Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства (стр. 1 из 2)

Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

на тему

«Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства»

Выполнил:

ст. гр. ПМГ-А-08з

Коршунов Г.П.

Алчевск 2009

1. Общая характеристика легированных сталей

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 качестве легирующих элементов выступают: Cr, Ni, Si, Mn, Mo, W, V, Ti, Mo и т.д.

Следует отличать примеси и специально вводные элементы:

Siдо 0,2 – 0,4% – в качестве примесей (обычная углеродистая сталь);

Siдо 0,9 – 1,0% – легированная сталь (Si – вводят специально);

V – 0,05 – 0,1% – легированная ванадием сталь;

Ti – 0,1% – легированная титаном сталь.

В – 0,002 – 0,003% – легированная бором сталь.

Т.о., легированная сталь – это сталь в которую специально вводятся легирующие компоненты.

2. Распределение легирующих элементов в стали

В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут находится:

1) в свободном состоянии (Pb, Cu, Ag);

2) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

3) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений (Al2 O3 , TiO2 , V2 O5 , MnS, и т.д.)

4) в виде легированного цемента или самостоятельных специальных карбидов;

5) В форме твердого раствора в железе.

Рассмотрим некоторые из них:

свинец (Pb), медь (Cu), серебро (Ag) – практически нерастворимы в железе, находятся в свободном состоянии.

Возможные оксиды:

Al2 O3 , TiO2 , V2 O5 – зависят от метода ведения плавки.

Все легирующие элементы (Ni, Cr, W, V, Mn, Co и т.д.), за исключением C, N, H и частично В, образуют твердые растворы замещения.

C, N, H, B – образуют твердые растворы внедрения.

3. Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения железа

Все легирующие элементы, за исключением C, N, H, В, растворяясь в железе, замещая его атомы, влияют на положение критических точек (А3 (точка G) и А4 (точкаN)), определяющих температурную область существования б- и г- железа.

Т.о., легирующие элементы делятся на две группы:

1-я группа – элементы стабилизирующие аустенит (г- фазу).

2-я группа – элементы стабилизирующие феррит (б- фазу).

К элементам первой группы относятся Ni и Mn, которые понимают точку А3 , и повышают точку А4 . В результате этого на диаграмме Fе – л.э. наблюдается расширение области г- фазы и сужение области существования б- фазы.



Рисунок 1

Рассмотрим три сплава:

І сплав – г- фаза закристаллизовалась и существует до комнатной температуры, т.е. сплав с концентрацией л.э. > x2 не испытывает фазовых превращений (б ↔ г). Такие сплавы называют аустенитными.

ІІ сплав – происходит частичное превращение г ↔ б. Это аустенито-ферритные сплавы (полуаустенитные).

ІІІ сплав – происходит полное полиморфное превращение. Такие сплавы называют ферритными (полностью образуется б- фаза).

К элементам І группы относятся также Cu, C, N – при небольшом содержании в сплаве они расширяют область существования г- фазы, а при большом содержании сужают однофазную область г- фазы или образуют химическое соединение – е- фазу(рис. 2).

Cu, C, N – образуют химическое соединение – е.



Рисунок 2.

Элементы второй группы – Cr, W, Mo, V, Si, Al, Ti и др. – понижают точку А4 и повышают точку А3 . (Все эти легирующие элементы имеют ОЦК-решетку, за исключением Al (ГЦК)).

При определенной концентрации легирующих элементов критические точки А4 и А3 , а также их интервалы, сливаются, и область г- фазы полностью замыкается (выклинивается) (рис. 3).


Рисунок 3


При содержании легирующего элемента (л.э.) > y1 %, сплавы (типа I) при всех температурах состоят из твердого раствора л.э. в б-железе. Такие сплавы называются – ферритными (например, образуются при содержании Cr>12%).

Сплавы типа ІІ – имеют частичное превращение б↔г и называются феррито-аустенитными (полуферритными).

Сплавы типа ІІІ – сплавы с полным полиморфным превращением б↔г.

Легирующие элементы оказывают большое влияние на эвтектоидную концентрацию углерода (точка S диаграммы Fе – С) и предельную растворимость углерода в г- железе (точка Е).

Легирующие элементы: Ni, Co, Si, W, Mo, Cr, Mn– точки S и Е сдвигают влево в сторону меньшего содержания углерода, а V, Ti, Nb – наоборот, повышают концентрацию углерода в эвтектоиде.

Например:

введение 5% Cr сдвигает т. S до 0,5% С; т. Е до 1,3% С;

введение 10% Cr сдвигает т. S до 0,25ч0,3% С; т. Е до 1% С.

Пример. Быстрорежущая сталь (самокал – закаляется на воздухе). Содержит углерода 0,7 – 0,8%, W– 9ч18%. Происходит значительное смещение точек E и S. При таком легировании и содержании углерода в структуре образуется ледебурит (сталь относится к ледебуритному классу).

4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита и аустенита

Легирующие элементы, растворенные в феррите, повышают его предел прочности, твердость не изменяя существенно относительного удлинения, за исключением Mn и Si (2,5 – 3,0%) – которые сильно упрочняют феррит и снижают относительное удлинение (рис. 4).


Рисунок 4. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость, б – ударная вязкость

Из рисунка 4, а:

Ni, Si, Mn – особенно сильно повышают твердость, а элементы Cr, W, Mo – значительно меньше повышают твердость (даже при больших концентрациях).

Из рисунка 4, б:

Ni, Si, Mn – при малых концентрациях (1 – 3%) повышают ударную вязкость;

Mo, Si. W – снижают ударную вязкость при всех концентрациях.

Рисунок 5. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа

Наиболее ценным легированным элементом, является Ni, т.к. он повышает прочность не снижая пластичности и ударной вязкости; снижает порог хладноломкости.

Легирующие элементы, растворяясь в г- Fе, повышают прочность аустенита при нормальной и высоких температурах. Для легированного аустенита характерен низкий предел текучести (ут ) при сравнительно высоком пределе прочности (ув ). Аустенит легко наклепывается, т.е. быстро и сильно упрочняется под действием деформации.

5. Карбидная фаза в легированных сталях

По отношению к углероду легирующие элементы подразделяют на две группы:

1) графитизирующие элементы: Si, Ni, Cu, Al;

2) карбидообразующие элементы:

Fе → Mn → Cr → Mo → W → Nb → V → Zr → Ti– расположены по возрастающей степени сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз.

Элементы Fe, Mn, Cr, Mo, W – образуют сложные карбиды, которые легко растворяются в аустените.

Nb, V, Zr, Ti – образуют специальные карбиды, трудно растворимые в аустените.

При таком содержании в стали Mn, Cr, W, Mo, они растворяются в цементите, замещая часть атомов Fе и образуя легированный цемент: (Fе,М)3 С, где М – легирующий элемент.

Мn может заместить в решетке цементита все атомы Fе: Fе3 С → Mn3 C;

Cr – до 2,5% ат (Fе,Cr)3 С;

Мо – до 3% ат (Fе,Мо)3 С;

W – до 0,8ч1,0% ат (Fе,W)3 С, если в стали большее содержание легированного элемента, то происходит образование специальных карбидов.

При повышенном содержании Cr, W, Mo в зависимости от содержания углерода в стали могут образоваться специальные карбиды.

При содержании Cr > 2,5% образуется специальный карбид Cr7 С37 С3 – общий вид), часть атомов Cr может быть заменена атомами железа (Cr,Fе)7 С3 (до 55% Fе).

При еще больших содержаниях Cr (> 10ч12%) образуется карбид (Cr, Fе)23 С6 , (М23 С6 ) (Fе до 35%).

Возможно образование сложных карбидов:

3 Мо3 С в общем виде: М6 С, М4 С

2 Мо2 С

3 W3 С

2 W2 С.

Приняты следующие обозначения карбидов: М3 С (карбид цементитного типа), М23 С6 , М7 С3 , М6 С, М4 С, МС.

Карбиды в сталях можно разделить на две группы:

1-я группа: М3 С, М7 С3 , М2 С6 , М6 С (М4 С) – имеют сложное кристаллическое строение, легко растворяются в аустените при нагреве.

2-я группа: МС, М2 С,VC, TiC, NbC, TаC, ZrC, Mo2 C, W2 C, WC – все это твердые растворы вычитания (недостаток углерода), имеют кубический тип решетки. При нагреве не растворяются в аустените.

Отличаются эти карбиды высокой температурой плавления, высокой твердостью. Микротвердость TiC: Нм2800 – 3200.

Интерметаллические соединения. Образуются при большом содержании легирующего элемента: Fе7 Мо7 , Fе7 W6 , Fe3 Nb2 , FeTi, FeCr, FeV, FeCrMo.


6. Классификация легированных сталей по структуре

Ферритный Перлитный Мартенситный Аустенитный Карбидный (Ледебуритный)
12Х17, 10Х23Н18 08Х13, 15Х12НВМФ 15Х25Т, 10Х17НВМ2Т %С < 0,25%, Cr > 10% Конструкционные стали 25Х1МФ, 35ХГСА, ХГС, 40Х, 5ХНМ, 70С3А, 40ХНМА, 9ХВГ, 10ХСНД, 09Г2С л.э. < 5% %С – любое конструк. и инструментальные стали 40Х10С2М, 40Х13, 40Х9С2, 25Х2Н4ВА, 25Х17, 4Х5МФ1С, 3Х3М3Ф, 6ХВ2Н2ВС %С=0,25ч0,6% среднеуглер. 1)л.э. Сr>10%; 2) Ул.э. >5%. медицинский инструмент, детали обладающие повышенной твердостью и прочностью 12Х18Н9Т, 45Г17Ю3А, 110Г13, 45Х14Н14В2М, 31Х19Н9МВБТ, 10Х14Г15, 20Х25Н20С2 %С – любое 1)л.э.Cr+Ni≈30%, 2) Mn> 10% износостойкие, конструкционные, жаростойкие и др. Р18, Р9К8 Р6М5, Р6М5K5 Р9М4К8 Стр-ра зернистый перлит. Глобулы цемента на ферритной основе.

7. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали