Конспект лекций и ответы на экзаменационные вопросы по предмету Термическая Обработка

Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.

Прокаливаемость сталей.

Под прокаливаемостью понимают способность сталей закаливаться на максимальную глубину.

Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку, уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности. Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих элементов. Большинство из них сдвигают с-образные кривые вправо. Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а также Ni, Mo, Mn. В большинстве случаев при проектировании детали конструктор должен знать величину критического диаметра для данной марки стали. Критический диаметр – это максимально возможный диаметр для данной марки стали, закаливающейся в данном охладителе насквозь. Самый простой метод определения критического диаметра – способ пробной закалки. Для этого от прутка отрезают кусок, нагревают, закаливают и измеряют твердость по диаметру. Если твердость меняется мало, то деталь прокаливается насквозь.

Наиболее часто для определения критического диаметра применяется способ торцевой закалки. Для этого из исследуемой стали изготовляют цилиндрический образец с длиной цилиндра 100 мм и диаметром 25.

Образец нагревается в печи, а затем охлаждается струей воды, направленной в торец. После полного охлаждения производится замер твердости, начиная от торца до тех пор, пока твердость не перестанет изменяться. Границу закаленной зоны определяют по величине закаливаемости стали. Закаливаемость – это способность стали закаливаться на максимальную твердость. Закаливаемость зависит прежде всего от содержания углерода. Чем больше углерода, тем выше твердость, тем выше закаливаемость. А также от содержания карбидообразующих легирующих элементов.

Резкое падение закаливаемости происходит тогда, когда в её структуре становится менее 50% мартенсита.

Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода.

Таким образом, зная содержание углерода в данной стали, по специальному экспериментальному построенному графику определяется твердость полумартенситной зоны. После этого на экспериментально полученном графике изменение твердости от торца получаем величину а. После этого по специальной номограмме Блантера определяется критический диаметр для данной марки стали. Для этого величину а откладываем на верхней масштабной линейке, и отпускаем линию вниз до пересечения с линией соответствий индивидуальной скорости охлаждения. От точки пересечения откладываем горизонталь до используемой охлаждающей среды: вода, масло или воздух. Найдя точку пересечения опускаем вниз на шкалу критических диаметров.

Химико-термическая обработка (ХТО).

ХТО – это сочетание воздействий на деталь химической среды и теплового воздействия с целью изменения химического состава и свойств поверхности детали.

ХТО делится на:

1. ХТО с насыщением не металлами (C, N, Si, B).

2. ХТО с насыщением металлами (Cr, Ni, Ti, Zn).

3. Многокомпонентная ХТО.

Процесс насыщения поверхности детали можно условно разбить на 3 стадии:

1. Создание активных атомов.

2. Перенос активных атомов к поверхности детали и взаимодействие их с поверхностью.

3. Диффузия активных атомов в глубь металлов.

Все эти 3 стадии процесса идут последовательно и поэтому общая скорость ХТО определяется скоростью одной из стадий, идущей наиболее медленно.

Обычно наименьшая скорость – это скорость диффузии в металле. Для ускорения диффузии увеличивают температуру. Чем выше температура, тем быстрее идет диффузия, тем скорее происходит процесс насыщения поверхности детали. Технологический процесс насыщения поверхности детали может происходить по-разному:

1. способ насыщения из порошковых засыпок, т.е. деталь засыпают порошками, содержащими нужные элементы. Способ самоуниверсальный, наиболее доступный. Однако производительность его недостаточна и потребность в большом количестве порошка;

2. насыщение из газовой фазы. Детали помещают в специальные печи с контролируемой газовой атмосферой. Детали на конвейере проходят через печь и после выхода сразу закаливаются. Достоинства: высокая производительность, стабильное качество. Применяется при массовом изготовлении.

3. Насыщение из жидкой среды. При этом способе детали помещают в расплавы солей, щелочей, металлов, содержащих нужный элемент.

4. Насыщение из пасты. Этот способ применяется для местного насыщения детали легирующими элементами.

5. Насыщение вакуумом. Деталь помещают в вакуумную камеру, нагревают и конденсируют на нее атомы легирующих элементов. Применяется для специальных деталей или детали, которые не должны окисляться.

Структура поверхностного слоя в деталях, образующихся при ХТО, зависит от типа взаимодействия насыщающего элемента с металлом, который является основным компонентом в данной детали.

Если насыщающий элемент образует неограниченный твердый раствор, то при ХТО наблюдается плавное изменение концентрации и структуры.

Если нам известна необходимая толщина насыщенного легирующим элементом поверхностного слоя, то процессы ХТО ведут до тех пор пока на границе этого слоя не будет достигнута необходимая концентрация этого элемента.

Глубина насыщенного слоя определяется коэффициентом диффузии Д, t – время.

Глубина диффузного слоя в значительной степени зависит от коэффициента диффузии легирующего элемента и от времени насыщения. Коэффициент диффузии определяется самим легирующим элементом, т.е. его природой. Чем больше температура, тем больше коэффициент диффузии, тем скорее идет насыщение. Толщина насыщенного слоя определяется, прежде всего, временем, но для того, чтобы увеличить толщину слоя в 2 раза необходимо увеличить время обработки (насыщения) в 4 раза. Если взаимодействие легирующего элемента с основным компонентом носит более сложный характер, то структура слоя будет более сложная и будет соответственно отражать фазовый состав, наблюдается на диаграмме состояния, которая образуется при взаимодействии основного компонента с насыщающим элементом.

Если взаимодействие образуется в несколько фаз (твердых растворов или химических соединений), то все эти фазы будут образовываться в поверхностном слое в порядке убывания концентраций. Каждый из слоев будет соответствовать отдельной фазе . Причем изменение концентрации в этом слое будет соответствовать изменению концентрации на диаграмме состояния при этой температуре. Двухфазные слои могут образовываться при ХТО только в тех случаях, когда во время охлаждения одна из фаз в результате какой-либо реакции распадается на смесь нескольких фаз.

Изменение структуры поверхности при ХТО составляет направленную диффузию легирующего элемента. В начале на поверхности образуется зародыши новых фаз, затем они растут в глубь детали, создавая на поверхности характерную столбчатую структуру.

В нескольких случаях после ХТО проводят дополнительную обработку, включая в себя закалку отпуск для того, чтобы получить необходимую структуру на поверхности нужные свойства.

Насыщение металлов неметаллами.

Основные виды ХТО разработаны и применяются для стальных деталей. В зависимости от основного насыщенного компонента эти виды называют:

1. Цементация – насыщение углеродом.

2. Азотирование – насыщение азотом.

3. Сульфатирование – насыщение серой.

4. Силицирование – насыщение кремнием.

5. Борирование – насыщение бором.

Возможно также многокомпонентное насыщение.

Насыщение С и N – нитроцементация

N-S – сульфоазатирование.

1. Цементация стали

Цементация вызывает процесс насыщения поверхностей деталей углеродом с целью повышения твердости и износостойкости. Цементацию применяют для деталей, в которых твердость поверхности должна сочетаться с вязкой сердцевиной, хорошо выдерживающей ударную нагрузку. Цементации подвергают стали, в которых содержание углерода не превышает 0,1-0,25% С.

Цементацию насыщением С проводят либо из твердой среды, либо в специальных газовых печах, куда вводятся предельные углеводороды, содержащие большое количество С, твердая среда состоит из угля С = 80%, углекислой соли Ca Co_3. Для активного прохождения насыщенности углеродом необходимо обеспечить перенос С от твердого карбюратора на поверхность детали. Этот перенос осуществляется за счет существования газовой фазы, содержащей окись углерода СО. В печах зацементация происходит за счет насыщения безгазовой фазы, доставка С на поверхности детали осуществляется при распаде предельных углеводородов. Процесс цементации ведется при высоких температурах порядка 900 – 950⁰С. Такая температура необходима для перехода структуры в аустенитное состояние.

Температура цементации должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить аустенитную структуру и чтобы не вызвать рост зерна. Продолжительность процесса цементации определяется необходимой глубиной насыщаемого слоя и определяется исходя из скорости насыщения 0,1 мм/час. Общая продолжительность 8-10 часов. После окончания процесса цементации деталь охлаждается, при этом происходит изменение её структуры.

Если деталь содержит 0,1-0,25 % С, то исходящая структура была Ф+П.

После цементации структура поверхностного слоя соответствует изменением структуры на диаграмме Fe-C. При этом на поверхности детали возникает неблагоприятная структура, в виде сплошной сетки вторичного цементита по границе зерен.

Несмотря на самую высокую твердость цементитная сетка сильно охрупчивает металл и может вызвать выкрашивание поверхности.

Для исправления структуры и получения нужных свойств детали после цементации в обязательном порядке подвергают дополнительной термообработке. Она включает в себя одинарную или двойную закалку и последующий низкий отпуск. Если деталь не имеет ответственного назначения, то после цементации применяют одну закалку. Нагревают до 880-900⁰С и охлаждают в масле. Закалка с такой температурой вызывает частичное растворение цементитной сетки. В результате вместо сплошных выделений вторичного цементита по границам образуются отдельные мелкие включения по всему объему металла. Но закалка с такой температурой сохраняет крупнозернистое строение стали. Поэтому вязкость будет пониженная. Отпуск при температуре 160-180є С позволяет уменьшить закалочные напряжения без уменьшения твердости.

Для ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам применяют сложную ТО, которая состоит из трех операций.

1. Высокотемпературная закалка

860-880є С, которая для крупногабаритных деталей может быть заменена на нормализацию. Эта операция термообработки направлена на устранение цементитной сетки.

2. Закалка 760-780є С (обязательная). Повторная закалка позволяет измельчить зерно в стали и соответственно повысить её вязкость.

3. Низкий отпуск (1-2 часа). Цель – снятие закалочных напряжений. Дополнительная обработка после цементации позволяет перевести перлитную структуру в мартенситную. Это обеспечивает увеличение прочности и твердости поверхности.

Окончательные свойства детали получаются после цементации при термообработке, поверхность будет иметь 700-750 НВ (кг/мм²), (58-62 НRО), середина свои свойства не изменяет: 180-200 НВ, (120-140 НRв).

Азотирование.

Это насыщение поверхности детали азотом.

Азотирование проводят в специальных газовых печах, куда помещают детали, а затем подается диссоциированный аммиак, т.е. проходит распад аммиака. Диссоциация аммиака проходит в специальных автоклапанах в присутствии катализатора. Это нужно для того, чтобы в печь поступали атомы азота.

Температура азотирование 520-550є С, т.е. она не высокая, так как растворимость азота в феррите вполне достаточная. Поэтому азотирование можно проводить после окончаний термообработки, например, после закалки и высокого отпуска. Это позволяет подвергать азотированию уже готовые детали, прошедшие обработку резанием, шлифованием, т.е. не требуется оставлять припуски на окончательную обработку как при цементации.

Низкая температура азотирования не позволяет получить глубокого насыщения поверхностей. Поэтому обычная толщина азотированного слоя 0,3 – 0,5 мм, а продолжительность процесса в 2-3 раза превышает продолжительность цементации.

Для повышения эффекта износостойкости стали подвергаемые азотированию обычно содержат Cr,Al, Mo. Эти элементы, взаимодействуя с азотом, образуют собственные ингредиенты, которые дополнительно повышают твердость и износостойкость поверхности.

38Х2МЮА – нитролоид.

По сравнению с цементацией азотирование имеет преимущество и недостатки.

Преимущества:

1. Проводится после окончательной термообработки, поэтому не требует дополнительных припусков.

2. Более высокая твердость и износостойкость.

3. Более высокая устойчивая прочность деталей.

4. Более высокая коррозионная стойкость.

5. Более высокая рабочая температура 400-450є С.

Недостатки:

1. Более тонкий слой.

2. Более длительный процесс, требующий сложного оборудования, производительность меньше.

Нитроцементация.

Это ХТО, при которой деталь насыщается одновременно углеродом и азотом. Она направлена на получение свойств, включающих достоинства и цементации и азотирования одновременно. Если насыщение С и N происходит из газовой фазы, то этот процесс называется нитроцементацией, если процесс идет из жидкой среды (расплавленных цианистых солей), то этот процесс называют цианированием.

Процесс нитроцементации проходит по температуре, лежащей ниже температуры цементации, но выше температуры азотирования (830-880є С). Чем выше температура, тем энергичнее идет процесс насыщения углеродом и, соответственно, результаты получаются ближе к цементации. Чем ниже температура, тем больше насыщение N и свойства детали ближе к азотированию.

Совместное насыщение N и С позволяет сократить продолжительность процесса, а более низкие температуры не позволяют усваиваться зерну, поэтому сталь сохраняет своё вязкое состояние. Применение нитроцементации более прогрессивно, чем чистая цементация. После нитроцементации деталь подвергают закалке и низкому отпуску, причём закалка обычно проводится сразу после окончания ХТО без дополнительного нагрева.

Сульфатирование

После сульфоазотирования детали легче прирабатываются друг к другу, снижаются потери энергии, затрачиваемой на вращение детали.

Сульфаазотирование чаще проводят из газовой фазы, реже из порошковой засыпки. Глубина насыщенного слоя 0,1-0,2 мм.

Силицирование.

Применяют для деталей, работающих при повышенных температурах. Внедрение Si в поверхность позволяет повысить жаростойкость, т.е. сопротивление поверхности окислению при высоких температурах. После силицирования поверхности образуется окислы кремния, либо двойные окислы Fe Si₂ O₄ - шпилеты.

Температура процесса 1100-1200є С. Глубина слоя достигает 0,8 мм, но продолжительность около суток. Если испытать газовую фазу, то в качестве газовой фазы используют SiH₄ – моносилан.

Силицирование чаще проводят одновременно с насыщением детали Al, этот процесс называют алюмосилицированием. В результате на поверхности образуется FeAl интерметаллидная фаза и Al₂O₃.

FeAl₂O₄. Это позволяет дополнительно повысить жаростойкость детали.

Борирование.

Применяют для инструмента горячего деформированного металла. При насыщение стальных деталей бором на поверхности образуются бориды: FeB, Ke₂B, Fe₄B, которые увеличивают твердость и жаростойкость при температуре 800-1000є С, твердость до 700є С не изменяется совсем. Борирование проводится из порошковых засыпок при температурах 1000-1100є С. Глубина слоя после борирования до 80-200 мкм, но стойкость высокая.

Недостаток – хрупкость поверхности. При ударном воздействии возможно образование микротрещин и скалывание повторного слоя.

Насыщение металлов металлами (диффузионная металлизация).

При насыщении поверхности детали металлами происходит образование твердых ресурсов по типу замещения, т.е. атомы основного компонента замещаются в кристаллической решетке атомами легирующего элемента. Процесс диффузии по типу замещения идет гораздо медленнее, чем по механизму внедрения. Поэтому процесс диффузионной металлизации требует более высоких температур и длительных выдержек. Наиболее часто применяют насыщение поверхности Al, Cr, Ti, Zn.

Аллитирование.

Применяют для стальных и никелевых деталей с целью повышения жаростойкости поверхности, образуются Al₂O₃. Аллитирование можно проводить двумя способами:

1. Аллитирование из порошковой смеси

В этом случае берут порошок FeAl. Нагревают до температуры 1050-1150є С и выдерживают от двух до двадцати часов. Хлор взаимодействует с Al (ALCL₃) и за счет образования этого хлористого Al происходит перенос Аl на поверхность из порошка.

2. Погружение детали в расплав Аl, выдержка в ванне и затем нагрев до рабочей температуры аллитирования.

Хлорирование.

Хлорирование применяют с разными целями:

1. Для малоуглеродистых сталей с содержанием С<0,4%, с целью повышения коррозионной стойкости поверхности. В этом случае Сr переходит в твердый раствор и если его концепция превышает 13%, то сталь становится коррозионно-стойкой.

Глубина насыщения Сr зависит от эксплуатационных характеристик деталей.

2. %С > 0,41% - средне или высоко углеродная сталь. В этом случае хромирование применяют для повышения твердости и износостойкости поверхности.

Увеличение твердости происходит за счет образования в сталях карбидов хрома, которые и повышают служебные свойства деталей: Сч₂₃С_6.

В отличие от гальваники, ХТО называют твердым хромированием.

Берут порошок FeСr, добавляют Al₂O₃ и NH₄Cl. При хромировании можно получить толщину до 0,2 мм. Мягкое хромирование используется для повышения коррозионной стойкости труб, фланцев.

Титанирование.

Насыщение Ti повышает коррозионную стойкость и повышает кавитационную стойкость.

Насыщение Ti проводят из порошковых смесей FeTi.

Цинкование.

Защищает от коррозии. Насыщение Zn проводят погружением детали в расплав. Температура расплавленного цинка в ванной 350-550є С. Время пребывания в расплавленной ванне 1-10 минут. Толщина цинкового покрытия 10-30 микрон.

Термомеханическая обработка (ТМО).

Это сочетание пластической деформации и термообработки, при чем наклеп, возникший при деформации влияет на фазовые превращения при термообработке. Различают ТМО стали и стареющих сплавов.

ТМО Сталей.

Применяют 2 вида ТМО: ВТМО и НТМО.

При ВТМО сталь нагревают до аустенитного состояния, затем охлаждают в область высокотемпературной устойчивости аустенита, проводят горячую диффузию, затем сразу делают закалку и после неё низкий отпуск. Во время горячей деформации аустенита образующийся наклеп частично снимается за счет процессов динамической полигонизации.

Степень диффузии выбирается такой, чтобы не допустить полного снятия наклепа за счет динамической рекристаллизации, т. е. после горячей деформации образуется полигонизованная структура аустенита с большим количеством малоугловых границ.

При закалке образуется мелкоигольчатая структура мартенсита, которая сохраняет повышенную плотность дефектов кристаллического строения аустенита. В результате после ВТМО удается повысить прочность стали на 20- 30 % с сохранением вязкости по сравнению с обычной закалкой.

При НТМО горячая деформация проводится в области низкотемпературной устойчивости аустенита, т. к. температура диффузии невысокая, то практически весь наклеп сохраняется и наследуется в сталях после закалки. НТМО позволяет резко увеличить дефективность кристаллической решетки и за счет этого повысить прочность почти в 2 раза. Однако при этом снижается пластичность и вязкость приблизительно на 15- 20 %. Проведение горячей деформации при низкой температуре, требует очень мощного оборудования. Поэтому НТМО чаще применяют при прокатке листов, профилей или труб.

Для того, чтобы проводить ТМО необходимо иметь достаточный интервал устойчивости аустенита. Поэтому ТМО проводят, как правило, для легированных сталей. Легированные элементы смещают вправо с-образные кривые, увеличивая тем самым область устойчивости аустенита.

ТМО стареющих сплавов.

Для стареющих сплавов можно применить НТМО, ВТМО, ВНТМО и ПТМО.

1. НТМО - низкотемпературная термообработка применяется чаще всего(80%). При НТМО вначале проводится закалка, затем холодная пластическая деформация и последующие старение. При холодной деформации закаленного сплава возникает наклеп, т.е. повышается плотность дефектов кристаллического строения. При последующем старения распад пересыщенного твердого раствора начинается зарождением и появлением упрочняющих фаз на дефектах кристаллического строения, т.е. происходит блокирование дислокаций интерметаллидными фазами и для их смещения требуется дополнительное усилие. Следовательно, прочность сплава увеличивается.

2. ВТМО – при ВТМО горячая деформация совмещается с нагревом под закалку, однако степень диффузии должна быть такой, чтобы не вызвать снятия наклепа, за счет прохождения динамичной рекристаллизации.

После диффузии в сплаве образуется полигонизованная структура, которая сохраняется и после диффузии и после последующего старения. При ВТМО эффект увеличения прочности достигает 10- 15 % при сохранении вязкости. ВТМО возможна только в тех случаях, когда температура нагрева под горячую деформацию и под закалку совпадают.

3. ВНТМО: сочетание ВТМО и НТМО.

4. ПТМО - предварительная ТМО. При ПТМО деформация (горячая или холодная) проводятся до закалки, поэтому основная задача закалки – это провидение нагрева и охлаждения так быстро, чтобы, не допустить снятия наклепа, т. к. сделать это очень трудно, то ПТМО применяется очень редко.

Легированные и специальные стали.

Легированными или специальными называют такие стали, которые в своем составе кроме углерода содержат еще дополнительные добавки, введенные в состав с целью направленного изменения ее свойств. Такие добавки называются легирующими элементами (добавками). Основное отличие легирующих элементов от примесей заключается в том, что их количество определяется необходимой мерой изменения свойств стали, в то время как для примесей количество определяет допустимую меру ухудшения свойств. Одни и те же элементы могут играть роль примесей или роль легирующих элементов, но примеси попадают в сталь случайно или с шихтой, в то время как легирующие элементы вводятся специально. К основным легирующим элементам относят: Cr, Ni, Mo, V, Mn, Si, Al. Количество вводимых легирующих элементов может изменяться от долей процента до десятков процентов. Влияние легирующих элементов проявляется в изменении структуры и, соответственно, свойств стали.

Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях.

Большинство легирующих элементов, при введении их в сталь, изменяют температуру начала и конца полиморфных превращений.

1. Первая группа легирующих элементов отличается тем, что понижает точку А₃ и повышает точку А₄. В группу входят Ni, Mn, Pt. Введение легирующих элементов, которые понижает точку А₃ и одновременно повышает точку А₄, расширяя область существования аустенита, называют аустенизаторами. При содержании легирующих элементов больше Скр, структура будет аустенитная, без полиморфных превращений.

2. Вторая группа легирующих элементов отличается тем, что повышает точку А₃ и понижает точку А₄. В группу входят Si, Ti, V, Mo. Введение легирующих элементов повышает точку А₃ и одновременно понижает точку А₄. В этом случае происходит замыкание области существования аустенита и, при содержании легирующих элементов больше С_КР, полиморфных превращений в стали не будет. Такие легирующие элементы, которые стабилизируют Феррит, называются ферритизаторами.

Если в сталь вводят легирующие элементы с различным влиянием на полиморфные превращения, то окончательная структура стали может быть различной, в зависимости от соотношения легирующих элементов и температурного воздействия, т.е. сталь может быть с ферритной, феррит + аустенит, аустенитной структурой.

Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом.

По взаимодействию с железом, легирующие элементы делятся на три группы:

1. Легирующие элементы, отличающиеся слабым взаимодействием с железом. Такие легирующие элементы либо вообще не взаимодействуют с железом, либо образуют твердые растворы очень малых концентраций. Например, Pb, K, S. Такие легирующие элементы располагаются, как правило, по границам зерен, ухудшая тем самым связь между ними. В результате прочностные свойства падают, но улучшается обрабатываемость резанием (автоматная сталь).

2. Легирующие элементы, отличающиеся образованием с железом твердых растворов. Как правило, увеличивается прочность и твердость, но вместе с этим одновременно понижается пластичность и вязкость. Образование твердых растворов может идти по типу замещения или внедрения. Растворы замещения образуют легирующие элементы – металлы, а твердые растворы внедрения образуют легирующие элементы – неметаллы (B, N). Образование твердых растворов внедрения особенно сильно увеличивает твердость и понижает пластичность. Лишь один легирующий элемент увеличивает прочность, пластичность, вязкость и одновременно снижает порог хладноломкости – это Ni.

3. Образование интерметаллидов. При образовании легирующими элементами химических соединений с железом, образуются интерметаллидные фазы: FeCr, FeAl. Это приводит к резкому увеличению прочности и твердости, но одновременно снижает вязкость и пластичность.

По взаимодействию с углеродом, легирующие элементы делятся на две группы:

Карбидообразующие. К ним относят Cr, W, Ti, Mo. К не карбидообразующим относят Ni, Al, Cu, Si, Mn. Карбиды относятся к фазам внедрения, поэтому их появление в сталях вызывает резкое увеличение прочности и твердости, с одновременным снижением вязкости и пластичности. Легирующие элементы влияют на положение критических точек в сталях и основных линий на диаграмме Fe-C. Введение карбидообразующих элементов повышает точки А₁ и А₃, т.к. карбиды легирующих элементов более устойчивы и растворяются в железе при более высоких температурах, чем обычный цементит. Поэтому введение легирующих элементов, образующих карбиды, вызывает необходимость повышения температур отжига и закалки. Введение карбидообразующих элементов смещает влево точки S и E на диаграмме Fe-C, поэтому, чем больше легирующих элементов, тем меньше содержание углерода в перлите. Смещение точки Е влево может приводить к тому, что при содержании углерода 1,3-1,5% в структуре могут наблюдаться выделения эвтектики – ледебурита. В обычных углеродистых сплавах ледебурит присутствует только в чугуне.

Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке.

Введение легирующих элементов изменяет положение С – образных кривых на диаграмме изотермического превращения аустенита.

Практически все легирующие элементы смещают С – образные кривые вправо, а точки Mn и Mk вниз. И только один элемент является исключением, действует наоборот – это Co. Из-за смещения С – образных кривых вправо, изменяется критическая скорость охлаждения при закалке.

