Легированные конструкционные стали. 1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей

 

1. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей

 

● большинство легирующих элементов растворены в решетке железа (за исключением Ag, Pb, Cu);

 

● элементы, имеющие высокое сродство к углероду образуют карбонные фазы

Fe ―› Cr, Mo, W, Nb, Ta, Zr, Ti

―――――――――――――――――›

Fe₃C TiC

HB ~ 8000 МПа HB ~ 29000 МПа;

 

● некоторые элементы образуют интерметаллидные фазы: Fe₂Mo, Ni₃Ti, Ni₃Al

 

 

Большинство легирующих элементов повышают твердость стали

Большинство легирующих элементов уменьшают ударную вязкость

(кроме Ni) и повышают порог хладноломкости.

Все эти элементы, имеющие смещение линий с-образных диаграмм вправо (кроме Со) лучше всего замедляют перлитные превращения, что дает следующие преимущества:

- V_кр становится меньше;

- закаливать можно в масле;

- увеличивается прокаливаемость.

Многие легирующие элементы тормозят рост зерен: карбидообразующие (Ti, V, Zr) ~ 0,01-0,05% - природомелкозернистые стали.

Некоторые легирующие элементы замедляют распад мартенсита (Si, Mo, W)

Некоторые легирующие элементы устраняют отпускную хрупкость (Mo, W) ~ 0,3%

Все легирующие элементы понижают интервал мартенситного превращения

 

Итог: легированные стали дороже, но при правильном подборе легирующих элементов легированные стали прочнее, надежней и технологичней (прокаливаемость, скорость охлаждения), чем углеродистые (%N ≤ 5, %(Cr, Si) ≤ 2, %(Ti, V, Mo) ≤ 0.2-0.4).

 

Принцип маркировки:

_ _ ________________ _________

(1) (2) (3)

(1) – среднее содержание углерода в %;

(2) – буквы и цифры – легирующие элементы, их количество в %;

(3) – показатель качества:

[-] – качественные

[А] – высококачественные

[ЭШП, ВАП, ЭЛП] – особовысококачественные;

- если элемента ≤ 1% - цифра не ставится;

- Ni – Н, Cr – Х, Mn – Г, Mo – М, W – В, V – Ф, Si – С, Ti – Т, Al – Ю, Nb – Б, B – Р, Co – К;

Пример: 40ХН5МФА

 

2. Легированные стали нормальной и повышенной прочности

 

Это низколегированные стали (%легирующ. эл. ≤5)

 

 

1) цементуемые стали

нормальная прочность, σ_U (σ_B) < 1000 МПа, %С ~ 0,1-0,25.

Примеры:

20Х, 18ХГТ, 20ХГМ (прокаливаемость до 25-60 мм), 20ХНЗА (до 100 мм), 18Н4МА (выше 100 мм).

Типичные применение и ТО (детали, работающие в условиях трения и ударов, ХТО – цементация + упрочняющая ТО – закалка + низкий отпуск), получаемые свойства –

 

σU (σB), МПа	δ, %	KCU, %
~700-1000	10-12	0,6-1

 

2) улучшаемые стали

повышенной прочности, σ_U (σ_B) ~ 1000-1500 МПа, %С ~ 0,3-0,5.

Примеры:

40Х (прокаливаемость до 30 мм), 30ХГСА (до 40 мм), 40 ХНМА (до 100 мм), 38Н3МЮА (до 100 мм, азотируемая сталь)

Типичные применение и ТО (детали машин, работа при статических, небольших ударных и циклических нагрузках – валы, оси, полуоси, ТО – закалка + высокий отпуск 500-600°С), получаемые свойства:

σU (σB), МПа	δ, %	KCU, %
~1000-1200	10-12	0,8-1

 

Итог: легируемые стали имеют широкий диапазон свойств, глубокую прокаливаемость и потому применимы для сложных и ответственных, более крупных деталей машин, работающих при средних и умеренных нагрузках.

Для низколегированных сталей по содержанию углерода определен уровень прочности, типичные твердость и применение, подбирают легирующие элементы по прокаливемости.

 

3. Высокопрочные легированные стали

 

Свойства:

σU (σB), МПа	δ, %	KCU, %
≥1500	≥10-12	0,2

 

1) комплекснолегированные стали

% легирующих элементов ≥ 4

% С ~ 0,35-0,4

σ_B ≥ 1500 МПа

% Ni ~ 2-5, вязкость до 5%

% Si ~ 1,5, %(W, Mo, V) ~ 0,2-0,4 – задерживает распад М при отпуске, высокое качество при выплавке, «А» или «ЭШП»

Пример: 40ХН5МФА, 40ХН2СВА

ТО – закалка (в масле или на воздухе) + низкий отпуск (М_отп), 250-300°С, полученные свойства:

σU (σB), МПа	δ, %	KCU, %
~1850-2000	~11-13	0,5

 

2) мартенситно-стареющие стали

а) углерод не применяется;

б) Ni – max, 10-20%;

в) для получения высокой прочности используется различная растворимость элементов замещения в решетках Fe_γ и Fe_α, лучше всего Mo (до 7%), Ti (до 3%), Al (до 2%), Cu (до 10%).

 

Упрочняющая ТО:

● закалка 820-860°С, воздух. При нагреве Mo, Ti, Al в аустените растворяются, а после охлаждения получается пересыщенный твердый раствор замещения – мартенсит, получаемые свойства:

 

σU (σB), МПа	δ, %	ψ, %
~1000	~25

Такой мартенсит имеет достаточно низкую прочность и очень высокую пластичность, закалку выполняют в заготовках и после этого изготавливают деталь окончательно;

 

● старение: 500-600°С, 4-6 часов, из Ме выделяются частицы упрочняющих фаз: Fe₂Mo – фаза Лавеса, Ni₃Ti, Ni₃Al – интерметаллиды, получаемые свойства:

σU (σB), МПа	δ, %	KCU/KCV/КСТ, %	к/с, МПа
~2000-2500	~10-12	0,5/0,3/0,2	~100-150

Такой к/с – одно из самых больших значений в технике

Мартенситно-стареющие стали не чувствительны к концентрационным напряжениям, у них нет явной хладноломкости, не ограничена прокаливаемость, нет изменения размеров и короблений при ТО, они исключительно технологичны.

Пример: 03Н18К9М5Т

Применение: для силовых и тяжелонагруженных ответственных деталей, в том числе для крупногабаритных изделий сложной формы, для эксплуатации в низких температурах, для транспортировки жидких газов, в ракетостроении.