Реферат: Легированные стали

Легированные стали

Содержание

Введение

. Легированные стали

.1 Определение

.2 Классификация легированной стали

.3 Маркировка легированной стали

.4 Дефекты легированных сталей

.5 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

.6 Свойства и применение легированных сталей

. Виды легированной стали

.1 Конструкционная легированная сталь

.2 Инструментальная легированная сталь

Заключение

Список литературы

Введение

Около 10% всей выплавленной стали является легированной. Легированные стали обладают рядом специфических свойств: износостойкость, жаропрочность, прокаливаемость в крупных сечениях, кислотостойкость.

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.

Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Содержание некоторых элементов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) - 0,5%; марганца (Мп) - 0,8%; хрома (Сг) 0,3%; никеля (Ni) - 0,3%; меди (Си) -0,3%

Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне-, и высоколегированные

1. Легированные стали

.1 Определение

Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали - легированными. Легирующие элементы изменяют механические (прочность, пластичность), физические, эксплуатационные и химические свойства стали. В конструкционных сталях, которые мы будем рассматривать далее, легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

Легирующие элементы в стали по-разному взаимодействуют с железом и углеродом. Они образуют с железом как γ-, так и α - твердые растворы различной концентрации, то есть они могут входить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементы оказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни расширяют этот интервал (например, никель) и при достаточном содержании делают аустенит устойчивым даже при комнатной температуре. Такие стали называют аустенитными. Другие (например, хром), наоборот уменьшают устойчивость γ-железа и могут совсем устранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов(например более 13% хрома), γ -железа не существует при всех температурах, вплоть до плавления, и сталь остается ферритной. Аустенитные и ферритные стали закалки не принимают, так как они не имеют практически фазовых превращений в твердом состоянии.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы:

) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения - карбиды (хром, марганец, вольфрам, ванадий, титан, молибден)

) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твердый раствор - феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь).

Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %.

Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.

.2 Классификация легированной стали

легированный сталь маркировка ферритный

Классификация по структуре в отожженном состоянии.

По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды - легированный ледебурит. Ледебуритная сталь, по существу, является хромовым белым чугуном, но хром настолько улучшает его свойства, что он удовлетворительно куется и в производстве заменяет сталь. На рис.1(см.приложение) приведена структурная диаграмма отожженной хромовой стали в зависимости от содержания углерода и хрома. Концентрация легированного эвтектоида для стали с различным содержанием хрома характеризуется линией I, а предельная концентрация углерода в легированной аустените линией II. Доэвтектоидная сталь состоит из легированного перлита и избыточного легированного феррита, заэвтектоидная - из легированного перлита и карбидов, а ледебуритная - из легированных ледебурита, перлита и карбидов. На диаграмме также указана область ферритной стали, полученной при большом содержании хрома и малом содержании углерода.

Классификация стали по структуре в нормальном состоянии.

По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры. При меньшем содержании никеля и углерода мартенситная точка на диаграмме выше, так как мартенситное превращение проходит при более высокой температуре; охлажденная на воздухе до комнатной температуры сталь принимает структуру мартенсита. При небольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухе оказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, имеет структуру троостита, сорбита и перлита. Заштрихованные участки диаграммы указывают состав стали, занимающий положение промежуточных классов: перлитно-мартенситного и мартенситно-аустенитного.

Аналогичные диаграммы могут быть построены также для стали, легированной другими элементами, причем кроме трех названных классов стали могут образоваться, как видно из примера хромовой стали, еще два класса: ледебуритный(карбидный) и ферритный. Наличие карбидного класса характерно для стали, легированной карбидообразующими элементами; такая сталь очень тверда и идет на изготовление инструментов.

Таким образом, легированная сталь в зависимости от структуры и состояния, получаемых при охлаждении на воздухе делится на пять классов: перлитный, мартенситный, аустенитный, карбидный и ферритный.

Классификация стали по назначению.

По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В настоящее время широко применяется конструкционная сталь легированная и стали других видов в машиностроении и других отраслях промышленности.

В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25 % С, используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость. У инструментальных легированных сталей содержание углерода также обозначают в десятых долях процента. Из них изготовляют режущие, измерительные, штамповые и другие инструменты. К сталям с особыми свойствами относят кислотоупорные, износоустойчивые, жаропрочные и жаростойкие: с особыми магнитными и электрическими свойствами и т.д.

.3 Маркировка легированной стали

Для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы: Х- хром, Н - никель, Г - марганец, С - кремний, В - вольфрам, М -молибден, Ф - ванадий, К -кобальт, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, А -азот, Е - селен, Ц - цирконий. Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы - наличие соответствующих элементов, а цифры, следующие за буквами, - процентное содержание этих компонентов в стали. Если после какой-то буквы отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %., например, марка 35Х обозначает хромовую сталь, содержащую около 0,35% С и до 1,5 % Сr, марка 45Г2 обозначает марганцевую сталь, содержащую около 0,45%С и около 0,3%С, до 1,5% Сr и около 3%Ni и т.д. Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе "Электросталь" (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках (Ш - шарикоподшипниковая, Б - быстрорежущая, Е - магнитотвердая). Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву А, например, 30ХГСА, для обозначения особо высококачественной стали - букву Ш (через дефис), например30ХГС-Ш. Качественная легированная сталь содержит серы более 0,035%, высококачественная - не более 0, 025%, особо высококачественная - не более 0,015%.

Для стали инструментальной легированной порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционной, но количество углерода указывается первой цифрой в десятых. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1% углерода.

1.4 Дефекты легированных сталей

Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода.

Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей-флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении). На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 °С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250-200 °С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.

1.5 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов;

. перлитный;

. мартенситный;

. аустенитный;

. ферритный;

. карбидный,

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в интервале температур перлитного превращения возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это схематично отражено на диаграмме распада аустенита (рис.1)

Рис.1. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трёх классов (схема).

В зависимости от содержания легирующих элементов и углерода при заданной скорости охлаждения (на воздухе) можно получить разную структуру.

Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов (менее 5...7%). Для них, как и для углеродистых сталей, кривая скорости охлаждения при нормализации будет пересекать С-кривые перлитного распада. Следовательно, будут получаться структуры перлитного типа: перлит, сорбит, тростит.

Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7... 15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу. Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 055 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость. При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру.

Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5% кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур.

К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродистые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении на в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

Микроструктура сталей различных классов в нормализованном состоянии показана на рис.2.

Риc. 2. Микроструктуры сталей различных классов в нормализованном состоянии, увеличение 100:

а) перлит и феррит;

б) мартенсит игольчатый;

в) аустенит;

г) феррит;

д) бесструктурный мартенсит и карбиды.

Рассмотренная классификация легированных сталей условна и относится к случаю охлаждения на воздухе образцов небольших сечений. Меняя условия охлаждения можно в одной и той же стали получать различные структуры и свойства.

.6 Свойства и применение легированных сталей

По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость.