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 (Al2O3, TiO2, V2O5, 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:
Al2O3, TiO2, V2O5 – 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)3С, где М – легирующий элемент.
Мn может заместить в решетке цементита все атомы Fе: Fе3С → Mn3C;
Cr – до 2,5% ат (Fе,Cr)3С;
Мо – до 3% ат (Fе,Мо)3С;
W – до 0,8ч1,0% ат (Fе,W)3С, 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 Cr7С3 (М7С3 – общий вид), часть атомов Cr может быть заменена атомами железа (Cr,Fе)7С3 (до 55% Fе).
При еще больших содержаниях Cr (> 10ч12%) образуется карбид (Cr, Fе)23С6, (М23С6) (Fе до 35%).
Возможно образование сложных карбидов:
Fе3Мо3С в общем виде: М6С, М4С
Fе2Мо2С
Fе3W3С
Fе2W2С.
Приняты следующие обозначения карбидов: М3С (карбид цементитного типа), М23С6, М7С3, М6С, М4С, МС.
Карбиды в сталях можно разделить на две группы:
1-я группа: М3С, М7С3, М2С6, М6С (М4С) – имеют сложное кристаллическое строение, легко растворяются в аустените при нагреве.
2-я группа: МС, М2С,VC, TiC, NbC, TаC, ZrC, Mo2C, W2C, 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: Fе7Мо7, Fе7W6, Fe3Nb2, FeTi, FeCr, FeV, FeCrMo.
6. Классификация легированных сталей по структуре
| Ферритный | Перлитный | Мартенситный | Аустенитный | Карбидный (Ледебуритный) |
| 12Х17, 10Х23Н1808Х13, 15Х12НВМФ15Х25Т, 10Х17НВМ2Т%С < 0,25%,Cr > 10%Конструкционные стали | 25Х1МФ,35ХГСА,ХГС, 40Х,5ХНМ, 70С3А,40ХНМА, 9ХВГ,10ХСНД,09Г2Сл.э. < 5%%С – любоеконструк. 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 – любое1)л.э.Cr+Ni≈30%,2) Mn> 10%износостойкие, конструкционные, жаростойкие и др. | Р18, Р9К8Р6М5, Р6М5K5Р9М4К8Стр-ра зернистый перлит. Глобулы цемента на ферритной основе. |
7. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали