Максимальное содержание углерода в стали

Влияние углерода на свойства углеродистых сталей

и их применение.

Низкоуглеродистые это достаточно мягкие, пластичные, хорошо деформируемые в холодном и горячем состоянии стали. Они хорошо свариваются всеми видами сварки.

С повышением содержания углерода прочность стали существенно возрастает ( таблица 4.1) из-за увеличения количества цементита в фазовом составе стали.

Среднеуглеродистые стали обладают хорошими прочностными свойствами, при небольшой пластичности и вязкости. Эти стали являются широко распространенным конструкционным материалом для узлов и деталей, работающих в условиях обычных силовых нагрузок. Удовлетворительно свариваются. С повышением содержания углерода свариваемость ухудшается.

Высокоуглеродистые стали обладают высокой твердостью и очень низкой пластичностью и вязкостью. Из–за этого стали содержанием углерода более 1,2% практически не используются.

Стали с содержанием углерода более 0,6% используются в штампово-инструментальном производстве холодного и горячего деформирования. Из этих же сталей изготавливают режущий и измерительный инструмент.

Кроме снижения ударной вязкости, увеличение углерода существенно повышает верхний порог хладноломкости, (расширяя тем самым температурный интервал перехода стали в хрупкое состояние). Каждая 0,1% углерода повышает температуру перехода приблизительно на 20о С. При содержании углерода 0,4% порог хладноломкости равен 0о С. При концентрации углерода 0,5% температура хрупкости достигает 20о С и сталь становится менее используемой в работе.

Особенно сильно сказывается влияние углерода при неравновесной структуре стали. После закалки на мартенсит временное сопротивление стали с увеличением содержания углерода увеличивается достигая максимума при 0,4%. При дальнейшем увеличении углерода теряется стабильность из-за хрупкого разрушения стали.

Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката в нормализованном состоянии и в зависимости от назначения и комплекса свойств подразделяют на группы: А, Б, В.

Стали группы А маркируются сочетанием букв «Ст» и цифрой (от 0 до 6), показывающей № марки, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера содержание углерода в стали увеличивается.

Стали групп Б и В имеют перед маркой данные буквы, указывающие на их принадлежность к этим группам.

Степень раскисления обозначается добавлением индексов: в спокойных сталях – «сп», полуспокойных – «пс», кипящих – «кп»,

(например: Ст 3сп).

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами без указания химического состава.

Таблица 4.1. Механические свойства углеродистых сталей

обыкновенного качества группы А

Сталь σв МПа σт, МПа δ,%
Не менее
  Ст0 Ст1 Ст2 Ст3 Ст4 Ст5 Ст6     Более 310 320-420 340-440 380-490 420-540 500-640   — — 200-230 210-250 240-270 260-290  

Стали группы А используют в состоянии поставки для изделий, изготовление которых не сопровождается горячей обработкой.

Содержание углерода в стали

В этом случае они сохраняют структуру нормализации и механические свойства, гарантируемые стандартом.

Стали группы Б поставляют с гарантированным химическим составом, но механические свойства не гарантируются. Стали этой группы применяют для изделий, изготавливаемых с применением горячей обработки (ковка, сварка и в отдельных случаях термическая обработка), при которой исходная структура и механические свойства не сохраняются. Знание химического состава необходимо для определения режима горячей обработки.

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом. Эти стали существенно дороже, чем стали групп А и Б, их применяют для ответственных деталей, в том числе и для производства сварных конструкций.

В этом случае важно знать исходные механические свойства стали, так они сохраняются неизменными в участках, не подвергаемых нагреву при сварке. Для оценки свариваемости важны сведения о химическом составе.

Механические свойства на растяжение для каждой марки стали группы В соответствуют нормам для аналогичных марок стали группы А, а химический состав – нормам для тех же номеров марок группы Б.

Углеродистые стали обыкновенного качества (всех трех групп) предназначены для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Способностью к свариванию и к холодной обработке давлением отвечают стали групп Б и В номеров 1-4.

Среднеуглеродистые стали номеров 5 и 6, обладающие большей прочностью, предназначаются для рельсов, железнодорожных колес, валов, шкивов, шестерен и других деталей грузоподъемных и сельскохозяйственных машин.

Некоторые детали из этих сталей групп Б и В подвергаются термической обработке – закалке с последующим высоким отпуском.

К недостаткам углеродистых сталей обыкновенного качества можно отнести то, что они часто не обеспечивают требуемых свойств по хладностойкости при эксплуатации сварных металлоконструкций в условиях Сибири и Крайнего севера.

Дата добавления: 2016-02-02; просмотров: 485;

Железо (Fe)

  • Обозначение — Fe (Iron);
  • Период — IV;
  • Группа — 8 (VIII);
  • Атомная масса — 55,845;
  • Атомный номер — 26;
  • Радиус атома = 126 пм;
  • Ковалентный радиус = 117 пм;
  • Распределение электронов — 1s22s22p63s23p63d64s2;
  • t плавления = 1535°C;
  • t кипения = 2750°C;
  • Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,83/1,64;
  • Степень окисления: +8, +6, +4, +3, +2, +1, 0;
  • Плотность (н. у.) = 7,874 г/см3;
  • Молярный объем = 7,1 см3/моль.

Железо является самым распространенным металлом в земной коре (5,1% по массе) после алюминия.

На Земле железо в свободном состоянии встречается в незначительных количествах в виде самородков, а также в упавших метеоритах.

Промышленным способом железо добывают на железнорудных месторождениях, из железосодержащих минералов: магнитного, красного, бурого железняка.

Следует сказать, что железо входит в состав многих природных минералов, обуславливая их природную окраску. Окраска минералов зависит зависит от концентрации и соотношения ионов железа Fe2+/Fe3+, а также от атомов, окружающих эти ионы. Например, присутствие примесей ионов железа влияет на окраску многих драгоценных и полудрагоценных камней: топазов (от бледно-желтого до красного), сапфиров (от голубого до темно-синего), аквамаринов (от светло-голубого до зеленовато-голубого) и проч.

