Легирование стали

ВВЕДЕНИЕ

     Металлы находят широкое применение в  современной технике благодаря  как химическим, так, в особенности, и физическим их свойствам. Общность физических свойств металлов (высокая  электрическая проводимость, теплопроводность, ковкость, пластичность) объясняется  общностью строения их кристаллических  решеток.

     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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ЛЕГИРОВАННЫЕ  СТАЛИ

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

     Содержание легирующих элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – микролегирование.

     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.

     Достоинства легированных сталей:

• особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;
• улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;
• легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;
• возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
• повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

 

     Недостатки:

• подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;
• в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;
• склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.
• склонны к образованию флокенов.

 

     Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали.

     При быстром охлаждении водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

     Меры  борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.

     ЛЕГИРОВАННЫЕ  КОНСТРУКЦИОННЫЕ  СТАЛИ

     Легированные  стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах  промышленности. Это стали применяют  для тяжело нагруженных металлоконструкций.

     Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% - к легированным, и  более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%).

     Наиболее  широкое применение в строительстве  получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали.

     Легированные  конструкционные стали маркируют  цифрами и буквами. Двухзначные  цифры, приводимые в начале марки, указывают  среднее содержание углерода в сотых  долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указы Конструкционные (машиностроительные) цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали.

     Для изготовления деталей, упрочняемых  цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

     Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для  изготовления небольших изделий  простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.

     Сталь 20Х - sв=800МПа, s0.2=650МПа, d=11%, y=40%.

     Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали  ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые  стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.

     Хромоникелевые  стали применяются для крупных  деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к  перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению  поверхностных слоев углеродом.

     Сталь 12Х2Н4А - sв=1150МПа, s0.2=950МПа, d=10%, y=50%.

     Хромомарганцевые  стали применяют во многих случаях  вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву  и имеют меньшую вязкость по сравнению  с хромоникелевыми.

     В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

     Сталь 25ХГМ - sв=1200МПв, s0.2=1100МПа, d=10%, y=45%.

     Хромомарганцевоникелевые  стали. Повышение прокаливаемости  и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем. После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

     Сталь 15ХГН2ТА - sв=950МПа, s0.2=750МПа, d=11%, y=55%.

     Стали, легированные бором. Бор увеличивает  прокаливаемость стали, делает сталь  чувствительной к перегреву.

     В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют  сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

     Сталь 20ХГНР - sв=1300МПа, s0.2=1200МПа, d=10%, y=09%. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     КОНСТРУКЦИОННЫЕ (МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЕ) УЛУЧШАЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

     Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный  запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к  отпускной хрупкости.

     При полной прокаливаемости сталь имеет  лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению - низкий порог хладноломкости, высокое  значение работы развития трещины КСТ  и вязкость разрушения К1с.

     Хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют  для средненагруженных деталей  небольших размеров. С увеличением  содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

     Сталь 30Х - sв=900МПа, s0.2=700МПа, d=12%, y=45%.

     Хромомарганцевые  стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет  получить стали с достаточно высокой  прочностью и прокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют  пониженную вязкость, повышенный порог  хладноломкости (от 20 до -60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту  зерна аустенита при нагреве.

     Сталь 40ХГТР - sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

     Хромокремнемарганцевые  стали. Высоким комплексом свойств  обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС  обладают высокой прочностью и хорошей  свариваемостью. Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

     Сталь 30ХГС - sв=1100МПа, s0.2=850МПа, d=10%, y=45%.

     Хромоникелевые  стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

     Сталь 40ХН - sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

     Хромоникелемолибденовые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной  хрупкостью, для устранения которой  многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные  детали в воде для устранения этого  дефекта стали дополнительно  легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.

     Сталь 40ХН2МА - sв=1100МПа, s0.2=950МПа, d=12%, y=50%.

     Хромоникелемолибденованадиевые  стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и  низким порогом хладноломкости. Этому  способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность  их обработки резанием и большая  склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей  турбин и компрессорных машин.

     Сталь 38ХН3МФА - sв=1200МПа, s0.2=1100МПа, d=12%, y=50%. 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Все металлы и сплавы, применяемые  в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят  черные металлы - железо и все его  сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. Ко второй группе относят  цветные металлы и их сплавы. Они  получили такое название потому, что  имеют различную окраску.

     Однако  более широкое применение имеют  сплавы металлов. К сплавам относятся  системы, состоящие из двух или нескольких металлов, а также из металлов и  неметаллов, обладающие свойствами, присущими  металлическому состоянию.

     Сплавы  чаще всего обладают более ценными  свойствами, чем чистые металлы. Большое  значение имеют различные виды сталей (с глав железа с углеродом): используя  легирующие элементы (хром, никель, ванадий, молибден, вольфрам, титан, марганец и  др.), можно получать сплавы с заданными  свойствами. 
 
 
 
 
 
 

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов - Высшая школа Год: 2002.
2. Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов - Высшая школа, 2000.
3. Ю.М.Лахтин, В.П.Леонтьева «Материаловедение» «Технология металлов и материаловедение» под редакцией к.т.н. Л.Ф.Усовой.
4. Гуляев А.П.  Металловедение.
5. Лахтин Ю.М.  Материаловедение.