Влияние легирования на свойства металлов

Содержание
Аннотация………………………………………………………………………..3
Введение………………………………………………………………………….4
1 Классификация легированных сталей ………………………………..…..….5
2 Маркировка легированных сталей……………………….……………..……8
3 Влияние легирования на свойства металлов………………………………...9
3.1 Влияние легирующих элементов на критические точки, структуру
и прокаливаемость сталей…………………….........................................10
3.2 Влияние легирующих элементов на свойства сталей……………...14
4 Особенности термической обработки легированных сталей………………17
5 Достоинства и недостатки легированных сталей……………………….…..18
Заключение………………………………………………………………………20
Список использованных источников…………………………………………..21

Аннотация
В работе изложены принципы маркировки легированных сталей и их классификация по химическому составу, структуре в равновесном состоянии, назначению. Приведены сведения о влиянии различных легирующих элементов на физико-механические и другие свойства сталей, положение критических точек, структуру и прокаливаемость. Показаны особенности термической обработки легированных сталей, а также их достоинства и недостатки по сравнению с углеродистыми сталями.
6 рис., 2 табл., 21 с.
Annotation
The paper outlines the principles of marking alloy steels and their classification according to chemical composition, structure in equilibrium, and purpose. Information is given on the effect of various alloying elements on the physicomechanical and other properties of steels, the position of critical points, the structure and hardenability. The features of heat treatment of alloy steels, as well as their advantages and disadvantages in comparison with carbon steels are shown.
6 fig., 2 tab., 21 p.
Введение
Появление и широкое распространение легированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам.
Легированным сталям присущ комплекс ценных свойств, обусловивших их широкое применение в качестве конструкционного материала в различных отраслях промышленности: высокая удельная прочность, работоспособность при высоких и низких температурах, а также при действии агрессивных сред, хорошая технологичность.
Целью данной работы являлось изучение влияния легирования на свойства металлов.
Для достижения поставленной цели необходимо решение ряда задач:
изучить классификацию и маркировку легированных сталей;
рассмотреть влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей;
установить особенности термообработки данных сталей;
определить достоинства и недостатки легированных сталей.
1 Классификация и маркировка легированных сталей
В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.
По химическому составу сталь подразделяют на углеродистую и легированную. При определении степени легирования содержание углерода во внимание не принимают, марганец и кремний считаются легирующими элементами при их содержании более 1 и 0,8 % соответственно.
Легированными сталями называют стали, содержащие в своем составе, кроме железа и углерода, специально введенные элементы, которые способны изменить ее строение, а, следовательно, и свойства.
По содержанию углерода стали разделяют на [1]:
малоуглеродистые: менее 0,25 % углерода;
среднеуглеродистые: 0,25-0,65 % углерода;
высокоуглеродистые: более 0,65 % углерода.
Легированные стали разделяют по общему содержанию легирующих элементов на:
низколегированные: менее 2,5 %;
среднелегированные: 2,5-10,0 %;
высоколегированные: более 10,0%.
Например, сталь 30ХГСА – по химическому составу легированная, по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,3 % углерода), по степени легирования – среднелегированная (по 1 % хрома, марганца и кремния).
Сталь 20 – по химическому составу углеродистая, по содержанию углерода – низкоуглеродистая (0,2 % углерода).
Сталь 40Х13 – по химическому составу легированная, по содержанию углерода – среднеуглеродистая (0,4 % углерода), по степени легирования –высоколегированная (13 % хрома).
По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.
Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме3С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом.
В соответствии с диаграммой «Fe – Fe3C» (рис. 1) доэвтектоидные стали содержат менее 0,8 % углерода, эвтектоидные около 0,8 %; заэвтектоидные 0,8–2,0 % и ледебуритные примерно до 2,14 % [2].
Рисунок 1 – Диаграмма состояния железо - цементит
Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E (на диаграмме «Fe – Fe3C») в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными лежит в легированных сталях при меньшем содержании углерода, чем в углеродистых.
При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.
Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 2) [3].
Рисунок 2 – Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а),
мартенситного (б) и аустенитного (в) классов
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым -со держанием легирующих элементов, и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры – перлит, сорбит, троостит.
У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо – аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.
Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения в область отрицательных температур, поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуре, сохранит аустенитное состояние.
В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы.
I. Конструкционные стали:
строительные стали, содержащие менее 0,25 % углерода, идущие на изготовление строительных металлоконструкций, обладают хорошей свариваемостью;
машиностроительные стали, содержащие 0,25-0,65 % углерода, предназначенные для изготовления деталей машин.
II. Инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. По содержанию углерода являются высокоуглеродистыми (0.7-1,3 % углерода).
III. Стали и сплавы с особыми физико-химическими свойствами. К ним относятся стали, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: коррозионностойкие (нержавеющие стали), жаропрочные, теплоустойчивые, износоустойчивые, с особенностями теплового расширения, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д.
2 Маркировка легированных сталей
В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Обозначения состоят из цифр и букв, указывающих на примерный химический состав стали.
Каждому легирующему элементу присвоена буква русского алфавита.
В таблице 1 представлены легирующие элементы и их обозначение в маркировке сталей [4].
Таблица 1 – Обозначение легирующих элементов
Буква Элемент Буква Элемент Буква Элемент
А азот К кобальт Т титан
Б ниобий Н никель Ф ванадий
В вольфрам М молибден Х хром
Г марганец П фосфор Ц цирконий
Д медь Р бор Ч редкоземельные
Е селен С кремний Ю алюминий
В конструкционных сталях первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, в стали 30ХГСА- примерно 0,3%С). В инструментальных сталях цифры соответствуют десятым долям процента (сталь 5ХНМ- 0,5%С ). Если сталь имеет более 1% углерода, то начальную цифру, характеризующую содержание углерода, обычно опускают (стали ХВГ, Х). Цифры, стоящие после букв, обозначающих легирующие элементы, указывают приблизительное содержание легирующего элемента в целых процентах (например, в стали 34ХН3М содержание никеля 3 %). При содержании легирующего элемента менее 1 % цифра после буквы не ставится.
Буква в конце марки означает: А – данная сталь по качеству относится к высококачественным.
3 Влияние легирования на свойства металлов
3.1 Влияние легирующих элементов на критические точки,
структуру и прокаливаемость сталей
Для легирования стали применяют хром (Cr), никель (Ni), марганец (Mn), кремний (Si), вольфрам (W), молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu) и другие элементы. Марганец считается легирующим компонентом лишь при содержании его в стали более 1 %, а кремний – при содержании более 0,8 %.
Легирующие элементы либо распределяются между фазами, существующими в обычной углеродистой стали (феррит и цементит) и, таким образом, изменяют их состав и свойства, либо образуют новые фазы, характерные только для легированных сталей (интерметаллидные соединения, специальные карбиды и т. д.).
Легирующие элементы изменяют критические точки стали и оказывают существенное влияние на кинетику фазовых превращений, протекающих в стали при термической обработке. По характеру влияния на критические температуры полиморфного превращения железа легирующие элементы разделяются на две группы [5].
К первой группе относятся Ni, Mn, N, Cu и другие элементы, расширяющие область существования γ - твердого раствора (рис. 3, а). Эти элементы с Feα и Feγ образуют твердые растворы замещения (легированный феррит и легированный аустенит), повышают точку А4 и понижают точку А3. При содержании некоторых элементов этой группы выше n (рис. 3, а) критическая точка превращения γ→α находится ниже комнатной температуры. Такие сплавы даже при медленном охлаждении приобретают структуру γ - твердого раствора (легированного аустенита).
а) Ni, Mn, Cu, Co, N, Cи др. б) Cr, Si, W, Mo, V, Al и др.
Рисунок 3 – Влияние легирующих элементов на критические точки железа (схема)
Ко второй группе относятся Cr, Si, W, Mo, V и другие элементы, ограничивающие область существования γ -твердого раствора (рис. 3, б). Эти элементы понижают точку А4 и повышают точку А3. При содержании элемента этой группы в количествах, превышающих m (рис. 3, б), сплавы при всех температурах вплоть до температуры плавления имеют строение α -твердого раствора (легированного феррита).
Легирующие элементы оказывают существенное влияние на положение критических точек S и E диаграммы Fe-Fe3C. Большинство элементов (Ni, Si, Co, Cr, W, Mn) сдвигает их влево, т.е. в сторону уменьшения содержания углерода. Сильные карбидообразующие элементы (V, Ti, Nb), наоборот, повышают содержание углерода в эвтектоиде, т.е. сдвигают точку S вправо. Например, при введении 5 % хрома доэвтектоидные стали содержат до 0,6 % углерода, эвтектоидные – 0,6 %, заэвтектоидные – от 0,6 до 1,5 %. Свыше 1,5 % углерода – в структуре стали появляется ледебурит, поэтому такие стали названы ледебуритными [5].
Все легирующие элементы, кроме алюминия и кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (сдвигают С-образные кривые вправо) и, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки. Поэтому закалка изделий из легированных сталей производится при относительно невысоких скоростях охлаждения (в масле или даже на воздухе).
Легирующие элементы за исключением алюминия, кобальта и кремния снижают температуру начала мартенситного превращения и тем самым способствуют увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали.
По отношению к углероду легирующие элементы также разделяются на две группы:
элементы, не образующие в сталях карбидов (Ni, Si, Co, Cu, Al);
элементы, образующие карбиды (Mn, Cr, W, Mo, V, Ti, Nb и др.).
Элементы первой группы полностью растворяются в твердом растворе (феррите, аустените). Элементы второй группы частично растворяются в твердом растворе и частично идут на образование карбидов.
Карбидообразующие элементы обладают большим, чем железо, сродством к углероду. По возрастанию сродства к углероду, а, следовательно, устойчивости карбидных фаз, карбидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Nb-Zr-Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он растворяется в аустените и выделяется при отпуске.
При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве легирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в цементите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легированный цементит, например, (FeMn)3C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются специальные карбиды типа Сr7С3, Mn3Cи др.
По строению кристаллической решетки различают карбиды двух типов. К карбидам первой группы относятся Fe3C, Mn3C, Сr7С3, Cr23C6. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с образованием твердого раствора легирующих элементов в аустените.
Карбиды второй группы Mo2C, WC, TiC имеют простые кристаллические решетки. Они характеризуются большей прочностью и распадаются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды обладают высокой твердостью, но твердость карбидов второй группы несколько выше твердости карбидов первой группы. С повышением дисперсности карбидов растет твердость и прочность стали.
При введение легирующих добавок температурный интервал мартенситного превращения изменяется, что отражается на количестве остаточного аустенита в закаленной стали (рис. 4).
Рисунок 4 – Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1,0 % углерода
Алюминий и кобальт повышают мартенситную точку и снижают количество остаточного аустенита, но большинство легирующих элементов (марганец, молибден, хром) снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита, что ухудшает качество стали после закалки [6].
Легирующие элементы увеличивают устойчивости переохлажденного аустенита. С-образные области на изотермических и термокинетических диаграммах сдвигаются вправо по оси времени (увеличивается устойчивость переохлажденного аустенита). В целом увеличение устойчивости переохлажденного аустенита повышает прокаливаемость легированных сталей. Введение отдельных элементов, например, бора 0,001–0,005 %, может увеличить прокаливаемость в десятки раз.
3.2 Влияние легирующих элементов на свойства сталей
Влияние основных легирующих элементов на физико-механические и другие свойства сталей представлено в табл. 2.
Таблица 2 – Влияние легирующих элементов на свойства сталей
Легирующий
элемент Свойства стали
Хром повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность; увеличивает коррозионную стойкость; содержание хрома в количестве более 13 % делает сталь нержавеющей;
Никель придает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность; · увеличивает прокаливаемость; · оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения
Вольфрам образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость; · препятствует росту зерен при нагреве; · способствует устранению хрупкости при отпуске
Ванадий · повышает твердость и прочность; · измельчает зерно; · увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем
Кремний в количестве свыше 1 % увеличивает прочность, при сохранении вязкости; при большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость; · увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость
Марганец · при содержании свыше 1 % увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности
Кобальт повышает жаропрочность, магнитные свойства; сопротивление удару
Молибден увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение; повышает антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах
Титан повышает прочность и плотность стали; · раскисляет сталь и способствует измельчению зерна; улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии
Ниобий улучшает кислостойкость; способствует уменьшению коррозии
Алюминий способствует измельчению зерна; повышает жаростойкость и окалиностойкость
Медь увеличивает антикоррозионные свойства стали
Цирконий измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью
На рис. 5 показано влияние легирующих элементов на твердость и ударную вязкость сталей [7].
Рисунок 5 – Влияние легирующих элементов на твердость (а)
и ударную вязкость (б) сталей
Наиболее сильно упрочняют феррит марганец и кремний. Они же, а также молибден и вольфрам наиболее существенно снижают его вязкость. Хром уменьшает вязкость значительно слабее из перечисленных элементов, а никель практически не снижает вязкости феррита.
Важное значение имеет влияние легирующих элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Введение хрома способствует незначительному повышению порога хладноломкости, тогда как никель способствует его интенсивному снижению, уменьшая тем самым склонность железа к хрупкому разрушению при отрицательных температурах (рис. 6) [8].
Рисунок 6 – Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости сталей
4 Особенности термической обработки легированных сталей
Легирование, изменяя скорости и температуру превращений, а также тепловые свойства стали, существенно влияет на режимы термической обработки. Основные особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются в следующем:
нагрев изделий производится с меньшей скоростью в связи с уменьшением теплопроводности сталей. Пониженная теплопроводность увеличивает перепад температур по сечению изделий, а, следовательно, повышает и напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование [9];
температура нагрева для получения аустенита при введении карбидообразующих элементов повышается. Труднорастворимые карбиды сдерживают рост зерна аустенита и сохраняют его мелкозернистое состояние;
охлаждение изделий возможно со значительно меньшей скоростью, так как процесс распада переохлажденного аустенита замедляется. Уменьшение критической скорости закалки позволяет охлаждать изделия в более мягком охладителе, что уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин;
увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении [10].
5 Достоинства и недостатки легированных сталей
Преимущества легированных сталей по сравнению с углеродистыми обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому, как правило, из них изготовляются детали, подвергаемые термической обработке.
Достоинства легированных сталей:
- в термически обработанном состоянии (закалка + отпуск) все легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям по сравнению с углеродистыми сталями при равном содержании углерода;
- большинство легирующих элементов стабилизируют аустенит (увеличивают его устойчивость). В связи с этим при прочих равных условиях прокаливаемость легированных сталей выше, чем углеродистых. Поэтому нагруженные детали крупного сечения следует изготавливать из легированной конструкционной стали, выбирая при этом сталь такого состава, которая в заданном сечении прокаливается насквозь [10];
- в связи с тормозящим действием легирующих элементов на распад аустенита выявляется и другая положительная особенность легированных сталей – возможность применения при закалке «мягких» охладителей (масла). Закалка в масле в значительной степени снижает брак по закалочным трещинам и короблению. Поэтому при необходимости проведения термической обработки изделий сложной форм, даже когда эти изделия имеют небольшое сечение, применение легированных сталей предпочтительно, так как уменьшается вероятность брака;
- после закалки и отпуска за счет легирования (особенно никелем) повышается запас вязкости и сопротивления хладноломкости легированной стали, вследствие чего увеличивается эксплуатационная надежность деталей машин.