Железо содержится в тканях животных и растений, например, в организме взрослого человека присутствует около 5 г железа. Железо является жизненно важным элементом, оно входит в состав белка гемоглобина, участвуя в транспортировке кислорода от легких к тканям и клеткам. При недостатке железа в организме человека развивается малокровие (железодефицитная анемия).

Железо в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева, стоит под номером "26", относится к переходным металлам (См.

Влияние углерода на свойства углеродистых сталей

Атомы переходных элементов).


Рис. Строение атома железа.

Электронная конфигурация атома железа — 1s22s22p63s23p63d64s2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 6 электронов 3d-подуровня (всего 8 электронов), поэтому в соединениях железо может принимать степени окисления +8, +6, +4, +3, +2, +1, (наиболее часто встречаются +3, +2). Железо обладает средней химической активностью.


Рис. Степени окисления железа: +2, +3.

Физические свойства железа:

  • металл серебристо-белого цвета;
  • в чистом виде достаточно мягкий и пластичный;
  • хобладает хорошей тепло- и электропроводимостью.

Железо существует в виде четырех модификаций (различаются строением кристаллической решетки): α-железо; β-железо; γ-железо; δ-железо.

Химические свойства железа:

  • реагирует с кислородом, в зависимости от температуры и концентрации кислорода могут образовываться различные продукты или смесь продуктов окисления железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4): 3Fe + 2O2 = Fe3O4;
  • окисление железа при низких температурах: 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3;
  • реагирует с водяным паром: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2;
  • мелко раздробленное железо реагирует при нагревании с серой и хлором (сульфид и хлорид железа): Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3;
  • при высоких температурах реагирует с кремнием, углеродом, фосфором: 3Fe + C = Fe3C;
  • с другими металлами и с неметаллами железо может образовывать сплавы;
  • железо вытесняет менее активные металлы из их солей: Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu;
  • с разбавленными кислотами железо выступает в роли восстановителя, образуя соли: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2;
  • с разбавленной азотной кислотой железо образует различные продукты восстановления кислоты, в зависимости от ее концентрации (N2, N2O, NO2).

Получение железа

Промышленное железо получают выплавкой чугуна и стали.

Чугун — это сплав железа с примесями кремния, марганца, серы, фосфора, углерода. Содержание углерода в чугуне превышает 2% (в стали менее 2%).

Чистое железо получают:

  • в кислородных конверторах из чугуна;
  • восстановлением оксидов железа водородом и двухвалентным оксидом углерода;
  • электролизом соответствующих солей.

Чугун получают из железных руд восстановлением оксидов железа. Выплавку чугуна осуществляют в доменных печах. В качестве источника тепла в доменной печи используется кокс.

Доменная печь является очень сложным техническим сооружением высотой в несколько десятков метров. Она выкладывается из огнеупорного кирпича и защищается внешним стальным кожухом. По состоянию на 2013 год самая крупная доменная печь была построена в Южной Корее сталелитейной компанией POSCO на металлургическом заводе в городе Кванъян (объем печи после модернизации составил 6000 кубометров при ежегодной производительности 5 700 000 тонн).


Рис. Доменная печь.

Процесс выплавки чугуна в доменной печи идет непрерывно в течение нескольких десятилетий, пока печь не выработает свой ресурс.


Рис. Процесс выплавки чугуна в доменной печи.

  • обогащенные руды (магнитный, красный, бурый железняк) и кокс засыпаются через колошник, расположенный в самом верху доменной печи;
  • процессы восстановления железа из руды под действием оксида углерода (II) протекают в средней части доменной печи (шахте) при температуре 450-1100°C (оксиды железа восстанавливаются до металла):
  • 450-500°C — 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;
  • 600°C — Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
  • 800°C — FeO + CO = Fe + CO2;
  • часть двухвалентного оксида железа восстанавливается коксом: FeO + C = Fe + CO.
  • параллельно идет процесс восстановления оксидов кремния и марганца (входят в железную руду в виде примесей), кремний и марганец входят в состав выплавляющегося чугуна:
    • SiO2 + 2C = Si + 2CO;
    • Mn2O3 + 3C = 2Mn + 3CO.
    • при термическом разложении известняка (вносится в доменную печь) образуется оксид кальция, который реагирует с оксидами кремния и алюминия, содержащихся в руде:
      • CaCO3 = CaO + CO2;
      • CaO + SiO2 = CaSiO3;
      • CaO + Al2O3 = Ca(AlO2)2.
      • при 1100°C процесс восстановления железа прекращается;
      • ниже шахты располагается распар, самая широкая часть доменной печи, ниже которой следует заплечник, в котором выгорает кокс и образуются жидкие продукты плавки — чугун и шлаки, накапливающиеся в самом низу печи — горне;
      • в верхней части горна при температуре 1500°C в струе вдуваемого воздуха происходит интенсивное сгорание кокса: C + O2 = CO2;
      • проходя через раскаленный кокс, оксид углерода (IV) превращается в оксид углерода (II), являющийся восстановителем железа (см. выше): CO2 + C = 2CO;
      • шлаки, образованные силикатами и алюмосиликатами кальция, располагаются выше чугуна, защищая его от действия кислорода;
      • через специальные отверстия, расположенные на разных уровнях горна, чугун и шлаки выпускаются наружу;
      • бОльшая часть чугуна идет на дальнейшую переработку — выплавку стали.
      • Сталь выплавляют из чугуна и металлолома конверторным способом (мартеновский уже устарел, хотя еще и применяется) или электроплавкой (в электропечах, индукционных печах). Суть процесса (передела чугуна) заключается в понижении концентрации углерода и других примесей путем окисления кислородом.

        Как уже было сказано выше, концентрация углерода в стали не превышает 2%. Благодаря этому, сталь в отличие от чугуна достаточно легко поддается ковке и прокатке, что позволяет изготавливать из нее разнообразные изделия, обладающие высокой твердостью и прочностью.

        Твердость стали зависит от содержания углерода (чем больше углерода, тем тверже сталь) в конкретной марке стали и условий термообработки. При отпуске (медленном охлаждении) сталь становится мягкой; при закалке (быстром охлаждении) сталь получается очень твердой.

        Для придания стали нужных специфических свойств в нее добавляют лигирующие добавки: хром, никель, кремний, молибден, ванадий, марганец и проч.

        В начало страницы

        Углерод – не случайная примесь, а важнейший компонент углеродистой стали, от количества которого завичсят ее свойства.

        Машиностроительные заводы получают сталь с металлургических предприятий в отожженном или горячекатаном состоянии. Структура конструкционных сталей (доэвтектоидных) состоит из феррита и перлита, инструментальных – из перлита и цементита.

        С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800HB и 80HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 10).

        При повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется вторичный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.

        Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20º. Это значит, что уже сталь с 0,4%С переходит в хрупкое состояние примерно при 0ºС, т. е. менее надежна в эксплуатации.

        Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.

        По категории качества различают углеродистые сплавы обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Главными признаками повышения качества являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию основных вредных примесей, таких как сера и фосфор.

        Под качеством понимается совокупность свойств, определяемых металлургическим процессом производства.

        Однородность хим.состава, строения и свойств стали, а также ее технологичность во многом зависят от содержания таких газов, как кислород, азот и водород.

        Обозначение марок — буквенно-цифровое.

        Так углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества (ГОСТ 380-88) маркируют буквенно-цифровым кодом и по гарантии свойств, при поставке подразделяют на три группы: А, Б и В. Буквы Ст означают сталь, цифры от 0 до 6 — условный номер марки, например Ст0, Ст2 и т. д.

        Группа — А – сплавы, поставляемые с гарантией механических свойств, химический состав их не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Они применяются для изготовления деталей механической обработкой.

        Стали группы Б поставляют с гарантией по химическому составу, так как они в дальнейшем обычно подвергаются различной обработке с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств, а именно горячей обработке давлением и ТО.

        Сплавы группы — В поставляются с гарантией совместно по химическому составу и механическим свойствам — по нормам для сталей групп А и Б. Их употребляют в производстве сварных конструкций.

        Степень раскисленности, обозначают буквами кп — кипящие, пс — полуспокойные и сп — спокойные. Кипящими являются стали марки Ст0 — Ст4, полуспокойными и спокойными могут выплавляться все марки от Ст1 до Ст6.

        При маркировке указывают только группы Б и В, например Ст2кп или ВСтЗпс, что означает сталь 2, группы А, кипящая или сталь 3, группы В, полуспокойная и т. п.

        В качественных сплавах максимальное содержание вредных примесей составляет не более чем 0,04 % серы и фосфора. Они менее загрязнены неметаллическими включениями и имеют меньшее количество растворенных газов. Их поставляют по химическому составу и механическим свойствам.

        Марки углеродистых качественных конструкционных сталей (ГОСТ 1050-74 и ГОСТ 4543-71) обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисленности — буквами, например сталь 10кп (это 0,10 % С, кипящая); 20пс (0,20 % С, полуспокойная). Для спокойных сталей индекс не ставится.

        Углеродистые качественные инструментальные сплавы (ГОСТ 1435-74) маркируются буквой — У, которая означает что сталь углеродистая, и следующим за ней числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента — 0,7 — 1,5 %, например У7, У7А, У13, У13А. Высококачественные сплавы характеризуются минимально возможным количеством серы и фосфора в них менее 0,035 %. Для обозначения высокого качества стали в конце марки ставят букву — А. например У7А, У13А, У10А.

        По структуре в отожженном (равновесном) состоянии различают следующие группы сталей:

        1) техническое железо с содержанием углерода менее 0,02%. Структура сплава однофазная – феррит ;

        2) доэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,02 до 0,8%. Структура сплавов состоит из феррита и перлита, причем с увеличением содержания углерода доля перлита в структуре возрастает (рис11.а);

        3) эвтектоидная сталь с содержанием углерода 0,8%. Структура стали – перлит: чередующиеся пластинки феррита и цементита (рис.11, б, в);

        4) заэвтектоидные стали с содержанием углерода от 0,8 до 2,14%. Структура состоит из участков перлита, разделенных хрупкими цементитными оболочками (рис.11, г).

        Рис. .11 Микроструктуры сталей:

        а – доэвтектоидная сталь (феррит+перлит); б – эвтектоидная сталь (пластинчатый перлит); в – эвтектоидная сталь (зернистый перлит); г – заэвтектоидная сталь (перлит + вторичный цементит).

        Легированные стали – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены химические элементы, обеспечивающие ему требуемую структуру и свойства. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих добавок делят на одно- и многокомпонентные. Более применяемым является название с указанием легирующих элементов, например, стали хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др.

        Обычно концентрация легирующих добавок больше, чем количество этих же элементов в виде примесей. По степени легирования, т. е.

        Методичка по определению углерода в стали

        по содержанию специально введенных добавок сплавы условно подразделяют на: низко-, средне- и высоколегированные. Количество этих элементов, в общем, составляет 2,5 — 5,0%; до 10 % и более 10 % соответственно.

        Понятие специальные стали более широкое, чем легированные сплавы, так как к первым, кроме легированных могут относиться и углеродистые, которым приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки

        В легированных сплавах (ГОСТ 5632-72, ГОСТ 20072-74) содержатся специально вводимые в различных количествах легирующие элементы, обозначаемые буквами русского алфавита: хром — X, никель — Н, молибден — М, вольфрам — В, кобальт — К, титан – Т, марганец — Г, медь — Д, ванадий — Ф, кремний — С, фосфор — П, алюминий –Ю, кобальт-К, бор – Р, ниобий — Б, цирконий — Ц, азот — А. Цифры после буквы указывают примерное содержание данной добавки в процентах округленное до целого числа. Если после буквы не стоит цифра, то это означает, что количество элемента меньше или около 1,0 %. Стоящая цифра 1, показывает, что концентрация добавки от 1,5 до 2,0%.

        Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок первые две цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Количество легирующих элементов, если они превышают 1,0 %, ставят после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 18ХГТ содержит около 0,18 % углерода; 1,0 % хрома, 1,0 % марганца и около 0,1 % титана.

        У стали, легированной азотом, букву А ставят в середине обозначения марки, например 15X17ATI4, если же она поставлена в конце марки, это говорит о том, что сплав высококачественный – 30ХГСА. Буква — А, находящаяся в начале марки, указывает, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости, например, А35Г2.

        Особовысококачественными являются только легированные железоуглеродистые сплавы. Они содержат не более 0,015 % серы и 0,025 % фосфора. К ним предъявляют высокие требования и по содержанию других примесей.

        Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 7758 | Нарушение авторского права страницы

        К этой группе относятся главным образом низкоуглеродис­тые хромоникелевые стали, дополнительно легированные элементами, упрочняющими у-твердый раствор. Их жаро­прочность обеспечивается в основном растворенными в твер­дом растворе легирующими элементами. Термин «гомоген­ные стали» следует понимать условно, так как в структуре этих сталей обычно присутствует некоторое количество кар­бидов и карбонитридов титана или ниобия.

        Гомогенные аустенитные стали используются преиму­щественно в энергомашиностроении для изготовления труб паронагревателей и паропроводов, арматуры установок сверхвысоких параметров и рассчитаны на длительную (до IO5 ч) службу при 650—700°С.

        При легировании этих сталей стремятся получить мак­симально стабильную аустенитную структуру, избежать, или замедлить выделение вторых фаз (карбиды, карбонит — риды, фазы Лавеса, а-фазы и др.), что позволяет иметь не­обходимый уровень длительной прочности и пластичности в течение всего ресурса эксплуатации. Важно для этих ста­лей обеспечить также высокие технологические свойства, такие как способность к горячей пластической деформа­ции, прошиваемость при изготовлении цельнотянутых труб, свариваемость и др. Эти цели достигаются повышен­ным содержанием никеля (отношение Ni/Cr>l), что при­дает стали глубоко стабильную аустенитную структуру.

        OOiOOO —-а- сч оо

        I, . о о

        M I 22 г:

        О о со сч

        1 I, OO CD К 1 1 1 (М —

        ООО

        -а-СО —

        OOiO CS сч — а — (М —,

        ООЙООЙ ою? ююй

        CDCO CD TTcn

        8 ю S S ю

        888 CD CD OO

        I I

        G60—16 790

        800—16

        740—16 780—25

        СО

        • I

        Сч

        —’

        "•с*

        —*

        О_

        О"

        О"

        ХЭ стГ— 9 I

        ~ к сч — I О

        Ttl

        V/

        S1 с о л >

        З s^S

        О vO vOtfS _ •»» в\ О4» LiJ

        О

        СО

        6 о.

        00 I

        I ю

        Ю —

        -СО

        •—I —,

        -с*

        *—

        —1

        О"

        О"

        СО,

        О"

        О"

        00,—, Ii

        N — Я5

        CO.^-

        Си

        Со {-

        О

        CN —

        CN ©

        X Ж

        О Л

        4T w

        И о

        А

        Ю со X

        Я

        Оо о

        О.

        •*<

        X ¦

        Ю

        X

        О

        О

        Низким содержанием углерода (в пределах 0,06—0,012%) и повышенным отношением Ti, Nb/C>10, что обеспечива­ет в исходном состоянии присутствие карбидов NbC, TiC и карбонитридов Nb, Ti (С, N), которые препятствуют обра­зованию при эксплуатации карбидных фаз типа Ме23Сб. Повышенная жаропрочность таких сталей объясняется вы­сокой легированностью у-твердого раствора такими элемен­тами, как вольфрам (до 2—3%), молибден (до 2,5%). На­личие стабильных карбонитридных фаз и высоколегирован­ного аустенита обусловливает высокие температуры рекристаллизации сталей этого типа. Так, для стали 1Х14Н18В2БР1 температура начала рекристаллизации (при деформации порядка 20%) лежит при 900°С, а кон­ца—при 1075°С.

        Многими исследователями также отмечается положительное влия­ние бора и редкоземельных металлов (р. з. м.) на жаропрочность ста­лей этого типа. Бор, церий и другие редкоземельные элементы являют­ся сильными раскнслнтелямн, поэтому в нх присутствии уменьшается содержание газов н неметаллических включений в сталях, что повышает нх качество. Влияние малых добавок р. з. м. и бора на сопротивление ползучести также связывают с их горофнльностью, т. е. способностью адсорбироваться по границам зерен (В. И. Архаров), что затрудняет зернограннчную диффузию и упрочняет границы. Кроме то­го, бор образует в сталях сложные бориды типа Afe3B2 н Ale2B (напри­мер, (Cr, W, №)гВ), которые обладают высокими температурами плав­ления (например, для Cr2B температура плавления 1850 0C). Важно от­метить, что зависимость длительной прочности от содержания бора имеет экстремальный характер (см. рнс. 181). По-видимому это свя­зано с тем, что при высоком содержании бора (>0,3 %) в большом количестве образуются крупные борнды, которые обедняют твердый раствор ниобием, вольфрамом, хромом и другими элементами. Кроме то­го, бор обладает увеличенной склонностью к лнквацнн и образованию боридных эвтектнк, а в сталях, подвергнутых прокатке, способствует образованию строчечной структуры, что отрицательно сказывается на нх пластических н жаропрочных свойствах.

        Таким образом, мнкролегированне аустеннтных сталей бором и р. з. м. оказывает положительное влияние на жаропрочность н пластич­ность как вследствие рафинирующего действия прн выплавке, так "и упрочнения границ зерен благодаря их горофильности.

        В процессе длительной работы после 1—2-IO5 ч в этих сталях наблюдали выделения вторичных фаз (например, фазы Лавеса типа Fe2Mo, Fe2W), коагуляцию карбидных фаз и в некоторых сталях выделения в небольших коли­чествах (1—2%) интерметаллндов типа NiaTi.

        Эти измене­ния протекают очень медленно и незначительно влияют на пластичность и жаропрочность сталей.

        Стали этого типа имеют высокую релаксационную стой­кость при длительной эксплуатации и их используют для изготовления крепежных деталей. Важное значение в обе­спечении высокого уровня жаропрочности аустенитные сталей этого типа имеет величина зерна: при испытаниях сталей выше 600 0C длительная прочность и сопротивление ползучести у крупнозернистых сталей выше, чем у мелкозер­нистых (рис. 188), при этом чем выше температура испы­таний, тем больше выигрыш в длительной прочности

        8-7 Orf 4 3 2 Размер зерна, баллы

        Рис. 188. Влияние размера зерна на скорость ползучести t>n;

        ,30 МПа, 800"С 60 МПа, 7О0°С

        Юомпа, боо°с

        9-Ю 8-7 7-В 4-5 3-2 Размер зерна, баллы

        А —стали 10X18H12T (И. Р. Кря &#8212; нии); б —стали 10X14H14B2M (Е. Морлэ, М. Маркович, А. Гор &#8212; бодей)

        У крупнозернистых сталей. Отметим, что одновременно сни­жается пластичность сталей.

        Термическая обработка аустенитных гомогенных сталей состоит из закалки (аустенитизации) от высоких темпера­тур (1050—1200 °С) или аустенитизации и стабилизирую­щего отпуска (700—750 °С) и преследует цель получить бо­лее однородный у-твердый раствор, заданную величину зер­на (балл 3—6) и стабильную структуру, а также снять на­пряжения, которые могут возникнуть в процессе изготов­ления деталей.

        Следует отметить, что улучшение служебных характе­ристик и удешевление сталей этого типа обычно связывают со следующими направлениями исследований: оптимизация состава сталей, в частности частичная замена никеля мар­ганцем и азотом, использование сталей в наклепанном со­стоянии (холодная деформация или термомеханическая обработка), особенно при рабочих температурах, более низких, чем температура рекристаллизации; более широ­кое использование микролегирования сталей бором, р. з. м.; усовершенствование технологии выплавки, обработки дав­лением и режима термической обработки.

        2. Стали с карбидным упрочнением

        Стали с карбидным упрочнением предназначены для рабо­ты при температурах 650—750 °С и довольно высоких уров­нях напряжений. Их используют для изготовления ответст­венных деталей энергомашиностроения (диски и лопатки турбин, крепежные детали и др.).

        Основу сталей с карбидным упрочнением составляют Cr—Ni или Cr—Ni—Mn аустенит, содержащий 0,25—0,5% углерода. v

        Марганец, как и никель, расширяет у-область в сплавах на основе железа и в многокомпонентных системах, кото­рыми являются жаропрочные аустенитные стали. Он так­же выступает в качестве аналога никеля. Это позволяет частично заменить никель менее дефицитным марганцем, причем установлено, что присутствие марганца способству­ет некоторому повышению жаропрочности сталей. Однако стали с полной заменой никеля марганцем, т. е. на основе Cr—Mn-аустенита, не нашли широкого применения в ка­честве жаропрочных материалов в связи с их недостаточ­ной жаростойкостью и низкой температурой плавления, так как приходится снижать содержание хрома в сталях для обеспечения аустенитной структуры.

        Карбидообразующие элементы V, Nb, W, Mo связывают часть углерода в специальные карбиды, а также упрочня­ют аустенитную матрицу.

        Упрочняющими карбидными фазами в аустенитных ста­лях в основном являются карбиды ванадия и ниобия (VC, NbC), а также карбиды хрома (типа Me23C6 и Me7C3). По­следние обычно растворяют в себе другие элементы (Fe, W, Mo и др.), поэтому состав этих карбидов изменяется в зависимости от легирования стали и режима термической обработки.

        Карбиды ванадия выделяются при старении в высоко­дисперсном состоянии и обеспечивают значительную долю упрочнения этих сталей.

        Специальные карбиды типа MeС в процессах старения практически не участвуют, так как имеют высокие темпе­ратуры растворения при аустенитизации, карбиды и карбо &#8212; нитриды ниобия начинают растворяться только после на­грева выше 1250°С, а в основном присутствуют в сталях в виде первичных выделений. Положительная роль этих фаз заключается в том, что они препятствуют росту аустенит­ного зерна при нагреве, и, в частности, образованию разно &#8212; зернистости.

        Уровень жаропрочности и термическая стабильность сталей данного класса зависят от температуры старения. При низких температурах (500—600°С) выделение карбид­ных фаз протекает медленно, образуются высокодисперс­ные частицы, прочностные свой­ства при изотермической вы­держке непрерывно возраста­ют. С повышением температу­ры старения (или испытания) скорость процессов выделения и коагуляции возрастает, до­стигается определенный макси­мум упрочнения, положение ко­торого зависит от состава спла­ва (рис. 189). Чем сложнее карбидные фазы по составу, чем легированнее аустенит ста­ли, тем больше эффект упроч­нения при старении и медлен­нее развиваются процессы раз­упрочнения.

        Отметим также, что при низкотемпературном старении легирован­ного аустенита с выделением дисперсных фаз возникает состояние очень сильного упрочнения и одновременно падает пластичность, увеличива­ется чувствительность к хрупкому разрушению. Например, сталь 40Х12Н8Г8МФБ (ЭИ481) после низкотемпературного старения приоб­ретает высокую твердость, но чувствительна к надрезу, а ее жаропроч­ные свойства нестабильны. Поэтому для этой стали применяется двой­ное (или ступенчатое) старение: 660 0C (16 ч) и 800 "С (16 ч). Старе­ние при повышенной температуре способствует снятию части напряжений, возникающих при низкотемпературном старении, частичной коагуляция карбидных фаз.

