Влияние легирования на превращения при термообработке

1. При закалке (нагрев, выдержка, охлаждение со скоростью V>V_кр) углеродистых сталей из переохлажденного аустенита образуется мартенсит. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита при нагреве зависит от их способности образовывать карбиды при взаимодействии с углеродом. Элементы, необразующие карбиды (никель, кобальт, кремний, медь), практически не препятствуют росту зерна аустенита, а элементы, образующие карбиды (хром, вольфрам, молибден, ванадий, титан), препятствуют росту зерна аустенита. Сохранение мелкозернистого состояния аустенита до температур 930 – 950 ⁰С обусловлено высокой теплостойкостью карбидов, являющихся барьерами для перемещения границ зерна аустенита. Мелкоигольчатый мартенсит, полученный из мелкозернистого аустенита, обеспечивает стали повышенную вязкость.

2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение выражается в изменении температурного интервала этого превращения, что отражается на количестве остаточного мартенсита в закаленной стали (рис. 4).

Рис. 4. Влияние легирующих элементов на температуру мартенситного превращения (а) и количество остаточного аустенита (б) в стали с 1, 0 % углерода

Как видно из рисунка алюминий и кобальт повышают мартенситную точку и снижают количество остаточного аустенита, но большинство легирующих элементов (марганец, молибден, хром) снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита, что ухудшает качество стали после закалки. Для устранения остаточного аустенита такие стали после закалки обрабатываются холодом.

Более того, влияние легирующих элементов на поведение сталей может быть настолько значительным, что точка М_н смещается ниже комнатной температуры. В этом случае мартенситное превращение отсутствует и охлаждением фиксируется аустенитное состояние, например, при введении 5 % марганца.

3. После закалки выполняется обязательная термическая операция для повышения вязкости стали – отпуск. В процессе отпуска неравновесные фазы – мартенсит и остаточный аустенит превращаются в феррит и цементит. Это превращение протекает диффузионным путем и зависит от температуры нагрева.

Влияние легирующих элементов на отпуск стали выражается количественно и качественно. Количественное влияние легирующих элементов – уменьшение скорости превращений и повышение температуры превращений (выделение углерода α-Fe из и коагуляция карбидов). Это наиболее проявляется при введении хрома, ванадия, титана, вольфрама, молибдена, кремния. Поэтому температурные интервалы всех видов отпуска легированных сталей на 100 – 150 ⁰С выше по сравнению с углеродистыми.

Качественное влияние легирующих элементов – карбидные превращения (преобразование легированного цементита в специальные карбиды) и влияние вторичной твердости (превращение остаточного аустенита в мартенсит и выделение дисперсных карбидов).

При отпуске некоторых легированных сталей возможны негативные явления – отпускная хрупкость. Это снижение ударной вязкости сталей, отпущенных при температуре 250 – 400 и 500 – 550 ⁰С

Таким образом, легирование, изменяя скорости и температуру превращений, а также тепловые свойства стали, существенно влияет на режимы термической обработки. Основные особенности упрочняющей термической обработки легированных сталей по сравнению с углеродистыми заключаются в следующем:

нагрев изделий производится с меньшей скоростью в связи с уменьшением теплопроводности сталей. Пониженная теплопроводность увеличивает перепад температур по сечению изделий, а, следовательно, повышают и напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование;

температура нагрева для получения аустенита при введении карбидообразующих элементов повышается. Труднорастворимые карбиды сдерживают рост зерна аустенита и сохраняют его мелкозернистое состояние;

охлаждение изделий возможно со значительно меньшей скоростью, так как процесс распада переохлажденного аустенита замедляется. Уменьшение критической скорости закалки позволяет охлаждать изделия в более мягком охладителе. Это уменьшает внутренние напряжения, коробление деталей, вероятность образования трещин.

увеличивается прокаливаемость сталей, что позволяет упрочнять закалкой крупные изделия во всем сечении.

Маркировка и классификация легированных сталей.

В основу классификации легированных сталей заложены четыре принципа: равновесная структура, структура после охлаждения на воздухе, состав и назначение сталей.

По равновесной структуре стали подразделяются на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные.

Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру; доэвтектоидные и заэвтектоидные наряду с перлитом содержат феррит или вторичные карбиды типа Ме₃С. В структуре литых ледебуритных (карбидных) сталей присутствует эвтектика (ледебурит), образованная первичными карбидами с аустенитом.

В соответствии с диаграммой Fe - C доэвтектоидные стали содержат менее 0.8% углерода, эвтектоидные около 0.8%; заэвтектоидные 0.8 - 2.0% и ледебуритные примерно до 2.14%.

Большинство легирующих элементов сдвигает точки S и E(на диаграмме Fe-C) в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными - в легированных сталях лежит при меньшем содержании углерода, чем в углеродных.

При охлаждении на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса сталей: перлитный, мартенситный, аустенитный.

Получение трех классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это отражено на диаграммах изотермического распада аустенита (рис. 5).

Рис. 5 Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов.

Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержанием легирующих элементов и для них кривая скорости охлаждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада и будут получаться структуры - перлит, сорбит, тростит.

У сталей мартенситного класса, характеризующихся большим содержанием легирующих элементов, область перлитного распада значительно сдвинута вправо - аустенит переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения, образуется мартенсит.

Дальнейшее увеличение содержания углерода и легирующего элемента не только сдвигает область перлитного распада, но и переводит начало мартенситного превращения в область отрицательных температур. Поэтому такая сталь, охлажденная на воздухе при комнатной температуры, сохранит аустенитное состояние.

В зависимости от вводимых элементов (по химическому составу) стали разделяются на: хромистые, марганцовистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и т.п.

Кроме того, стали подразделяются по общему количеству легирующих элементов в них на низколегированные (до 2,5% легирующих элементов), легированные (от 2,5 до 10%) и высоко легированные (более 10%).

Разновидностью классификации по химическому составу является классификация по качеству.

Качество стали - это комплекс свойств, обеспечиваемых металлургическим процессом, таких, как однородность химического состава, строения и свойств стали, ее технологичность. Эти свойства зависят от содержания газов (кислород, азот, водород) и вредных примесей - серы и фосфора.

По качеству легированные стали подразделяются на качественные (до 0.04% S и до 0.035% P), высококачественные (до 0.025% S и до 0.025% Р) и особо высококачественные (до 0.015% S и до 0.025% Р).

В зависимости от назначения стали можно объединить в следующие группы:

конструкционные, применяемые для изготовления различных деталей машин, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладающие определенными механическими, физическими и химическими свойствами;

инструментальные - стали, применяемые для обработки материалов резанием или давлением и обладающие высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Конструкционные стали подразделяются на:

строительные;

машиностроительные;

стали с особыми свойствами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.

Маркировка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих ее химический состав.

Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А - азот, Б - ниобий, В - вольфрам, Г - марганец, Д - медь, Е - селен, К - Кобальт, Н - никель, М - молибден, П - фосфор, Р - бор, С - кремний, Т - титан, Ф - ванадий, Х - хром, Ц - цирконий, Ч - редкоземельные элементы, Ю - алюминий.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают примерное содержание легирующего элемента в процентах (при содержании 1 - 1.5% и менее цифра отсутствует).

Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержит 0.20% С;1% Cr и 3% Ni. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная (ограничено содержание вредных примесей S<0.03%; P<0.03%). Особовысококачественные стали имеют в конце марки букву Ш, например 30ХГС-Ш.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных с буквы А.

В начале обозначения марки быстрорежущих сталей стоит буква Р, за которой следует цифра показывающая содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах (Р18, Р6М5).

Нестандартные легированные стали выплавляемые заводом "Электросталь", маркируют сочетанием букв ЭИ (исследовательская) или ЭП (пробная) и порядковым номером, например ЭИ415, ЭП617 и т.п. После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

Дата добавления: 2014-01-03