29

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСІТЕТ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ

ДО КУРСУ „ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ЛЕГУВАННЯ (для студентів спеціальності 7.090412 “Термічна обробка металів”)

Розглянуто на засіданні кафедри „Фізичне матеріалознавство”

Протокол № від 2004 р.

Затверджено на засіданні навчально-видавницької ради ДонНТУ

Протокол № від 2004 р

Донецьк ДонНТУ – 2004

УДК 669.14.018

Конспект лекцій до курсу “Теоретичні основи легування” (для студентів спеціальності 7.090412 „Термічна обробка металів”) / Уклад.: В.Г.Онопрієнко, Донецьк: ДонНТУ,-2004

Рассмотрены принципы легирования и научные основы создания различных групп сталей. Систематизированы легирующие элементы, закономерности образования и поведения различных фаз в легированных сталях и влияние легирующих элементов на фазовіе превращения.

Укладач: Н.Т. Єгоров, доц.

Рецензент:

Відповідальний за випуск: Н.Т. Єгоров, доц.

ЗМІСТ

ВСТУП. ЗНАЧЕННЯ ЛЕГОВАНИХ СТАЛЕЙ У СУЧАСНІЙ ТЕХНІЦІ І ПРОМИСЛОВОСТІ 5

1. ЛЕГУЮЧІ ЕЛЕМЕНТИ І ДОМІШКИ 6

1.1.Легування, мікролегування і модифікування 6

1.2 Маркірування сталей 7

1.3 Класифікація легуючих елементів по впливу на α- і γ-області 9

1.3.1. Легуючі елементи, що розширюють γ-область 10

1.3.2. Легуючі елементи, що звужують γ-область 12

1.4. Вплив легуючих елементів на критичні крапки сталі 13

1.4.1 Вплив на температуру евтектоідного перетворення 13

1.4.2 Вплив на концентрацію вуглецю в крапках S і E 14

2. ФАЗИ В ЛЕГОВАНИХ СТАЛЯХ 15

2.1. Карбідна фаза в легованій сталі 15

2.1.1. Умови карбидоутворення 15

2.1.2. Кількісний склад карбідної фази 18

2.1.3 Розчинні і нерозчинні карбіди 19

2.1.4 Дисперсійне твердіння 20

2.1.5 Вплив надлишкових карбідів 20

2.2. Тверді розчини в легованих сталях 21

2.2.1. Взаємна розчинність компонентів у сталі 21

2.2.2. Тверді розчини заміщення 21

2.2.3. Тверді розчини впровадження 22

2.3. Структура і властивості легованого фериту 23

2.4. Структура і властивості легованого аустеніту 25

2.4.1 Легування стабільного аустеніту 25

2.4.2. Легування метастабільного аустеніту 27

2.5 Термодинамічна активність вуглецю в залізі 27

Вступ. Значення легованих сталей у сучасній техніці і промисловості

Виробництво металевих матеріалів займає ведуче місце у формуванні сукупного внутрішнього валового продукту в Україні.

Серед металевих матеріалів виробництво чавуна і сталі відіграє чільну роль. Зважаючи на те, що чавун у більшості випадків є напівфабрикатом при виробництві сталі, ми в курсі теоретичних основ легування приділимо сталям основну увагу.

Відомо, що промисловість України й інших країн СНД відрізняється високою матеріалоємністю, немає такої галузі господарства, у якій масово б не застосовувалися сталеві вироби. Сталь має відносно високі міцність, пластичність і в'язкість, можливість здобувати такі спеціальні характеристики як корозійна стійкість, підвищена оброблюваність різанням, специфічні магнітні властивості і т.п.

Зниження материало- і металоємності машин і механізмів, будівельних конструкцій і іншої техніки можливо двома шляхами: оптимізацією конструктивних рішень (в основному, призначенням спеціальних профілів виробів) або підвищенням міцностних властивостей сталей.

До сучасних матеріалів пред'являються усе більш високі вимоги. В основному - це збільшення міцностних характеристик при збереженні достатньої пластичності і в'язкості. В остаточному підсумку, підвищення міцностних властивостей дає економію енергоресурсів, палива і трудових витрат.

Як відомо, властивості матеріалу визначаються його структурою. Такі властивості як міцність, пластичність, в'язкість, а також експлуатаційні властивості (зносостійкість, магнітні властивості і т.п.) залежать від структури сталі. Структуру сталі формують в основному такі фази як феррит, аустеніт, мартенсит і карбіди (цементит). Хімічний склад цих фаз, їхня кількість, розташування в структурі й інші особливості визначають властивості сталі.

Змінити структуру сталі можна трьома способами:

- легуванням;

- пластичним деформуванням;

- термічною обробкою.

Широко використовуються комбінації цих способів (термомеханічна обробка, хіміко-термічна обробка, хіміко-термомеханічна обробка й ін.).

1. Легуючі елементи і домішки

1.1.Легування, мікролегування і модифікування

Леговані сталі - сплави на основі заліза, у хімічний склад яких спеціально введені легуючі елементи, що забезпечують при визначених способах виробництва та обробки необхідні структуру і властивості.

Основними легуючими елементами в сталі є: Mn, Si, Сг, Ni, Мо, W, Co, Cu, Ті, V, Zr, Nb, А1, В. Зміст легуючих елементів у сталі може коливатися від тисячних часток відсотка до десятків відсотків.

Домішки - хімічні елементи, що перейшли до складу сталі в процесі її виробництва як технологічні добавки або частина шихти. Зміст домішок звичайно обмежується:

Мn ≤0,8%; Si≤ 0,4%; Сr ≤ 0,3%; Nі ≤ 0,3%; Сu ≤0,3%; P ≤ 0,025-0,040%; S ≤

0,015-0,050%.

Як видно, домішками і легуючими елементами можуть бути ті самі елементи. Віднесення їх до той або іншій ознаки залежить від кількості і ролі, що вони грають у сталі.

Кількість домішок у сталі істотно залежить від способу її виробництва (табл. 1.1).

Спосіб виплавки	Кількість, % мас.
	S	Р	О	N	H
Киснево- конверторний	0,020-0,030	0,020-0,030	0,005-0,008	0,002-0,005	0,0001-0,0005
Мартенівський	0,025-0,035	0,025-0,035	0,005-0,008	0,003-0,007	0,0002-0,0007
В електропечі	0,010-0,020	0,010-0,020	0,002-0,004	0,007-0,015	0,0004-0,0005

Для видалення таких шкідливих домішок як кисень і азот використовують розкислення алюмінієм, марганцем, кремнієм. Сірку і фосфор знижують підготовкою шихти, спеціальними засобами виплавки, добавкою марганцю.

Деякі легуючі елементи (V, Nb, Ті, Zr, В) впливають на структуру і властивості сталі при змісті їх у сотих частках відсотка (бор - у тисячних частках відсотка). Такі сталі називають мікролегованими.

Модифікування - уведення спеціальних добавок або елементів для впливу на швидкість дифузії атомів заліза або вуглецю. Наприклад, оксиди і нітриди тугоплавких металів розміщаються по границях зерен сталі, знижуючи при цьому поверхневу енергію границь і створюючи так називаний «бар'єрний ефект». Модифікування чавуна магнієм дозволяє сформувати в структурі кулястий графіт.