легированные.

Стали и сплавы с особыми свойствами.

К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.

В ряде случаев эти стали содержат такое большое количество легирующих элементов, что их нужно причислять не к сплавам железа т.

Следовательно, сталь состава 0,10—0,15% С и 1,3—1,7% Мп будет обозначаться 12Г2; сталь состава: 0,28—0,35% С; 0,8—1,1% Сг; 0,9—1,2% Мп; 0,8—1,2% Si —ЗОХГС и т.

Для того чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S-<0,03%; P<;0,03%), а также что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставят букву А*.

Так, инструментальная сталь с 1,45— 1,70% С; 11,0—12,5% Сг и 0,5—0,8% Мо обозначается Х12М.

Нестандартные стали обозначают самым различным образом.

* Буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь.

Глава XVI КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ

Сталь, применяемая для изготовления деталей машин, строительных конструкций и других сооружений, должна обладать высокими механическими свойствами.

При этом сталь должна обладать высоким комплексом механических свойств, а не высоким значением какого-либо одного свойства.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надежности и долговечности имеет сталь, поэтому сталь является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам.

Совместное воздействие термической обработки и легирования является эффективным способом повышения механических характеристик стали.

Возможные способы улучшения (повышения) механических характеристик стали являются: увеличения содержания углерода; легирование; диспергирование структурных составляющих (путем понижения температуры превращения аустенита в сочетании с отпуском); измельчение зерна; наклеп.

Таким образом, мы можем заключить, что предельное содержание углерода в термически не упрочненной стали с феррито-перлитной структурой составляет 0,4%; при этом сталь будет «меть ств = 60 ктс/М'М2, Т50=— 20°'С и ар = 6-^7 кгсх Хм/см2*.

Так, например, если обрабатывать сталь для получения предела прочности 80 кгс/мм2, * Напомним читателю, что сгв — предел прочности — характеризует прочность стали стт при феррито-перлитной структуре 0,5—0,6 от <<тв, a TSO — порог хладноломкости — соответствует температуре, когда в изломе образца 50% вязкой составляющей, а ар — работа распространения вязкой трещины, численно равная ударной вязкости образца с трещиной.

Цифры вязкости соответствуют нормализованной стали 40 обычной чистоты и обычного размера зерна (зерно № 5—8).

Это является результатом разного положения порога хладноломкости и меньшего содержания волокна в изломе (%) (для закаленной и отпущенной стали В = 80%, а для нормализованной 5 = 30%*).

Такое повышение качества стали (отмечаем качества, а не прочности) в результате двойной термической обработки — закалки и высокого отпуска — заставляет считать правильным г_^^_________^_____ название этого вида терми<"0!

Сталь типа Х5МФС.

Как и в случае других видов упрочнения — при увеличении прочности термически улучшенной стали снимаются вязкие свойства.

288 показана зависимость работы распространения трещины от предела прочности стали в улучшенном состоянии (типа Х5М2СФ).

Для стали обычной выплавки и после обычной термической обработки (кривая 1) это предельное значение будет при ств—180 кгс/мм2 (при полностью вязком изломе).

По этой причине предельное значение прочности (ав), при котором ор сохраняет удовлетворительные значения для обеспечения надежности детали, оказывается для такой стали равной всего лишь 120 кгс/мм2.

289) пока при данных условиях (размер деталей, условия охлаждения) не будет достигнута сквозная прокаливаемость, что соответствует минимуму на кривых А и Б, после чего дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит уже к ухудшению свойств2, (сталь Б прокаливается глубже, чем сталь А, рис.

По этим соображениям для ответственных деталей, имеющих, как правило, диаметр размером более чем 10 мм, применяют легированные стали, и чем больше этот размер термически обрабатываемой детали, тем более легированную сталь следует применять (рис.

Поэтому легированная конструкционная сталь ответственного назначения содержит, как правило, 1—3% Ni, a новейшие типы конструкционных сталей — до 9—18% № в основном для понижения порога хрупкости.

Поэтому, если сталь разрушается при комнатной температуре на 100% вязко, то «критическое» значение ар=2 кгс-м/см2 будет при прочности 180 кгс/мм2.

Действительно, практика показала, что высоконикелевые стали, хрупко не разрушающиеся при комнатной температуре, могут надежно работать при ов= 160-М 80 кгс/мм2.

Сейчас проводят интенсивные работы по получению стали с ультрамелким (сверхмелким) зерном № 12—14 (в поперечнике несколько микрон).

Кроме того, от конструкционной стали требуется не только высокая прочность, но и ряд других важных свойств: жесткость, надежность, долговечность; вес они в целом определяют как выбор материала, так и размеры и сечение изделия.

Предел текучести в зависимости от размера зерна: '—6 — разные стали; d — размер зерна

Легированные стали следует применять исключительно в термически обработанном виде.

Применение легированной и поэтому дорогой стали без термической обработки нерационально1.

Конструкционные стали подвергают двойной упрочняющей термической обработке — закалке + отпуску, причем средне-углеродистые — обычно высокому отпуску (улучшению), низкоуглеродистые— низкому.

Низколегированные стали, как и углеродистые, следует закаливать в воде (и лишь при малых размерах — в масле), так как малая устойчивость переохлажденного аустенита в районе перлитного распада (около 600°С делает необходимым быстрое охлаждение при закалке.

Закалка стали на мартенсит — это первый этап термической обработки конструкционной стали.

Низкая пластичность, значительные внутренние напряжения не допускают применения конструкционной стали только в закаленном состоянии.

Отпуск — завершающая операция термической обработки конструкционной стали, окончательно формирующая ее свойства.

На примере хромоникелевой низко- и среднеуглеродистой стали (наиболее типичной) рассмотрим, как изменяются механические свойства в зависимости от температуры отпуска (рис.

В низкоуглеродистой стали после закалки получается достаточно пластичный мартенсит.

Влияние отпуска на механические свойства хромоникелевой стали: а — низкоуглеродистая сталь; б — среднеуглеродистая сталь механических свойств (ств до 130-М40 кгс/мм2 при т|) = 50ч-60% и аи до 12-f-14 кгс-м/см2).

Так, высоколегированные низкоуглеродистые стали иногда отпускают при высокой температуре.

Среднеуглеродистые стали, если требуется получить особо высокую прочность (ав= 160-4-180 кгс/мм2) отпускают при 200—250°С; надо, однако, иметь в виду, что ударная вязкость при этом сравнительно низкая (аН1 =44-6 кгс-м/см2, а ар= = 1—2 кгс-м/см2).

Рассмотрим теперь, как влияют температура отпуска и скорость схлаждения после отпуска на ударную вязкость легированной конструкционной стали (рис.

Влияние отпуска на ударную вязкость легированной стали (схема): / — быстрое охлаждение; 2 — медленное охлаждение

стали восстанавливаться.

Не все стали склонны к отпускной хрупкости II рода.

Склонность к отпускной хрупкости возникает при легировании стали карбидообразую-щими элементами (марганца, хрома) при наличии в ней более 0,001% Р.

Хром делает сталь особо чувствительной к условиям охлаждения при отпуске, особенно если, кроме хрома, сталь содержит еще никель или в повышенном количестве марганец.

Опыты показали, что если легированную сталь, быстро охлажденную после отпуска при 650°С, вновь подвергнуть продолжительному нагреву при 500—520°С, то независимо от скорости последующего охлаждения в стали развивается хрупкость.

Следовательно, в стали при температурах ниже 600°С совершаются какие-то диффузионные процессы, приводящие к охрупчиванию.

Микроструктура хромоникелевой стали после отпуска при 550° С

В итоге сталь охрупчивается из-за ослабления прочности межзеренных сцеплений.

При более высоком содержании молибдена в стали уже может возникать специальный карбид.

Эти стали не должны в работе нагреваться до высоких температур (500—600°С), так как это может также повести к охрупчиванию.

В тех случаях, когда после отпуска нельзя создать быстрое охлаждение (например, для очень крупных деталей), следует применять стали, легированные молибденом, замедляющим развитие отпускной хрупкости второго рода.

ЦЕМЕНТУЕМЫЕ (НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫЕ) СТАЛИ

Рассмотрим некоторые наиболее распространенные низкоуглеродистые стали, применяемые для изготовления цементуемых деталей.

Как уже указывалось, для этой цели применяют стали с низким содержанием углерода (0,1—0,25%) с тем, чтобы после цементации, закалки и низкого отпуска получить твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину.

В деталях из углеродистой стали вследствие ее слабой про-каливаемости высокую твердость получает лишь поверхностный цементованный слой, а сердцевина не упрочняется.

В соответствии со сказанным цементуемые стали следует разделять на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной, низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной и относительно высоколегированные стали с сердцевиной, сильно упрочняемой при термической обработке.

Стали последней группы называют иногда высокопрочными цементуемыми сталями.

К ним следует также отнести и стали со сравнительно невысоким содержанием легирующих элементов, но с повышенным содержанием углерода (0,25—0,30%).

JV» пп Сталь с С г N4 Мп

Сталь 18Х11МФЛ содержит еще 0,08—0.

* Сталь содержит 0,45—0,65% Мо или 0,8—1,2% W.

В нелегированных низкоуглеродистых сталях (например, сталь 10) выступ С-образной кривой настолько сдвинут влево (рис.

Эта сталь почти не упрочняется при термической обработке.

К первой группе, как указывалось, относятся углеродистые стали 10, 15 и 20 (табл.

Сталь Ов, кгс/мм2 ат, кгс/мма в, % *, %

Указанные свойства характерны для малоуглеродистой стали бейнитного типа.

Стали 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, ЗОХГТ, ,12ХНЗ, 12Х2Н4, 18Х2Н4В должны быть отнесены к третьей группе — к высокопрочным цементируемым сталям, сильно упрочняемым при термической обработке, вследствие образования в сердцевине мартенсита при закалке.

Степень упрочнения определяется содержанием углерода в стали, а также, хотя и в меньшей степени, содержанием легирующих элементов и интенсивность охлаждения при закалке.

Область бейнитного превращения выдвинута влево и поэтому при охлаждении в масле, а также и на воздухе в этой стали происходит смешанное бейнитно-мартенситное превращение1.

Диаграмма изотермического распада аустенита в стали 20X1IM

Выбор марки стали для цементуемых изделий основан на следующих соображениях.

Для изделий простой конфигурации, не испытывающих значительных напряжений, следует применять простые углеродистые стали; для деталей, испытывающих большие напряжения и удары, — хромоникелевые высокопрочные стали.

Для изделий сложной конфигурации, для которых деформация при закалке нежелательна (например, шестерни), следует применять легированные, закаливаемые в масле стали.

Для наиболее ответственных цементуемых деталей применяют хромони-келевые и хромоникельвольфрамовые стали 12Х2Н4А и 18Х2Н4ВА.

закалки и низкого отпуска эти стали приобретают очень высокие механические свойства (предел прочности до 130—140 кгс/мм2), это обусловило их применение (главным образом сталь 18Х2Н4ВА) не только в цементованном виде, но и без цементации (для деталей, от которых требуется высокая прочность без высокой износоустойчивости).

Сталь 18Х2Н4ВА имеет своеобразную диаграмму изотермического распада аустенита, для которой характерно отсутствие зоны перлитного распада и то, что интервал бей-нитного превращения почти совпадает с интервалом мартенситного превращения (рис.

Перлито-троститный распад (при 500—700°С) в этой стали отсутствует, и аусте-нит может превратиться или в бей-нит (в районе 450—300°С), или в мартенсит — при быстром непрерывном охлаждении.

Диаграмма изотермического м способствует образованию В ЭТОЙ распада аустенита в стали 18ХН4ВА " J ' (автор); стали в закаленном состоянии лишь

Диаграмма изотермического превращения в стали 18Х2Н4ВА показывает также, что эту сталь нельзя подвергать отжигу, так как аусте-нит в перлитообразные структуры не превращается.

Поэтому единственной смягчающей обработкой этой стали является высокий отпуск «под критическую точку» (660±10°С).

Подобная кинетика распада аустенита этой стали приведет к тому, что при любом способе охлаждения (даже очень медленном) и практически в любом сечении аустенит переохлаждается до температур бейнитного и мартенситного превращения, поэтому сталь 18Х2Н4ВА прокаливается на полную глубину в любом сечении и практически может быть отнесена к стал-ям мартенситного класса.

По этой причине сталь 18Х2Н4ВА обычно закаливают не в масле, а на воздухе (даже массивные детали).

1 Понижение критических точек по сравнению с углеродистой сталью является следствием высокого содержания никеля в этой стали.

Структура стали 18Х2Н4ВА после обычной для этой стали термической обработки, т.

Вследствие высокого содержания легирующих элементов точка Мк для насыщенного углеродом цементованного слоя стали 18Х2Н4ВА будет находиться ниже 0°С.

Для повышения предела выносливости в последнее время применяют азотирование этой стали (см.

УЛУЧШАЕМЫЕ (СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫЕ) СТАЛИ

Улучшаемые стали содержат 0,3—0,4%С и разное количество легирующих элементов (хром, никель, молибден, вольфрам, марганец, кремний) в сумме не более 3—5%, и часто около 0,1% измельчителей зерна (ванадий, титаи, ниобий, цирконий).

Чем больше в стали легирующих элементов, тем больше ее прокаливаемость.

U Сталь Содержание элементов, % Критический диаметр, мм Порог хладноломкости Тш.

Критический диаметр указан для полной прокаливаемости 95% мартенсита при нижнем содержании углерода и легирующих элементов и для охлаждения в масле (для стали I группы — в воде).

Стали 40ХНР, 40ХГНР и 42ХМФА ГОСТ 4543—71 не предусмотрены.

Чем больше сечение детали, тем более легированную сталь следует выбирать.

Во избежание развития отпускной хрупкости, что особенно опасно для крупных деталей, которые невозможно быстро охлаждать при отпуске, следует использовать стали, содержащие молибден (0,15—0,30%).

I группу составляют простые углеродистые стали.

В некоторых случаях для деталей диаметром 10—15 мм, в которых может быть получена более или менее удовлетворительная прокаливаемость и относительно небольшое коробление, может быть применена углеродистая сталь с улучшающей термической обработкой (закалка + отпуск при 500—650°С).

Сталь, легированная 1 % Сг (сравните стали 40 и 40Х), позволяет получить при охлаждении в масле сквозную прокаливаемость до диаметра 20 мм при некотором снижении порога хладноломкости (вероятнее всего, благодаря измельчению зерна при присадке хрома); тогда как марганец и кремний в большинстве случаев повышают порог хладноломкости.

Легирование другими элементами хромистой стали также повышает прокаливаемость.

Для сечений диаметром 20—40 мм, кроме стали 40ХР, можно применять стали других марок из III группы.

Стали этой группы дополнительно легированы марганцем, молибденом, кремнием, титаном.

В этой группе выделяется по вязкости сталь ЗОХМ.

Хотя прокаливаемость у нее не на много выше, чем у стали 40Х, но порог хладноломкости ниже; кроме того, сталь ЗОХМ нечувствительна (как и другие молибденовые стали) к отпускной хрупкости II рода.

В следующую группу вошли никелевые стали, содержащие около 1—il,5% Ni.

Сравнивая стали 40ХН, 40ХНР, 40ХГНР, видим, как добавка бора и марганца, углубляя прокаливаемость, одновременно снижает запас вязкости.

Наилучшей по прокаливаемости и запасу вязкости в этой группе сталей является сталь 40ХНМ, что объясняется влиянием комплекса легирования (Cr+Ni+ +Мо) и более высоким содержанием никеля по сравнению с другими сталям» этой группы.

Эти стали характеризуются высокой склонностью к отпускной хрупкости II рода.

Поэтому для изделий крупных размеров, подвергающихся динамическим нагрузкам, целесообразно применять Сг — Ni — Mo или Сг — Ni — Mo — V стали.

Переходим теперь к описанию механических свойств некоторых наиболее распространенных улучшаемых марок стали.

299, а приведены механические свойства углеродистой стали 40.

Кривые, приведенные на левой стороне графика, показывают свойства стали в образцах диаметром 3 — 5 мм в зависимости от температуры отпуска (продолжительность отпуска 1 ч).

Ход кривых температура отпуска — свойства показывают типичное изменение свойств стали при изменении температуры отпуска: прочность с повышением температуры отпуска снижается, а пластичность и вязкость повышаются.

Минимум ударной вязкости соответствует отпуску при 250°С, когда в этой стали проявляется отпуск а хрупкость I рода.

Эти свойства могут быть получены в углеродистой стали лишь для де-.

Если нужно получить высокую прочность и высокие пластичность к вязкость в изделиях крупных размеров, то потребуется уже легированная, прокаливающаяся на большую глубину сталь, например сталь 40Х и 40ХНМ.

Высокие механические свойства в стали 40Х получаются при термической обработке сечений диаметром до 20—25 и 50—60 мм в стали 40ХНЛ1 в (обоих случаях при закалке в масле), т.

в значительно больших сечениях, чем у стали 40.

Интенсивность падения свойств при увеличении диаметра термически обрабатываемой заготовки тем меньше, чем более легирована сталь.

Критерии при выборе марки стали, кратко могут быть сформулированы так: а) выбор марки стали (степени легированно-сти) определяется размером термически обрабатываемой заготовки; б) уровень прочности определяет температуру отпуска; в) наличие концентраторов напряжений и динамических нагрузок определяет необходимость легирования элементами, снижающими температуру перехода в хрупкое состояние (никель) или обусловливает необходимость иметь сталь повышенной и высокой чистоты.

Легированные конструкционные среднеуглеродистые стали имеют после отжига приблизительно одинаковую структуру, состоящую из феррита и перлита1.

В термически обработанной стали структура состоит из продуктов распада мартенсита.

повышение механических свойств стали после двойной обработки, наблюдается лишь при отпуске до температур, при которых сохраняется ориентация по мартенситу.

Типичные структуры конструкционной улучшаемой стали показаны на рис.

ВЫСОКОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

В предыдущих двух параграфах были рассмотрены конструкционные стали, термически обрабатываемые на прочность (ств) до 120—140 кгс/мм2 и структуру — отпущенный мартенсит (низкоуглеродистая сталь) или сорбит (среднеуглеродистая сталь).

При такой структуре и прочности сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью и ее можно применять для деталей сложной формы, подвергающихся динамическим и усталостным нагрузкам.

Однако новейшая техника стала предъявлять более высокие требования к прочности; для ряда назначений требуется материал с прочностью 180—200 кгс/мм2 и более, причем условия работы я конфигурация детали позволяют иметь более низкую пластичность и вязкость по сравнению с обычной улучшаемой сталью.

Высокая прочность достигается подбором стали и специфической обработкой.

Такие стали, обработанные на высокую прочность (огв>150 игс/1мм2), называются высокопрочными сталями.

обычные среднеуглеродистые (0,3—0,4%С) стали, обработанные путем закалки и низкого отпуска, имеют прочность в пределах 170— 200 кгс/мм2 (см.

Поэтому такие высокопрочные стали, т.

обычные стали с 0,3—0,4% С и отпущенные при низких температурах применяют сравнительно редко.

Практически же обычные стали редко обрабатывают обычными методами «а прочность выше 150.

Тем не менее современная техника требует материалы (сталь) с а„>150 кгс/мм2 и в настоящее время известны способы обеспечения относительно удовлетворительной вязкости при значениях прочности (ов) выше 150 кгс/мм2.

Сталь типа Х5М2СФ (автор)

Влияние кобальта на мартен-ситную точку (1) и количество остаточного аустенита (2) в стали содср-- жится 0,3% С и 9% N1 (автор) отпуске.

Если конструкционная сталь с обычным содержанием углерода (около 0,3%) содержит повышенное количество кар-бидообразующих элементов (хром, молибден, вольфрам, ванадий), то твердость ее не снижается до высоких температур отпуска (500—550°С, рис.

Можно указать на сталь такого состава: 0,3%С; 5% Сг; 1% Мо; 1% Si; 0,5% V (марка ЗОХ5МСФА).

Наиболее простым решением вопроса является введение в сталь никеля, элемента, — понижающего температуру перехода в хладноломкое состояние и поэтому увеличивающего долю волокна в изломе в высокопрочной стали.

Решение задачи применения высоконикелевой стали состояло в одновременном легировании стали никелем и кобальтом.

В качестве примера приведем сталь, содержащую 0,3%С, 9% Ni, 4% Со, обладающую после обычной термической обработки (закалка + отпуск 200°С) при прочности (ов), равной 160 кгс/мм2, высоким комплексом пластических и вязких свойств 1|) = 60%.

Г5о= —НО°С, af =2,5 кгс-м/см2, что равноценно стали 18Х2Н4ВА, но при прочности ее 'Ств= 130 кгс/мм2.

Измельчение зерна, как указывалось выше, приводит к снижению порога хладноломкости и, следовательно, к увеличению доли волокна в изломе стали.

Вязкость разрушения высокопрочной стали

Используя ВТМО применительно к чистой вакуумированной стали (например, марки ЗОХ5М2СФА), можно при прочности <тв, равной 220 кгс/мм2, получить примерно такой комплекс свойств: <Т0,2= 180 кгс/мм2, г|> = 40%, ан = 5 кгс-м/см2, 5 = 50%, ар = 6 кгс-м/см2; af =3 кгс-м/см2.

Другие способы измельчения зерна (введение в высокопрочную сталь нитридов, скоростные нагревы и т.

Существует также способ повышения прочности сталей со структурой среднеуглеродистого мартенсита — это небольшая пластическая деформация уже термически обработанной стали, при этом, как правило, прочность (ав) не изменяется, а предел текучести возрастает, достигая практически значения предела прочности (при ТМО предел текучести все же значительно уступает пределу прочности, повышение предела текучести, как правило, важнее, чем предела прочности, так как предел текучести является обычно расчетной характеристикой).

В последнее время разработаны стали интерметаллидного упрочнения (так называемые мартенситно-стареющие стали — американское название Марэджинг), в которых при закалке получается практически безуглеродистый мартенсит, а затем при отпуске (примерно при 500°С) происходит выделение интерметаллидных фаз.

Обычно эти мартенситно-стареющие стали содержат 18% Ni и дополнительно легированы титаном и алюминием и часто кобальтом и молибденом.

В наиболее распространенной по составу стали типа «стареющий мартенсит» с <0,03% С; 18% Ni; 10% Со; 5% Мо; 0,5% Ti; 0,1% Al мартенситное превращение начинается при 150—200°С и заканчивается практически полностью (<10% остаточного аустенита) при комнатной температуре.

В таком «закаленном» состоянии сталь можно подвергать деформации, обработке резанием и другим технологическим операциям.

Стали с 25% Ni: ав = = 220 кгс/мм2, 6=12%, \|)=55%.

Сочетание высокой прочности и пластичности создается подбором определенного состава стали, режимом термической обработки и температурной деформации.

Так, например, вязкость разрушения (интенсивность напряжения в устье трещины Кс) у обычной хромоникельмолибденовой стали при 00,2=150 кгс/мм2 составляет около 175 кгс/мм3/2, у мартенситно-стареющей стали при той же прочности — около 300 кгс/мм3/2, а у трип-стали — свыше 500 кгс/мм3/2 (рис.

Исследование механических свойств сталей показало, что их пластические и вязкие свойства, а отсюда и возможность упрочнения зависят от чистоты стали, содержания примесей внедрения (азот, кислород, водород) и неметаллических включений.

Вязкость разрушения высокопрочных сталей / — сгаль ЗОХНЗМ; 2 — мартенситно-стареющая сталь; 3 — трип-сталь

Таблица Сравнение свойств стали 40ХГСНМФ открытой и вакуумной выплавки "в- "-Г V ff-l' кгс, мм5 кгс/мм2 кгс/мм2 кгс/мм2

Сравним сталь типа 40ХГСНМФ двух плавок очень близкого состава, но выплавленную разными способами.

Сталь открытой плавки содержала 250 О и 50 Н, ат.

ррт, а сталь вакуумной выплавки 75 О и 20 Н ат.

Выше мы рассмотрели конструкционные (цементуемые и улучшаемые) высокопрочные стали.

Чем интенсивнее сварка, тем более резко изменяется температура, тем больше по знаку возникают напряжения, тем меньшее содержание углерода можно допустить в стали.

Распределение температуры и механических свойств в зоне сварного шва: а—распределение температуры; б— г — механические свойства (б — низкоуглеродистая нелегированная сталь; в — легированная сталь; г — термически упрочненная сталь) составу электродную проволоку, можно соответствующим легированием смягчить или устранить неблагоприятный для прочности фактор, каким является литая структура шва.

Сталь низкоуглеродистая нелегированная, зона термического влияния широкая (малая энергия сварки), охлаждение после сварки медленное.

Сталь легированная (аустенит склонен к переохлаждению), зона термического влияния узкая, скорость охлаждения после сварки большая.

Если сталь сваривалась в исходном термическом упрочненном состоянии, то структурные изменения затронут и зону III (рис.

Глубина разупрочнения определится составом стали (склонностью к разупрочнению при отпуске), а ширина — режимами сварки.

СТРОИТЕЛЬНАЯ СТАЛЬ

Строительная сталь предназначается для изготовления строительных конструкций — мостов, газо- и нефтепроводов, ферм, котлов и т.

Все строительные конструкции, как правило, являются сварными, и свариваемость — одно из основных свойств строительной стали.

Поэтому в соответствии со сказанным в предыдущем параграфе строительная сталь — это низкоуглеродистая сталь с С<0,22—0,25%.

Простые углеродистые строительные стали — Ст1, Ст2 и СтЗ, поставляемые по ГОСТ 380—71.

Наиболее широко применяется сталь марки СтЗ, которую для сварных конструкций следует поставлять по требованиям группы В (<0,22% С; ат = 24 кгс/мм2), а для несварных конструкций — по группе А (гарантируется только ат, который должен быть ниже 24 кгс/мм2).

Сказанное выше оотносится к горячекатаной стали.

Таким образом, следует применять для несвариваемых конструкций (или свариваемых неответственных конструкций) — кипящую сталь, для сварных расчетных конструкций — полуспокойную или спокойную сталь.

Поскольку термической обработкой закалка + отпуск 600°С невозможно значительно повысить прочностные свойства СтЗ*, то в тех случаях, когда необходимо иметь более высокий предел текучести, применяют легированные стали.

Эти стали обычно называют низколегированными, или строительными сталями повышенной прочности.

В отличие от конструкционных легированных сталей, строительные стали повышенной прочности у потребителей не подвергаются термической обработке, т.

Приведенные стали не очень различаются по составу: все они имеют низкое содержание углерода (<0,22%С) и в качестве основного легирующего элемента — марганец (1—1,5%), поэтому и свойства их довольно близки ав» «50 кгс/мм2, 10т~35 кгс/мм2, С<0,22%).

По надежности и положению порога хладноломкости они близки к спокойной стали марки СтЗ.

Стали с повышенным содержанием кремния в этом отношении уступают сталям, не упрочненным кремнием.

Термическая обработка способствует снижению порога хладноломкости и влияет на это свойство низколегированных сталей примерно так же, как и на свойства углеродистой стали марки СтЗ.

38 сталей, применяют и более прочные низколегированные стали, имеющие 0Т>45 кгс/мм2.

Сталь 18Г2АФ имеет феррито-перлитную структуру, но с сильно измельченным зерном благодаря присутствию нитридов ванадия1.

1 Сталь 18Г2АФ имеет такой же состав, что и 18Г2, но, кроме того, содержит 0,1% V и 0,02% N.

Строительные стали применяют главным образом в виде листов разной толщины, а также в виде сортового проката.

Сущность этого процесса состоит в следующем: низколегированную сталь, содержащую (оптимальный состав) небольшое количество нитридов ниобия и ванадия (типичный состав 0,1% С, 0,5% Мп, 0,05% V, 0,05% Mb, 0,01% N) нагревают под прокатку до высоких температур, при этом нитриды ванадия переходят в твердый раствор, а нитриды ниобия не растворяются и обеспечивают сохранение мелкого зерна.

После фазового превращения по перлитному типу (вблизи температуры 650°С) из феррита выделяются нитриды ванадия, упрочняя сталь.

АРМАТУРНАЯ СТАЛЬ

В ненапряженных конструкциях применяют стали обыкновенного качества, так как сталь не испытывает больших напряжений (СтЗ, Ст5), а в предварительно напряженных конструкциях — среднеуглеродистые и высокоуглеродистые стали в горячекатаном состоянии, а также упрочненные термической обработкой.

Арматурная сталь делится на классы по прочности.

Арматурную сталь классов A-I, A-II и A-III применяют для ненапряженных конструкций, а арматурную сталь более высоких классов — для предварительно напряженных конструкций.

Свойства, соответствующие классу A-IV, моогут быть получены в горячекатаном состоянии в легированных сталях марок 20ХГ2Ц или 80С или в простой углеродистой стали марки Ст5 после упрочняющей термической обработки (закалка в воде, отпуск при 400°С).

Сталь 23Х2Г2Т после горячей прокатки и низкотемпературного отпуска (300°С), применяемого главным образом для удаления из металла водорода, получает свойства класса A-V.

При низком содержании углерода (менее 0,26%) сталь хорошо сваривается контактной сваркой (при контактной сварке допустимо более высокое f Бетон сжат вложенными в конструкцию стальными стержнями.

Топкая структура малоуглеродистой стали (Б.

Поэтому для стали класса A-IV указывают две марки — одну свариваемую, другую не свариваемую.

Для работы при низких температурах лучше применять стали с более низким содержанием углерода или стали после термической обработки.

При этом проволока1 из стали с 0,6—0,8% С обладает высокой прочностью 0В (до 180 кгс/мм2), приобретаемой благодаря наклепу или термическом обработке.

ПРУЖИННАЯ СТАЛЬ

Главное требование состоит в том, чтобы сталь имела высокий предел упругости (текучести).

Для особо ответственных пружин применяют сталь 50ХФ, содержащую хром и ванадий и обладающую наиболее высокими упругими свойствами.

В этом случае применяют сталь ЗОХГС; после закалки и отпуска при 250°С она будет иметь прочность (а„) 160 кгс/мм2, но вязкость (ав) всего лишь 5 кгс-м/см2, а пластичность (б) 7% и (\f) 40%.

Для изготовления серебрянки применяют обычные углеродистые инструментальные стали У7, У8, У9, У10.

Состав пружинной стали, % (ГОСТ 14959—69) с И п Марка стали с Мп Si Сг V

ШАРИКОПОДШИПНИКОВАЯ СТАЛЬ

Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому применяют щыажоуглеро-дистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии).

Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.

имела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно хромом).

Государственный стандарт (ГОСТ 801— 60) предусматривает четыре марки шарикоподшипниковой стали (табл.

Таблица А'З Состав шарикоподшипниковой стали, % (ГОСТ 801—60)

Стали С Сг Мп Si

Следовательно, чем меньше размер закаливаемой детали подшипника, тем меньше может быть содержание хрома в стали.

Рекомендуется шарики и ролики диаметром до 13,5 и 10 мм изготавливать из стали ШХ9, шарики диаметром 13,5—22,5 мм и ролики диаметром 10— 15 мм — из стали ШХ12 я, наконец, шарики диаметром 22,5 мм и ролики диаметром 15—30 мм — из стали ШХ15.

Из этой же стали следует изготавливать кольца всех размеров за исключением очень крупных; ролики диаметром свыше 30 мм и кольца с толщиной стенки свыше 15 мм — из стали марки ШХ15СГ, в которую, кроме хрома, вводят легирующие элементы — кремний и марганец, увеличивающие прокаливаемость.

По своей природе перечисленные хромистые стали близки к углеродистым сталям примерно с 1% С.

Хром растворим в обеих фазах отожженной стали— в феррите и цементите.

Сталь Критическая скорость закалки, град/с Критический диаметр для закалки _ в масле (95% мар- Сталь тенсита), мм Критическая скорость закалки, град/с Критический диаметр для закалки в масле (95% мартенсита), мм

ШХ6 ШХ9 450—500 175—200 9—10 14—15 ШХ15 ШХ15ГС 35-40 23—25 50—65 точках касания шарика (ролика) и кольца в загрязненной или неоднородной стали окажется то или иное включение, то может произойти местное разрушение (выкрашивание), а вследствие этого долговечность работы подшипника резко снизится.

Это охрупчивает сталь и является совершенно недопустимым.

В стали ШХ15—наиболее распространенной шарикоподшипниковой стали—при закалке часто фиксируется повышенное количество остаточного аустенита (порядка 10—15%), который при последующей эксплуатации может превратиться в мартенсит и вызвать нежелательное изменение объема.

Для очень крупных роликовых подшипников диаметром от 0,5 до 2 м (и для колец, и для роликов) применяют сталь 20Х2Н4А (состав см.

Ролики и кольца, изготовленные из этой стали, подвергают цементации на очень большую глубину (глубина цементации 5—6 мм, продолжительность цементации 120—160 ч) и затем сложной термической обработке, в конечном итоге приводящей к структуре: «а поверхности — мартенсит-)-карбиды, в центре — малоуглеродистый мартенсит.

Для подшипников, работающих в химически агрессивных средах, наибольшее применение получила сталь Х18 (0,9—1,0% С, 17—19% Сг, остальное марганец, кремний, сера, фосфор и т.

Сталь обладает высокой коррозионной стойкостью в пресной и морской воде, в растворах азотной и уксусной кислот, в различных органических средах, но имеет плохую стойкость в смеси азотной и серной кислот.

Термическая обработка для получения наивысшей в данной стали твердости и достаточной стабильности в размерах заключается в закалке с 1050°С в масле, обработке холодом при —70°С и отпуске при 150—160°С.

Обычно применяют сталь Р9, но с пониженным содержанием углерода и ванадия.

Обработку такой стали проводят по режимам термической обработки инструментов из быстрорежущих сталей, о чем будет сказано дальше.

Для уменьшения дендритной ликвации прибегают к диффузионному отжигу слитков перед прокаткой, который состоит в длительном нагреве стали при весьма высоких температурах (1000—1200°С).

Дефекты макро- и микроструктуры в легированной стали.

Трещины — флокены тем более опасны, чем более высокую прочность имеет сталь.

Флокены могут быть в кованой или катаной стали, в литой стали они обнаруживаются редко.

Если сталь после ковки (прокатки) быстро охлаждалась в районе 200°С и ниже, то у флокеночувствительной стали возникнут флокены.

Ряд данных показывает, что флокены образует растворившийся в жидкой стали водород, который при температурах ниже 200°С выделяется из раствора и создает сильные внутренние напряжения, которые и приводят к образованию трещин (флокенов).

Если же сталь охлаждается медленно, то водород успевает пр-одиффундировать из раствора и совсем удалиться из стали.

В результате сталь становится нечувствительной к флокенообразованию (С.




Главный редактор проекта: Мавлютов Р.Р.
oglib@mail.ru