- •Конспект лекций
- •1.1.2. Классификация легирующих элементов
- •1.1.3. Маркировка легированных сталей
- •1.1.4. Примеси в сталях
- •Газы в стали
- •1.2. Фазы в легированных сталях
- •1.2.1. Твердые растворы на основе железа
- •Закономерности образования твердых растворов замещения
- •Закономерности образования твердых растворов внедрения
- •1.2.3. Влияние легирующих элементов на свойства феррита
- •1.2.4. Влияние легирующих элементов на свойства аустенита
- •1.2.5. Влияние легирующих элементов на термодинамическую активность углерода
- •1.2.6. Образование карбидов и нитридов
- •Карбиды и нитриды металлов IV - V групп (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta)
- •Карбиды и нитриды металлов IV, V групп – это фазы внедрения
- •Карбиды и нитриды металлов VI группы
- •Карбиды металлов VII группы (марганец)
- •Карбиды металлов VIII группы (железо)
- •Электронные соединения
- •Сигма-фазы
- •Фазы Лавеса
- •Геометрически плотноупакованные фазы
- •1.2.8. Неметаллические включения
- •1.2.9. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в железе
- •1.2.10. Влияние легирующих элементов на критические точки стали
- •2. Фазовые превращения в легированных сталях
- •2.1. Влияние легирующих элементов на образование аустенита при нагреве
- •2.1.1. Структурная перекристаллизация стали при полиморфном превращении
- •Исходная неупорядоченная структура
- •Исходная упорядоченная структура. Структурная наследственность в стали
- •2.1.2. Растворение карбидов и нитридов в аустените
- •2.1.3. Рост зерна аустенита при нагреве
- •2.2. Превращение переохлажденного аустенита
- •2.2.1. Влияние легирующих элементов на устойчивость переохлажденного аустенита
- •2.2.2. Влияние легирующих элементов на перлитное превращение
- •2.2.3. Влияние легирующих элементов на бейнитное превращение
- •3.1 Классификация специальных сталей
- •Конструкционные стали
- •3.2.1 Требования к конструкционным сталям
- •3.2.2 Механизмы упрочнения конструкционной стали
- •3.2.3 Строительные стали Требования, предъявляемые к строительным сталям
- •Углеродистые стали
- •Низколегированные строительные стали
- •Стали повышенной прочности
- •Высокопрочные стали
- •Стали с карбонитридным упрочнением
- •Малоперлитные стали
- •Бейнитные стали
- •Низкоуглеродистые мартенситные стали
- •Арматурные стали
- •Упрочняющие обработки, применяемые для строительных сталей
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •3.2.4 Машиностроительные конструкционные стали Общие требования к машиностроительным сталям и их классификация
- •Стали, применяемые для изготовления изделий методом холодной штамповки (глубокой вытяжки)
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Стали для цементации и нитроцементации
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Улучшаемые стали
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Пружинные стали
- •Классификация пружинных сталей
- •Применяемые стали общего назначения
- •Термическая обработка пружинных сталей общего назначения
- •Пружинные стали специального назначения
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •Подшипниковые стали
- •Основные требования к подшипниковым сталям
- •Классификация подшипниковых сталей
- •Легирование подшипниковых сталей
- •Термическая обработка деталей подшипников из сталей
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •3.3 Высокопрочные конструкционные стали
- •3.3.1 Легированные низкоотпущенные стали
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •3.3.2 Высокопрочные дисперсионно-твердеющие стали
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •3.3.3 Мартенситностареющие стали
- •Классификация мартенситностареющих сталей
- •Принцип легирования мартенситностареющих сталей
- •Достоинства и недостатки мартенситностареющих сталей
- •Термообработка мартенситностареющих сталей
- •Экономнолегированные мартенситностареющие стали
- •Области и перспективы применения мартенситностареющих
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •3.3.4 Метастабильные аустенитные стали (мас) Особенности мас
- •Использование мас для повышения стойкости деталей
- •Вопросы для самоконтроля
- •Литература
- •4. Инструментальные стали
- •4.1. Классификация инструментальных сталей
- •4.2. Стали для режущего инструмента
- •Углеродистые инструментальные стали
- •Легированные стали
- •Быстрорежущие стали
- •Твердые сплавы
- •4.2. Штамповые стали
- •Стали для инструмента холодного деформирования
- •Стали повышенной (высокой) износостойкости
- •Стали с высоким сопротивлением смятию
- •Высокопрочные стали с повышенной ударной вязкостью
- •Стали для инструмента горячего деформирования
- •5. Конструкционные стали специального назначения
- •5.1. Криогенные стали (стали для криогенной техники)
- •Аустенитные криогенные стали
- •Ферритные криогенные стали
- •5.2. Износостойкие стали
- •Кавитационностойкие стали с метастабильным аустенитом
- •5.3. Стали с повышенной обрабатываемостью резанием
- •5.4. Рельсовые стали
- •5.5. Коррозионностойкие стали и сплавы Основные понятия и определения.
- •Мартенсито-ферритные и мартенситные стали
- •Ферритные стали
- •Аустенитные стали
- •Аустенито - ферритные стали
- •Сплавы на железоникелевое и никелевой основе
- •5.6 Жаростойкие стали и сплавы
- •Хромистые и хромоалюминиевые стали ферритного класса
- •Стали мартенситного класса
- •Стали и сплавы аустенитного класса
- •5.7 Жаропрочные стали и сплавы
1.2.3. Влияние легирующих элементов на свойства феррита
Феррит – одна из основных фаз во многих сталях. В конструкционных сталях его доля составляет 95 %, поэтому значение свойств легированного феррита позволит правильно оценить общий уровень свойств сталей.
Легированный феррит представляет собой многокомпонентный твердый раствор по типу замещения и внедрения легирующих элементов и примесей в a-железе. Дислокационные теории упрочнения твердых растворов при легировании не дают для сплавов железа совпадения расчетов с экспериментом.
Эмпирически установлено, что количественная оценка упрочнения железа при легировании возможна на основе аддитивного вклада упрочняющего влияния отдельных легирующих элементов на свойства a-твердого раствора железа. Так, при одновременном легированииa-феррита атомами нескольких легирующих элементов их влияние на упрочнение может быть просуммировано:
,
где – коэффициент упрочнения феррита, представляющий собой прирост предела текучести при растворении в нем 1 % (по массе) i-того легирующего элемента;– концентрация i-того легирующего элемента, растворенного в феррите, % (по массе).
Значения Кiдля легирующих элементов, входящих в состав феррита приведены ниже:
Элемент |
С+N |
P |
Si |
Ti |
Al |
Cu |
Mn |
Cr |
Ni |
Mo |
V |
, МПа/1 % (по массе) |
4670 |
690 |
85 |
80 |
60 |
40 |
35 |
30 |
30 |
10 |
3 |
Необходимо отметить, что при оценке упрочнения феррита по приведенной формуле следует брать концентрацию легирующего элемента, растворенного в феррите, а не содержание этого элемента в стали.
На рис. 1.6 представлено влияние концентраций элементов замещения на свойства железа высокой чистоты. Эти данные показывают, что в области малых концентраций наибольшее упрочняющее влияние оказывает фосфор, тогда как хром, находящийся в феррите, в наименьшей степени упрочняет железо.
При образовании твердых растворов замещения атомы легирующих элементов образуют симметричные искажения решетки -железа. Упрочнение происходит за счет создания локальных внутренних напряжений при замещении атомов железа атомами легирующих элементов с другими размерами. Чем больше разность атомных радиусов железа и растворенного в нем легирующего элемента, тем больше прочность феррита при всех прочих равных условиях.
Рисунок 1.6 – Зависимость предела текучести железа от содержания легирующих элементов замещения |
Рисунок 1.7 – Зависимость предела текучести железа от размера зерна |
Наибольшее упрочняющее действие на феррит оказывают элементы, образующие твердых растворы внедрения (С, N).
Упрочнение феррита за счет растворенных атомов внедрения на 1-2 порядка больше, чем при растворении в феррите атомов замещения. Прочность феррита сильно зависит от диаметра зерна d. Эта зависимость определяется соотношением Холла-Петча:
Т=i+ Kyd–1/2,
где i– напряжение трения или предел текучести в отсутствии сопротивления со стороны границы, т.е. предел текучести монокристалла; Ky– коэффициент, характеризующий вклад границ в упрочнение; d – диаметр зерна феррита.
В графическом выражении зависимости Т= f (d–1/2) (рис. 1.7)iпредставляет собой отрезок, отсекаемый на оси ординат при d–1/2= 0 (d =), а Kyхарактеризуется тангенсом угла наклона прямолинейной зависимости.
Значение sт, феррита будет зависеть от твердорастворного упрочнения, плотности дислокации, наличия дисперсных частиц, а Куот наличия примесей внедрения в твердом растворе, блокировки дислокации примесями, угла разориентировки границ. Для низкоуглеродистых сталей, феррита технической чистоты значения Кусоставляет 0,57-0,73, а для железа высокой чистоты 0,16-0,19 МПа∙м.
Таким образом, чем меньше размер зерна, тем выше должна быть прочность феррита. Эффективность зернограничного упрочнения определяется степенью измельчения зерна.
Важнейшей характеристикой стали является значение порога хладноломкости Тхлили температуры перехода Тприз вязкого в хрупкое состояние, характеризующее склонность стали к хрупкому разрушению.
Можно связать критическую температуру перехода из вязкого в хрупкое состояние Тпрс размером зерна d:
Тпр= А – В∙lnd–1/2,
где А и В – коэффициенты, мало зависящие от температуры.
Уравнение дает линейную зависимость Тпрот lnd–1/2. Такая зависимость в настоящее время получена экспериментально для феррита многих сталей (рис. 1.8).
Таким образом, измельчение зерна не только упрочняет феррит (зернограничное упрочнение), но и понижает температуру вязко-хрупкого перехода Тпр, т.е. повышает его сопротивление хрупкому разрушению.
Многочисленные исследования легированного феррита показывают, что собственно упрочнение феррита при легировании отрицательно сказывается на склонности его к хрупким разрушениям. Однако влияние легирующих элементов на температуру перехода индивидуально.
|
Рисунок 1.8 – Зависимость температуры перехода Тпржелеза от размера зерна (Петч)
|
На рис. 1.9 приведены данные по влиянию марганца, кремния, хрома, ванадия и никеля на порог хладноломкости железа Т50. В области малых концентраций легирующих элементов замещения температура перехода несколько снижается, а при большем их содержании заметно повышается. Концентрация легирующих элементов, до которой понижается порог хладноломкости феррита для ванадия и хрома, составляет <1 %, для кремния <0,8 %, для марганца <2%; в реальных сталях эти значения будут другими. Никель в отличие от других легирующих элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хладноломкости. Это происходит потому, что никель уменьшает блокировку дислокаций примесными атомами, т.е. увеличивает подвижность дислокаций.
Легирующий элемент, %
Рисунок 1.9 – Влияние легирующих элементов на температуру перехода Т50железа