        3. Стали с интерметаллидным упрочнением

        Жаропрочные хромоникелевые стали с интерметаллидным упрочнением, а также сплавы на хромоникелевой основе с высоким содержанием никеля (до 38%) нашли применение при изготовлении компрессоров, турбин, дисков, сварных изделий, шпилек, болтов и других деталей, работающих при температурах до 750—850°С.

        HВ, MПа

        Рис. 189. Зависимость твердости HB сталей с карбидным упрочнени­ем от температуры старения при выдержке 16 ч:

        1 — сталь 37Х12Н8Г8; 2 — сталь 37Х12Н8Г8МФБ (В. Н. Захаров)

        Легирование сталей этого типа преследует цель созда­ния высоколегированного железоникелевого аустенита, об­ладающего склонностью к распаду при старении, и об­разования фаз-упрочнителей — интерметаллидных фаз типа у&#8217; — (Ni, Fe)3(Ti, Al) и фаз Лавеса .

        О 123Ч5В789 Легирующий элемент, %

        Рис. 191. Влияние содержания леги­рующих элементов на время до разрушения т сплава Х14Н35ВТЮ при 750 "С и а-=300 МПа (М. В. Придаицев)

        Состав упрочняющих фаз в этих сталях изменяется в зависимости от легирования и определяет уровень длитель­ной прочности, достигаемый при различных температурах испытания. На рис. 190 приведена зависимость Одл°&#8217; при

        Ю3

        Время, ч

        Рис. 190. Длительная прочность при 750 °С стали типа 08Х15Н25В5, дополнительно легированной 0—2,2 % Al, 0—2,0 % Ti, 0—2,5 % Nb, 0—2,24 % Mo в зависимости от тнпа основной упрочняющей фазы: / — у&#8217;+AB2-, 2 — AB2&#8242;, 3 — Aie23Ct; 4 — Me23Ce+ +AB2 (И. Л. Мнркии, Ж. И. Фантаева, А. С. Терешкович)

        Различных базах испытания, полученная на стали типа 08Х15Н25В5 при дополнительном введении легирующих элементов (Al, Nb, Mo, Ti), приводящих к выделению уп­рочняющих фаз различной природы.

        27. Классификация сталей по содержанию углерода,назначению и качеству.

        Установлено, что на­иболее высокая Одл° обеспечивается при совместном выде­лении у&#8217;-фазы и фаз Лавеса, а наименьшая длительная прочность при выделении карбидных фаз типа Me2зС6.

        Фазы Лавеса могут растворять хром и никель и соответствовать формулам (Fe, Cr, Ni)2W, (Fe, Cr, Ni)2(W, Mo). Фазы Лавеса в ста­лях, богатых молибденом, начинают растворяться при более низких тем­пературах (900—950 °С), чем в сталях, богатых вольфрамом (1000— 1050 °С). Полного растворения этих фаз не происходит и при темпера­турах 1250—1300 0C, однако при нагреве до высоких температур они резко укрупняются. Как правило, фазы Лавеса имеют тенденцию к пре­имущественному выделению по границам зерен, однако могут выделять­ся и внутри кристаллов, по плоскостям скольжения.

        Аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением содержат повышенное количество никеля, титана и алюми­ния. Замена никеля марганцем в сталях этого типа не про­изводится, так как он не образует благоприятных для уп­рочнения интерметаллических фаз и понижает жаростой­кость сталей.

        Содержание углерода в этих сталях ограничивают обычно <0,1%. Во многие стали дополнительно вводят молибден и вольфрам (до 3,5%) с целью повышения дли­тельной прочности. Влияние легирующих элементов на время до разрушения сплава на железоникелевой основе типа Х14Н35ВТЮ (ЭИ787) показано на рис. 191.

        Отметим, что концентрационная зависимость влияния легирующих элементов на длительную прочность имеет эк­стремальный характер: сначала длительная прочность рас­тет, а затем снижается. Повышение жаропрочности связа­но с тем, что легирующие элементы затрудняют диффузию» в аустенитной матрице, препятствуют коагуляции и раство­рению упрочняющих интерметаллидных фаз, увеличивают их количество при старении (в частности благодаря умень­шению растворимости титана и алюминия в аустените) й сдвигают температуру максимального упрочнения к более высоким температурам.

        Однако повышенное сверх оптимального содержание легирующих элементов в этих сталях может вести к нега­тивным последствиям в отношении жаропрочности. В част­ности, высокое содержание молибдена (более 5—6%), ти­тана и алюминия может сопровождаться снижением темпе­ратуры солидуса и соответственно характеристик жаро­прочности.

        Сорбитом — более мелкую (дисперсную), чем перлит, механическую смесь феррита и цементита. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.

        При охлаждении образца до 500°С, аустенит превращается в троостит. Троостит представляет собой очень тонкую, смесь феррита и цементита; отличается от перлита и сорбита очень высокой степенью дисперсности составляющих.

        Влияние углерода на свойства стали

        Сталь со структурой троостита обладает повышенной твердостью (НВ 330—400), достаточной прочностью, умеренной вязкостью и пластичностью.

        а — перлит б сорбит в троостит

        Рис. 1.40 Микроструктура перлита

        а- перлита, б- сорбита в- троостита

        Далее по мере, ускорения процесса охлаждения первое превращение аустенита в троостит не успеет закончиться. Оставшаяся часть переохлажденного аустенита начнет превращаться в троостит с мартенситом.

        При наибольших скоростях охлаждения в стали получается только мартенсит. Скорость охлаждения, при которой в закаливаемой стали из аустенита образуется только мартенсит, называют критической скоростью закалки. Чтобы: закалить сталь, ее охлаждают сo скоростью, не меньшей, чем критическая.

        Мартенситное превращение в отличие от перлитного имеет бездиффузионный характер. Мартенсит является основной структурой закаленной стали. Он имеет высокую твердость, зависящую от содержания углерода в стали. Чем больше содержится углерод в мартенсите, тем выше твердость стали. Мартенсит имеет совершено отличную от других структур природу. При резком переохлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора (аустенита) в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита.

        Мартенсит представляет собой твердый раствор углерода в &#945;-железе, которое способно растворять очень небольшое количество углерода (до 0,02%), а в мартенсите углерода столько, сколько его содержится в аустените этой стали, поэтому мартенсит является &#945;-твердым раствором, пе­ренасыщенным углеродом.

        Дата публикования: 2015-11-01; Прочитано: 301 | Нарушение авторского права страницы

        Сплавы железа с углеродом

        Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов дает представление о строении основных конструкционных сплавов — сталей и чугунов.

        Железо— пластичный металл серебристо-белого цвета с невысокой твердостью (НВ 80). Температура плавления — 1539°С, плотность 7,83 г/см3. Имеет полиморфные модификации (см. раздел 2.1.). С углеродом железо образует химическое соединение и твердые растворы.

        Ферритом называется твердый раствор углерода в а- железе. Содержание углерода в феррите очень невелико — максимальное 0,02% при температуре 727°С. Благодаря столь малому содержанию углерода свойства феррита совпадают со свойствами железа (низкая твердость и высокая пластичность). Твердый раствор углерода в высокотемпературной модификации Fe&#945; (т.е. в Fe&#948;) часто называют &#948;- ферритом или высокотемпературным ферритом.

        Рис. 13 Феррит

        Аустенит — это твердый раствор углерода в &#947;- железе. Максимальное содержание углерода в аустените составляет 2,14% (при температуре 1147°С). Имеет твердость НВ 220.

        Рис.

        Что такое сталь?

        14 Аустенит

        Цементит— это химическое соединение железа с углеродом (карбид железа) Fe3C. В нем содержится 6,67 % углерода (по массе). Имеет сложную ромбическую кристаллическую решетку. Характеризуется очень высокой твердостью (НВ 800), крайне низкой пластичностью и хрупкостью.

        Рис. 15 Пластинчатый перлит

        Рис. 16 Зернистый перлит

        Перлит— это механическая смесь феррита с цементитом. Содержит 0,8% углерода, образуется из аустенита при температуре 727°С. Имеет пластинчатое строение, т.е. его зерна состоят из чередующихся пластинок феррита и цементита. Перлит является эвтектоидом.

        Эвтектоид— это механическая смесь двух фаз, образующаяся из твердого раствора (а не из жидкого сплава, как эвтектика).

        Ледебуритпредставляет собой эвтектическую смесь аустенита с цементитом. Содержит 4,3% углерода, образуется из жидкого сплава при температуре 1147°С. При температуре 727°С аустенит, входящий в состав ледебурита превращается в перлит и ниже этой температуры ледебурит представляет собой механическую смесь перлита с цементитом.

        Фаза цементита имеет пять структурных форм: цементит первичный, образующийся из жидкого сплава; цементит вторичный, образующийся из аустенита; цементит третичный, образующийся из феррита; цементит ледебурита; цементит перлита.

        Диаграмма Fe-Fe3C. На рис. 17 приведена диаграмма состояния сплавов железа с цементитом. На горизонтальной оси концентраций отложено содержание углерода от 0 до 6,67%. Левая вертикальная ось соответствует 100% содержанию железа. На ней отложены температура плавления железа и температуры его полиморфных превращений. Правая вертикальная ось (6,67% углерода) соответствует 100% содержанию цементита. Буквенное обозначение точек диаграммы принято согласно международному стандарту и изменению не подлежит.

        Диаграмма состояния железо-углерод

        Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на техническое железо (до 0,02% С), сталь (от 0,02 до 2,14 % С) и чугун (от 2,14 до 6,67% С). Сталь, содержащая до 0,8% С называется доэвтектоидной, 0,8% С — эвтектоидной и свыше 0,8% С — заэвтектоидной. Чугун, содержащий от 2,14 до 4,3% С называется доэвтектическим, ровно 4,3% — эвтектическим и от 4,3 до 6,67% С — заэвтектическим.

        Структура техническою железа представляет собой зерна феррита или феррит с небольшим количеством третичного цементита. Обязательной структурной составляющей стали является перлит. Структура доэвтектоидной стали, состоит из равномерно распределенных зерен феррита и перлита. Эвтектоидная сталь состоит только из перлита. Структура заэвтектоидной стали представляет собой зерна перлита, окруженные сплошной или прерывистой сеткой вторичного цементита. Для чугуна характерно наличие ледебурита в структуре. Структура доэвтектического чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита, эвтектическою — из ледебурита и заэвтектического — из ледебурита и первичного цементита.

        Значение диаграммы железо — цементит состоит в том, что она позволяет объяснить зависимость структуры и, соответственно, свойств сталей и чугунов от содержания углерода и определить режимы термической обработки для изменения свойств сталей.

        Три основных вида термической обработки: отжиг, закалка, отпуск (старение). Их назначение.

        Таким образом, путем изменения режима термической обработки удается получать различные физико-механические свойства металлов. К основным операциям термической обработки относят отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.

        Отжиг – термическая обработка заключающаяся в нагреве металла до определенных температур, выдержка и последующего очень медленного охлаждения вместе с печью. Применяют для улучшения обработки металлов резанием, снижения твердости, получения зернистой структуры, а также для снятия напряжений, устраняет частично (или полностью) всякого рода неоднородности, которые были внесены в металл при предшествующих операциях (механическая обработка, обработка давлением, литье, сварка), улучшает структуру стали.

        Отжиг первого рода. Это отжиг при котором не происходит фазовых превращений, а если они имеют место, то не оказывают влияния на конечные результаты, предусмотренные его целевым назначением. Различают следующие разновидности отжига первого рода: гомогенизационный и рекристаллизационный. Гомогенизационный – это отжиг с длительной выдержкой при температуре выше 950С (обычно 1100–1200єС) с целью выравнивания химического состава. Рекристаллизационный – это отжиг наклепанной стали при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации, с целью устранения наклепа и получение определенной величины зерна. Отжиг второго рода. Это отжиг, при котором фазовые превращения определяют его целевое назначение. Различают следующие виды: полный, неполный, диффузионный, изотермический, светлый, нормализованный (нормализация), сфероидизирующий (на зернистый перлит). Полный отжиг производят путем нагрева стали на 30–50 °С выше критической точки, выдержкой при этой температуре и медленным охлаждением до 400–500 °С со скоростью 200 °С в час углеродистых сталей, 100°С в час для низколегированных сталей и 50 °С в час для высоколегированных сталей. Структура стали после отжига равновесная, устойчивая. Неполный отжиг производится путем нагрева стали до одной из температур, находящейся в интервале превращений, выдержкой и медленным охлаждением. Неполный отжиг применяют для снижения внутренних напряжений, понижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием. Диффузионный отжиг. Металл нагревают до температур 1100–1200С, так как при этом более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава. Изотермический отжиг заключается в следующем: сталь нагревают, а затем быстро охлаждают (чаще переносом в другую печь) до температуры, находящейся ниже критической на 50–100С. Нормализация – заключается в нагреве металла до температуры на (30–50) С выше критической точки и последующего охлаждения на воздухе. Высокоуглеродистые стали подвергают нормализации с целью устранения цементитной сетки. Закалка – это нагрев до оптимальной температуры, выдержка и последующее быстрое охлаждение с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость и понижается пластичность стали. Отпуск стали является завершающей операцией термической обработки, формирующей структуру, а следовательно, и свойства стали. Отпуск заключается в нагреве стали до различных температур (в зависимости от вида отпуска, но всегда ниже критической точки), выдержке при этой температуре и охлаждении с разными скоростями. Назначение отпуска – снять внутренние напряжения, возникающие в процессе закалки, и получить необходимую структуру. В зависимости от температуры нагрева закаленной детали различают три вида отпуска: высокий, средний и низкий. Высокий отпуск производится при температурах нагрева выше 350–600 °С, но ниже критической точки; такой отпуск применяется для конструкционных сталей. Средний отпуск производится при температурах нагрева 350 – 500°С; такой отпуск широко применяется для пружинной и рессорной сталей. Низкий отпуск производится при температурах 150–250 °С. Твердость детали после закалки почти не изменяется; низкий отпуск применяется для углеродистых и легированных инструментальных сталей, для которых необходимы высокая твердость и износостойкость. Старение – это процесс изменения свойств сплавов без заметного изменения микроструктуры.

        Если изменение твердости, пластичности и прочности протекает при комнатной температуре, то такое старение называется естественным. Если же процесс протекает при повышенной температуре, то старение называется искусственным.

        Общие понятия об отжиге: разновидности, назначение.

        Отжиг-операция термической обработки, заключающуюся в нагреве стали, выдержке при данной температуре и последующем медленном охлаждении вместе с печью. В результате образуется устойчивая структура, свободная от остаточных напряжений. Виды: Отжиг І рода –нагрев Ме в неустойчивом состоянии, полученном предшествующими обработками, для приведения Ме в более устойчивое состояние. Различают: Гомогенизационный отжиг – здесь главным процессом является устранение последствий дендритной ликвации(химической неоднородности, проявляющаяся в пределах одного дендрита — кристалла древовидной (ветвистой) формы). Достигается за счет диффузионных процессов, сталь нагревают до высоких температур при этих температурах делается длительная выдержка и медленное охлаждение. Рекристаллизационный отжиг применяют для сталей после холодной обработки давлением – это термическая обработка деформированного металла или сплава, при котором главным процессом являются возврат (изменения в структуре, но размер и форма зерен не изменяется) и рекристаллизация(зарождение и рост новых зерен с меньшим количеством дефектов). Отжиг, уменьшающий напряжение – главным процессом является полная или частичная релаксация остаточных напряжений (после литья, сварки. Отжиг &#921;&#921; рода основан на использовании фазовых превращений сплавов. Этот вид отжига состоит в нагреве выше температуры превращения с последующим медленным охлаждением для получения устойчивого структурного состояния сплавов. Полный отжиг производится для доэвтектоидных сталей. Сталь нагревают выше критической точки Ас3 на 30-50 0С и после прогрева детали проводят медленное охлаждение вместе с печью. Цели полного отжига: — устранение пороков структуры, возникших при литье, горячей деформации, сварке, смягчение стали перед обработкой резанием, уменьшение напряжений. Неполный отжиг отличается от полного тем, что в этом случае нагрев производится на 30-50 0С выше критической точки Ас1 (линия РSК на диаграмме железо-цементит). Охлаждение-вместе с печью. Неполный отжиг доэвтектоидной стали используют для смягчения ее перед обработкой резанием, снятия внутренних напряжений. Изотермический отжиг нагрев стали до температуры Ас3 + (30-50 0С), затем ускоренное охлаждение до температуры изотермической выдержки ниже точки Ас1 и дальнейшее охлаждение на спокойном воздухе. Изотермический отжиг по сравнению с обычным отжигом имеет два преимущества: — больший выигрыш во времени, т.к. суммарное время ускоренного охлаждения, выдержки и последующего охлаждения может быть меньше медленного охлаждения изделия вместе с печью; — получение более однородной структуры по сечению изделий, т.к. при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается и превращение во всем объеме стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

        Дата добавления: 2015-03-19; просмотров: 829;

        Добавить комментарий

        Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *