34. Причины введения легирующих элементов в сталь. Распределение легирующих элементов в стали. Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа.

А) Б)

Простые углеродистые стали далеко не всегда удовлетворяют требованиям техники. В промышленности широко применяются легированные стали, которые обладают высокими механическими или особыми физическими и химическими свойствами, приобретаемыми после соответствующей термической обработки. Легированными наз-тся стали, в которые для получения требуемых свойств специально добавляются определенные количества необходимых элементов.

Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден и др. Влияние ЛЭ на полиморфизм Fe: Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций, т.е. сдвигают точки А₃ и А₄ по температурной шкале. Большинство элементов или повышают температуру А₄ и снижают температуру А₃, расширяя область существования γ-модификации (А), или понижают А₄ и повышают А₃, сужая область существования α -модификации ( Б). При содержании марганца, никеля свыше определенного количества (А) γ-состояние существует как стабильное от температуры плавления до комнатной температуры. Такие сплавы на основе железа наз-тся аустенитными. При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов свыше определенного значения (d) устойчивым при всех температурах является α-состояние ( Б). Такие сплавы на основе железа называются ферритными. Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений при нагревании и охлаждении. Распределении ЛЭ в стали: В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут: 1). находиться в свободном состоянии: свинец, серебро, медь (если ее не более 1%) не образуют соединения и не растворяются в железе; 2). образовывать интерметаллические соединения с железом или между собой при большом содержании легирующих элементов, встречаются, в основном, в высоколегированных сталях; 3). образовывать окислы, сульфиды и другие неметаллические включения - элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо; 4). растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы. 5). растворяться в железе - большинство легирующих элементов, кроме С, N, О, В и металлоидов. Элементы, расположенные в периодической системе правее железа (Сu, Ni, Сo и др.) образуют только растворы с железом и не входят в карбиды. Т.о., ЛЭ преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов - феррите и аустените, а также цементите или образуют специальные карбиды.

35. Влияние легирующих элементов на аустенитное и мартенситное превращения, на упрочнение феррита, на превращения при отпуске стали. Упрочнение Ф: Растворение легирующих элементов в α-железе происходит путем замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы ЛЭ, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров α-решетки вызывает и изменение свойств феррита. Хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита. Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям. Распад А: Кинетика распада А определяет поведение стали при ТО. ЛЭ, которые только растворяются в Ф или Ц, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения, За исключением Со, который ускоряет превращение, все элементы замедляют его (Mn, Ni и другие). Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. ЛЭ при разных температурах по-разному влияют на скорость распада А: 700 - 500 °С ( образование перлита) - замедляют превращение; 500 - 400°С - весьма значительно замедляют превращение; 400 - 300 °С (образование бейнита) - ускоряют превращение. Практически наиболее важной является способность ЛЭ замедлять скорость распада А в районе перлитного превращения, что выражается в смещении вправо линии на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению А до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например, при охлаждении в масле или на воздухе. Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость хром, никель, молибден, марганец, поэтому они входят в состав большинства конструкционных легированных сталей. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение: ЛЭ, не влияя на кинетику мартенситного превращения, оказывают влияние на положение температурного интервала мартенситного превращения, что отражается на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (Аl, Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита. 5 % Мп снижает мартенситную точку до 0 °С, следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирующего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске: Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют незначительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) - весьма заметно. Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.

36. Классификация и маркировка легированных сталей. I. по структуре после отжига:

А) Б) В)

1). доэвтектоидные стали (Ф+П); 2). эвтектоидные стали (П); 3). заэвтектоидные стали (П+карбиды); 4). ледебуритные стали (А+карбиды); 5). аустенитные (А); 6). ферритные (Ф). II. по структуре после нормализации: 1). перлитные А). 2). мартенситные Б). 3). аустенитные В). III. по хим. составу (по содержанию основного элемента): 1). хромистые. 2). марганцовистые. 3). хромо-никелевые. IV. по назначению: 1). конструкционные: 1.1). строительные. 1.2). цементуемые. 1.3). улучшаемые. 2). инструментальные: для изготовления штампового, режущего, измерительного инструмента. 3). стали и сплавы со спец. св-ами: 3.1). жаропрочные. 3.2). корозионностойкие. Каждый легирующий элемент обозначается буквой:

Н - никель; X - хром; К-кобальт; М - молибден; Г - марганец;

Д - медь; Р - бор; Б - ниобий; Ц - цирконий; С - кремний;

П - фосфор; В - вольфрам; А - азот; Ф - ванадий; Ю – алюминий,

Ч - редкоземельные металлы.

Первые цифры в обозначениях показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в целых процентах (при содержании элемента менее или около 1 % цифра отсутствует).

Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S < 0,03 %; Р < 0,03 %), а также, что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставятся буква А. Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержат 0,20 %С, 1%Cr; 3 %Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная. В инструментальных сталях одна цифра в начале марки указывает на содержание углерода в десятых долях процента. При содержании в сталях 1 %С или более начальную цифру опускают. Например, в стали ХВ5 содержится более 1 %С, ~ 1 %Cr и 5 %W. В обозначении некоторых групп сталей допускаются отступления от ГОСТов. Например, сталь ШХ15 - шарикоподшипниковая, в которой цифра 15 показывает содержание основного легирующего элемента Cr - 1,5 %. В этой, стали ~ 1 %С, а также имеется Мn и Si . Сталь PI8 - быстрорежущая, в которой цифра 18 показывает среднее содержание вольфрама - 18 %. В этой стали 0,7 - 0,8 %С, ~ 4 % Cr, а также имеется Мо и V.

37. Конструкционные легированные стали. Строительные, цементуемые и рессорно-пружинные стали их термообработка, структура, свойства, применение. Конструкционные ЛС - стали применяемые для изготовления деталей машин, строительных конструкций и др. сооружений должны иметь высокий комплекс мех-их св-в, а не 1 св-во. Конструкционная прочность – это комплекс мех-их св-в обеспечивающих надежную и длительную работу в условиях эксплуатации. Строительные стали: данная сталь обладает низким порогом хладоломкости , технологичностью, хорошей сваримостью, достаточной прочностью, а так же высокими значениями вязкости и пластичности. В строительных сталях содержание С не превышает 25%. Основное св-во для стр-ой стали считается свариваемость. При сварке должно получаться плотное и равнопрочное соединение со стальным изделием. В сварном шве различают

несколько зен: 1 – шев; 2 – околошевная зона (в процессе сварки нагрев происходит выше крит-их точек); 3 – околошевная зона (нагрев ниже крит-их точек); 4 – основной Ме. В переходной зоне происходят процессы связанные с укрупнением зерна А. Поэтому для ответственных конструкций после сварки проводят ТО (закалка+отпуск). Хорошей сваримостью обладают низколегированные и низкоуглеродистые стали марок: 14Г2, 17ГС. Цементуемые стали: для изготовления таких деталей как зубчатые колеса, валы коробок передач и т.д. применяются низкоуглеродистые стали содержащие до 0,3% С. Цементуемые стали низкой прочности (750-900 МПа), марки: 10Х, 15Х; высокой прочности (1100-1300 МПа): 18ХГТ, 12ХН3.Марку стали выбирают в зависимости от размеров и конфигурации детали, чем больше d, тем больше ЛС. Контролирующем параметром ТО (закалка+низкий отпуск) применяемой для Цем-ой стали, является твердость на пов. 58-62 HRC, серд. 15-30 HRC. Рессорно-пружинные стали: содержание С в данных сталях 0,5-0,7% они подвергаются закалке и среднему отпуску, в результате структура тростит. В результате такой обработки сталь имеет мах предел упругости. Марки: 60Г, 60СГ.

38. Шарикоподшипниковые и высокомарганцовистые износостойкие стали. Применяемые виды термообработки. Получаемые структура и свойства. Применение. Шарикоподшипниковая сталь служит для изготовления деталей подшипников качения (колец, роликов, шариков), которые испытывают большое количество циклов высоких контактных напряжений, а вследствие проскальзывания происходят значительное местное истирание. Поэтому к стали для изготовления подшипников предъявляются требования мах сопротивления контактной усталости и истиранив. Эти требования удовлетворяются, когда сталь обладает высокой твердостью и малым количеством металлургических дефектов. Количество хрома и других ЛЭ в стали определяется необходимой прокаливаемостью. ТО стали заключается в неполной закалке (так как по структуре в равновесном состоянии сталь - заэвтектоидная) в масле с температуры 830-840 °С и последующем низком отпуске при 50-180 °С в течение 1-2 часов, что обеспечивает получение твердости не ниже 62 HRC. Структура после ТО представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными избыточными карбидами. Износостойкая сталь: устойчивость против износа достигается обычно получением высокой поверхностной твердости. Однако имеется аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровождаемого большим удельным давленлем при низкой твердости (НВ 2000-2500) обладает высокой износостойкостью. Это так называемая сталь Гадфильда (110Г13Л). Сталь применяют в литом (буква Л в обозначении) реже - в горячедеформированном виде. Структура стали после литья состоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мп)₃С, выделяющихся по границам зерен, что снижает прочность и вязкость стали. В связи с этим литые изделия подвергают закалке, состоящей в нагреве до температуры 1050-1100 °С с последующим охлаждением в воде. При таком высокотемпературном нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалка приобретает более устойчивую аустенитную структуру. Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими механическими характеристиками (вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности). При низкой твердости сталь Гадфильда обладает необычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и ударами. Это объясняется повышенной способностью к наклепу, значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью. Высокая упрочняемость стали Гадфильда есть результат наклепа (искажение кристаллической решетки, дробление блоков мозаики). При равной степени деформации блоки мозаики в стали Гадфильда дробятся в большей степени, чем в других, в том числе и аустенитных сталях. Высокая вязкость аустенита, наряду с достаточной прочностью и износоустойчивостью, делает сталь 110Г13Л незаменимым материалом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали изготавливают зубья черпаков экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие, где трение сопровождается ударами и большими давлениями.

39. Конструкционные улучшаемые легированные стали, их свойства, термообработка, применение. Дефекты легированных сталей. Улучшаемая сталь: введение хрома способствует уменьшению критической скорости закалки, а следовательно, улучшению прокаливаемости. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что уменьшает деформацию изделий и опасность образования трещин. При охлаждении в масле сталь улучшаемая сталь позволяет получить сквозную прокаливаемость до диаметра 20 мм (сталь 40 - до 10 мм). Применяется улучшаемая сталь для изготовления средненагруженных машиностроительных деталей небольших сечений (валов, штоков, шатунов и т.п.). ТО улучшаемой стали заключается в улучшении: закалка с температуры 860 °С с охлаждением в масле и высокий отпуск при температура 500-600°С с охлаждением в воде, а для мелких деталей в масле. Сталь склонна к отпускной хрупкости II рода, устранение которой требует быстрого охлаждения с температуры высокого отпуска. После отжига (в равновесном состоянии) сталь имеет структуру, состоящую из феррита и перлита. В ТО стали структура состоит из продукта распада мартенсита - сорбита. Улучшение обеспечивает высокий комплекс механических св-в. Дефекты легированных сталей: 1). дендритная ликвация (неоднородное распределение кристаллов). Устронение – отжиг. 2). флокины (разновидность трещин). 3). отпускная хрупкость. Снижение в стали после отпуска пластичности и вязкости. Существует отпускная хрупкость I и II рода. Отпускная хрупкость I рода происходит при t 300°С происходит неоднородный распад М, распад протекает по границам зерен М. II рода наблюдается при t 500°С, если сталь медленно охлаждать то происходит снижение вязкости. ОХ I рода не обратима. ОХ II рода устраняется если сталь охлаждается быстро или введением Mo и V в кол-ве 0,3-0,7%.

40. Виды коррозии. Основные принципы создания коррозионно-стойких сталей. Хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали, их структура и термическая обработка. Коррозия – это разрушение материала под воздействием окружащей среды. Виды: 1). химическая. При химической коррозии процесс окисления поверхности наиболее интенсивно протекает при повышении t. 2). электрохимическая – процесс протекающий в жидких электролитах. Разновидности ЭХК: атмосферная, морская, почвенная, щелочная, кислотная. 3). биохимическая – процесс происходящий под воздействием различных микроорганизмов. Характеры коррозии:

1). общая кор-ия: 1.1). равномерная; 1.2). неравномерная. 2). местная кор-ия: 2.1). точечная; 2.2). пятнистая. 3). межкристаллитная. Стали устойчивые против ЭХК наз-ся коррозионностойкие. Данные стали должны иметь положительный электрохимический потенциал и желательно однофазное строение. Введение в сталь 13% Cr и более повышает электрохимический потенциал Fe. Хромистые стали: хромистые нержавеющие стали применяются 3 видов: 13, 17, 27 % Cr. кроме того стали содержащие 17, 27 % Cr имеют добавки Ti и Ni. В зависимости от содержания С различают структурные классы: 1). ферритные; 2). мартенситно-ферритные; 3). мартенситные. Кор. стойкость стали повышается за счет ТО: закалка 1000-1500°С + высокий отпуск (700-800°С) для мартенситного класса t отпуска 200-300°С. Хромоникеливые стали: введение достаточного кол-ва Ni в сталь содержащую больше 13% Cr переводит ее в однофазное аустенитное состояние, что дополнительно повышает кор. стойкость и улучшает мех-ие св-ва. CrNi стали подразделяются на: 1). аустенитный класс; 2). аустенитно-мартенситный класс; 3). аустенитно-ферритный класс. В CrNi сталях могут образовываться карбиды Cr23C6, что приводит к охрупчиванию стали и появлению межкристаллической коррозии. Устранению этой коррозии способствует введение Ti и необия, обладающих большим сродством к С, чем к Cr. в результате этого образовываются карбиды TiC и NbC. ТО увеличивает кор. стойкость: закалка 1050-1100°С, отпуск не проводится.

41. Стали и сплавы, применяемые при повышенных температурах. Жаростойкие стали. Способы повышения жаростойкости. Свойство материала сопротивляться химическому действию окружающей среды при высоких t наз-тся жаростойкостью. Сплавы на основе Fe при t выше 570°С интенсивно окисляются, т.к. на пов. образуется FeO. Для повышения окалиностойкости в состав стали вводят элементы, которые имеют большее сродство к кислороду, чем Fe, и образуют с кислородом оксиды с плотным строением к/р. Такими элементами являются Cr, Si, Al. Степень легированности стали для предотвращения интенсивного окисления зависит от t. В качестве жаропрочных сплавов можно отметить перлитные, мартенситные, аустенитные, никеливые, кобальтовые, тугоплавкие Ме. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе W.

42. Стали и сплавы, применяемые при повышенных температурах. Особенности поведения сплавов в условиях постоянной нагрузки при повышенных температурах. Характеристика жаропрочных сплавов. Пути повышения жаропрочности. Жаропрочность – это способность материала противостоять мех-им нагрузкам при повышенных t. Жаропрочные стали – это стали обладающие повышенными мех-ими св-ами при высоких t. Напряжение которое вызывает

разрушение материала при повышенных t сильно зависит от времени приложения нагрузки по этому прочность Ме при повышенных t опр.: t и временем. Если при высокой t нагрузить Ме постоянно действующем напряжением, даже ниже предела текучести при данной t и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течении всего времени действия t и нагрузки будет деформироваться с опр. скоростью. Данное явление ползучесть. ОА – участок упругих деформаций; АВ – участок не

установившейся ползучести; ВС – участок установившейся ползучести; CD – участок ускоренной ползучести; D – разрушение. Критерии жаропрочности: 1). предел ползучести – это напряжение под которым материал деформируется на опр. величину при заданной t. 2). предел длительной прочности – это напряжение которое вызывает разрушение материала при заданной t за опр. время. В процессе ползучести происходит 2 взаимно конкурирующих процесса: 1). процесс упрочнения под действием пластической деформации; 2). процесс разупрочнения под действием приложенной t. Явление ползучести наблюдается при t выше t рекристаллизации и при напряжении выше предела текучести. Факторы способствующие жаропрчности: 1). Tпл; 2). Tрек; 3) выделение мелкодисперсных частиц; 4). тип к/р; 5). упрочнение границ зерен, которое достигается за счет выделения ЛЭ в малых кол-ах.

43. Инструментальные стали, их классификация, структура и термическая обработка. Твердые сплавы для режущего инструмента. Инструментальные стали – это стали имеющие высокую твердость, прочность, износостойкость и применяемые для изготовления режущего, штампового и измерителного инструмента. Одна из основных особенностей ИС высокая теплостойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость при длительном нагреве. Для увеличения прокаливаемости в стали добавляют Cr и Mn, отпускную хрупкость устраняют W и Mo. ИС подразделяются на: 1). стали пониженной прокаливаемости. Обеспечивают сохранение вязкости в сердцевине инструмента. Это стали с малым кол-ом ЛЭ и все углеродистые ИС. ТО состоит в закалке (в зависимости от стали полная или на полная) + низкий отпуск. 2). стали повышенной прокаливаемости. Стали содержащие 1-3% ЛЭ. Инструмент из этих сталей закаливается маслом и прокаливается насквозь. Делятся на: а). обычные легированные ИС содержащие 1-1,5% Cr. б). с повышенным содержанием Mn; в). легированные W. 3). штамповые стали. Делятся на: а). для деформирования в холодном состоянии. ТО закалка в масло + высокий отпуск. 2). стали для штампов горячего деформирования. ТО закалка в масло и последующий отпуск при 500-580°С. Получается структура тросто-сорбит. 4). быстро режущие. Из-за низкой теплопроводности ЛЭ быстро режущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами 450 и 850°С. Высокая t нагрева 1280°С, после выдержки медленное охлаждение + 3-х кратный отпуск. Твердыми наз-ся изготовленные методами порошковой металлургии и состоящие из карбидов тугоплавких Ме, соединенных кобольтовой связкой. Тв. сплавы производят в виде пластин. Применяют 3 группы тв.сплавов: 1). вольфрамовые. сплавы группы ВК. 2). титано-вольфрамовые. Группы ТК. 3). титано-вольфрамо-танталовые. Группы ТТК.