Технологія конструкційних матеріалів та матеріалознавство (стр. 29 )

Вирішальна роль у складі конструкційних сталей приділяється вуглецю. Він збільшує міцність сталі, але знижує пластичність і в'язкість, підвищує поріг холодноламкості. Тому його зміст регламентований і рідко перевищує 0,6 %.

Вплив на конструкційну міцність роблять легуючі елементи. Підвищення конструкційної міцності при легуванні пов'язане із забезпеченням високої прокалюваності, зменшенням критичної швидкості загартування, здрібнюванням зерна.

Застосування зміцнюючої термічної обробки поліпшує комплекс механічних властивостей.

Металургійна якість впливає на конструкційну міцність. Чиста сталь при тих самих міцностних властивостях має підвищені характеристики надійності.

Леговані сталі

Елементи, уводяться спеціально в сталь у певних концентраціях з метою зміни її будови й властивостей, називаються легуючими елементами, а стали – легованими.

Зміст легуючих елементів може змінюватися в дуже широких межах: хром або нікель - 1% і більше відсотків; ванадій, молібден, титан, ніобій - 0,1...0,5%; також кремній і марганець - більше 1 %. При змісті легуючих елементів до 0,1 % - мікролегування.

У конструкційних сталях легування здійснюється з метою поліпшення механічних властивостей (міцності, пластичності). Крім того міняються фізичні, хімічні, експлуатаційні властивості.

Легуючі елементи підвищують вартість сталі, тому їхнє використання повинне бути строго обґрунтовано.

Достоїнства легованих сталей:

·  особливості виявляються в термічно обробленому стані, тому виготовляються деталі, що піддаються термічній обробці;

·  поліпшені леговані сталі виявляють більше високі показники опору пластичним деформаціям ;

·  легуючі елементи стабілізують аустеніт, тому прокалюваність легованих сталей вище;

·  можливе використання більше «м'яких» охолоджувачів (знижується шлюб по гартівних тріщинах і жолобленню), тому що гальмується розпад аустеніту;

·  підвищуються запас в'язкості й опір холодноламкості, що приводить до підвищення надійності деталей машин.

Недоліки:

·  піддані оборотної відпускної крихкості II роду;

·  у високолегованих сталях після загартування залишається аустеніт залишковий, котрий знижує твердість і опірність утоми, тому потрібна додаткова обробка;

·  схильні до дендритної ліквації, тому що швидкість дифузії легуючих елементів у залозі мала. Дендрити збіднюються, а границі – міждендритний матеріал – збагачуються легуючим елементом. Утвориться строчна структура після малодоходного й прокатки, неоднорідність властивостей уздовж і поперек деформування, тому необхідно дифузійний відпал.

·  схильні до утворення флокенів.

Флокени - світлі плями в зламі в поперечному перерізі - дрібні тріщини з різною орієнтацією. Причина їхньої появи - виділення водню, розчиненого в сталі.

При швидкому охолодженні від 200o водень залишається в сталі, виділяючись із твердого розчину, викликає великий внутрішній тиск, що приводить до утворення флокенів.

Міри боротьби: зменшення змісту водню при виплавці й зниження швидкості охолодження в інтервалі флокеноутворення.

Вплив елементів на поліморфізм заліза

Всі елементи, які розчиняються в залозі, впливають на температурний інтервал існування його алотропічних модифікацій (А = 911oС, А =1392oС).

Залежно від розташування елементів у періодичній системі й будови кристалічної решітки легуючого елемента можливі варіанти взаємодії легуючого елемента із залізом. Їм відповідають і типи діаграм стану сплавів системи залізо - легуючий елемент (мал.)

Більшість елементів або підвищують А і знижують А , розширюючи існуючі модифікації (мал.), або знижують А4 і підвищують А , звужуючи область існування – модифікації (мал.).

Схематичні діаграми стану Fe - легуючий елемент. а - для елементів, що розширюють область існування модифікації; б - для елементів, звужуючих область існування модифікації

Понад певного змісту марганцю, нікелю й інших елементів, що мають гранецентровану кубічну решітку, стан існує як стабільне від кімнатної температури до температури плавлення, такі сплави на основі заліза називаються аустенітними.

При змісті ванадію, молібдену, кремнію й інших елементів, що мають об’ємноцентровану кубічну решітку. вище певної межі стійким при всіх температурах є - стан. Такі сплави на основі заліза називаються феритними.

Аустенітні й феритні сплави не мають перетворень при нагріванні й охолодженні.

Вплив легуючих елементів на перетворення в сталі

Легуючі елементи в більшості випадків розчиняються в аустеніті, утворюючи тверді розчини заміщення. Леговані сталі вимагають більше високих температур нагрівання й більше тривалої витримки для одержання однорідного аустеніту, у якому розчиняються карбіди легуючих елементів.

Мала схильність до росту аустенітного зерна – технологічна перевага більшості легованих сталей. Всі легуючі елементи знижують схильність аустенітного зерна до росту, крім марганцю й бору. Елементи, що не утворять карбідів (кремній, кобальт, мідь, нікель), слабко впливають на ріст зерна. Карбідоутворюючі елементи (хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан) сильно подрібнюють зерно.

Рис Вплив легуючих елементів на перетворення переохолодженого аустеніту: а – не карбідоутворюючі елементи; б – карбідоутворюючі елементи

Вплив легуючих елементів на перетворення переохолодженого аустеніту.

По впливі на стійкість аустеніту й на форму З-Образних кривих легуючі елементи розділяються на дві групи.

Елементи, які розчиняються у фериті й цементиті (кобальт, кремній, алюміній, мідь, нікель), роблять тільки кількісний вплив на процеси перетворення. Сповільнюють перетворення (більшість елементів), або прискорюють його (кобальт) (мал.)

 Карбідоутворюючі елементи (хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан) вносять і якісні зміни в кінетику ізотермічного перетворення. При різних температурах вони по різному впливають на швидкість розпаду аустеніту: при температурі 700…500oС — сповільнюють перетворення в перлітній області, при температурі 500…400oС (утворення троститу) – дуже сильно сповільнюють перетворення, при температурі 400…300oС (проміжне перетворення) - сповільнює перетворення аустеніту в бейнит, але менше, ніж утворення троститу. Це відбивається на формі З-Образних кривих: спостерігаються два максимуми швидкості ізотермічного розпаду, розділених областю високої стійкості переохолодженого аустеніту (мал. 17.2 б)

Температура максимальної стійкості аустеніту залежить від карбідоутворюючі елемента: хром – 400…500oС, вольфрам – 500…550oС, молібден – 550…575oС, ванадій – 575…600oС. Час максимальної стійкості при заданій температурі зростає зі збільшенням ступеня легованості (дуже велике для високолегованих сталей).

Важливим є вповільнення швидкості розпаду. Це сприяє більше глибокої прокалюваності й переохолодженню аустеніту до інтервалу мартенситного перетворення при більше повільному охолодженні (масло, повітря). Збільшують прокалюваність хром, нікель, молібден, марганець, особливо при спільному легуванні

Вплив легуючих елементів на мартенситне перетворення

При нагріванні більшість легуючих елементів розчиняються в аустеніті. Карбіди титану й ніобію не розчиняються. Ці карбіди гальмують ріст аустенітного зерна при нагріванні й забезпечують одержання дрібногілчатого мартенситу при загартуванні. Інші карбідоутворюючі елементи, а також не карбідоутворюючі, при нагріванні розчиняються в аустеніті й при загартуванні утворять легований мартенсит.

Деякі легуючі елементи (алюміній, кобальт) підвищують мартенситну крапку й зменшують кількість залишкового аустеніту, інші не впливають на цю крапку (кремній). Більшість елементів знижують мартенситну крапку й збільшують кількість залишкового аустеніту.

Вплив легуючих елементів на перетворення при відпустку

Легуючі елементи сповільнюють процес розпаду мартенситу: нікель, марганець – незначно; хром, молібден, кремній – помітно. Це пов'язане з тим, що процеси при відпустці мають дифузійний характер, а більшість елементів сповільнюють карбідне перетворення. Леговані сталі зберігають структуру мартенситу відпустки до температури 400…500oС. Тому що в легованих сталях зберігається значна кількість залишкового аустеніту, то перетворення його в мартенсит відпустки сприяє збереженню твердості до високих температур.

Таким чином, леговані сталі при відпустці нагрівають до більше високих температур або збільшують витримку.

Класифікація легованих сталей

Стали класифікуються по декількох ознаках.

1. За структурою після охолодження на повітрі виділяються три основних класи сталей:

·  перлітний;

·  мартенситний;

·  аустенітний

Стали перлітного класу характеризуються малим змістом легуючих елементів; мартенситного - більше значним змістом; аустенітного - високим змістом легуючих елементів.

Класифікація пов'язана з кінетикою розпаду аустеніту. Діаграми ізотермічного розпаду аустеніту для сталей різних класів представлені на мал.

Діаграми ізотермічного розпаду аустеніту для сталей перлітного (а), мартенситного (б) і аустенітного (в) класів

У міру збільшення змісту легуючих елементів стійкість аустеніту в перлітній області зростає, а температурна область мартенситного перетворення знижується.

Для сталей перлітного класу крива швидкості охолодження на повітрі перетинає область перлітного розпаду (мал.), тому утворяться структури перліту, сорбіту або троститу.