Однако легированные стали имеют и специфические недостатки [11]:
- многие легированные стали подвержены обратимой отпускной хрупкости;
- в высоколегированных сталях после закалки имеется повышенное количество остаточного аустенита, что снижает твердость, сопротивление усталости;
- легированные стали больше углеродистых сталей склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Поэтому при кристаллизации дендриты обедняются легирующими элементами, междендритный материал обогащается ими. После ковки, прокатки таких сталей образуется характерная строчечная структура и увеличивается неоднородность свойств стали вдоль и поперек направления деформирования. Сталь с такой структурой обладает также плохой обрабатываемостью резанием;
- легированные стали, будучи прочными, по сравнению с углеродистыми, в большинстве случаев при равном содержании углерода имеют худшую обрабатываемость резанием. Это же затрудняет обработку давлением легированных сталей. Результат ликвации сказывается и после термической обработки стали;
- весьма опасным пороком легированных сталей являются флокены (особенно в сталях, легированных никелем). Флокены представляют собой светлые пятна в изломе. В поперечном сечении флокены обнаруживаются в виде мелких трещин с различной ориентацией. Причиной возникновения флокенов является выделение водорода, растворенного в стали. Мерами борьбы с флокенами являются уменьшение содержания водорода в стали при ее выплавке и медленное охлаждение слитков в области температур флокенообразования (от 200°С и ниже), а также изотермический отжиг слитков. Сталь, в которой флокены уже образовались, можно исправить прокаткой или ковкой заготовки на более мелкие сечения. При горячей обработке давлением флокены свариваются;
- легированные стали дороже углеродистых. Стали, содержащие никель, кроме того, являются дефицитными.
Заключение
В данной работе рассмотрены основные принципы легирования сталей.
Установлено, что целенаправленное введение легирующих элементов позволяет изменять в заданном направлении структуру и, соответственно, механические и физико-химические свойства сталей.
В качестве легирующих элементов наиболее часто применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан, ниобий, цирконий, бор, медь, азот и др.
В работе изучены классификация легированных сталей по химическому составу, назначению и структуре, а также принципы маркировки.
Подробно рассмотрено влияние легирующих элементов на физико-механические и другие свойства сталей.
Также изучены особенности термической обработки, обусловленные введением в сталь легирующих элементов.
Список использованных источников
1. Адаскин, А.М. Материаловедение и технология металлических, неметаллических и композиционных материалов: Учебник / А.М. Адаскин, А.Н. Красновский. - М.: Форум, 2018. - 592 c.
2. Богодухов, С. Материаловедение: Учебник / С. Богодухов. - М.: Машиностроение, 2015. - 504 c.
3. Солнцев, Ю.П. Материаловедение: Учебник / Ю.П. Солнцев. - М.: Академия, 2018. - 336 c.
4. Моряков, О.С. Материаловедение: Учебник / О.С. Моряков. - М.: Academia, 2019. - 200 c.
5. Дедюх, Р.И. Материаловедение и технологии конструкционных материалов. технология сварки плавлением.: Учебное пособие для прикладного бакалавриата / Р.И. Дедюх. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 169 c.
6. Арзамасов, В.Б. Материаловедение: Учебник / В.Б. Арзамасов. - М.: Academia, 2019. - 224 c.
7. Пожидаева, С.П. Материаловедение: Учебник / С.П. Пожидаева. - М.: Academia, 2018. - 448 c.
8. Колесник, П.А. Материаловедение на автомобильном транспорте: Учебник / П.А. Колесник. - М.: Академия, 2019. - 272 c.
9. Дмитренко, В.П. Материаловедение в машиностроении: Учебное пособие / В.П. Дмитренко, Н.Б. Мануйлова. - М.: Инфра-М, 2017. - 560 cБондаренко, Г.Г. Материаловедение: Учебник для бакалавров / Г.Г. Бондаренко, Т.А. Кабанова, В.В. Рыбалко. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 359 c.
10. Шубина, Н.Б. Материаловедение: Учебник / Н.Б. Шубина. - М.: КноРус, 2018. - 94 c.
11. Груздев, В.С. Материаловедение: Учебник / В.С. Груздев. - М.: Academia, 2019. - 432 c.