При содержании легирующих элементов более 15-20%, интервал перлитного превращения смещается вправо настолько, что при охлаждении на воздухе превращение не наступает вовсе. Начало и конец мартенситного превращения смещается в область отрицательных температур. В результате Аустенитная структура стали сохраняется при любых температурах. Такую сталь называют сталью Аустенитного класса.

Наличие легирующих элементов в стали делает более устойчивым закаленное состояние, т.е. мартенсит сохраняется при нагревании в процессе отпуска до более высоких температур. Так, если в обычной углеродистой стали мартенсит превращается в троостит уже при нагревании до 250є С, то в легированных сталях мартенсит может сохраняться до температур 450-550є С. Это позволяет использовать такую сталь при работе, например, с более высокими скоростями резания, или в качестве инструмента для горячей штамповки.

Изменение твердости легированной стали при отпуске.

Сохранение твердости легированной стали до более высокой температуры отпуска объясняется повышенной устойчивостью мартенсита, а также выделением из него при отпуске огромного количества мельчайших карбидов легирующих элементов: Cr, W, Ti. Этот эффект называется дисперсионным или вторичным твердением.

Маркировка легированной стали.

Для маркировки легированной стали принята буквенно-цифровая форма, в которой каждому легирующему элементу присвоена своя буква, а цифра, которая следует за этой буквой показывает среднее содержание этого элемента в процентах. Если содержание элемента близко к единице, то никакой цифры не ставится.

Условно любую марку модно представить как четыре отдельные части.

1. Она может быть или не быть, обычно это буквы. Первая часть показывает на назначение стали: А – автоматная, Ш – шарикоподшипниковая, Р – режущая (быстрорежущая).

2. Здесь всегда находятся цифры, показывающие содержание в стали углерода.

10, 20, 40 – в сотых долях процента (любая сталь, кроме инструментальной). Если стоит одна цифра 2-9, то это содержание углерода в десятых долях процента. Если нет цифры, то содержание примерно 1%.

3. Обозначение легирующих элементов и их количество.

А – азот (N), Б – ниобий (Nb), В – вольфрам (W), Г – марганец (Mn), Д – медь (Cu),

Е – селен Se), К – кобальт (Co), М – молибден (Mo), Н – никель (Ni), П – фосфор ( P), Р – бор (B), С – кремний (Si), Т – титан (Ti), Х – хром (Cr), Ф – ванадий (V).

Если цифры нет, то содержание легирующих элементов 1%. Любая цифра равна числу процентов. Исключения В – 0,003%, N – 0,02-0,05%, Se – 0,3%. Иногда в маркировке появляется цифра 1: 15Х1МФ – содержание Cr больше 1%, но меньше 2%.

4. Буквенная часть. Буквы в конце марки показывают качество стали или метод ее очистки:

А – более высокое качество, т.е. пониженное содержание вредных примесей (30ХГСА)

Ш – шлаковый переплав, т.е. дополнительная очистка продувкой шлаком.

СШ – синтетическим шлаком.

ВД – вакуумно-дуговой переплав.

Исключения (маркировка для служебного пользования).

1. Шарикоподшипниковые стали: ШХ6, ШХ9, ШХ15. Цифра показывает содержание хрома не в целых, а в десятых долях процента.

2. Режущие стали: Р9, Р18, Р6М5. Цифра после буквы Р показывает содержание не углерода, а вольфрама в целых процентах. Углерода в таких сталях одинаковое количество – 1,2%.

3. Марки для служебного пользования. Эти марки не расшифровывают химический состав, а показывают на завод-изготовитель (Э – электросталь, Д – днепроспецсталь). Вторая буква может быть или не быть: И – исследовательская, П – пробная.

Классификация легированной стали.

Одной общепринятой классификации легированной стали, в настоящий момент, не существует, и поэтому принято разделять легированные стали по нескольким признакам:

1. Классификация по структуре в равновесном состоянии (после медленного охлаждения). Разделяют на 4 группы:

1). Равновесное состояние

Доэвтектоидная

Эвтектоидная

Заэвтектоидная

Ледебуритная (карбидная)

2). По структуре в нормализованном состоянии (после охлаждения на воздухе).

2. Классификация по качеству (по содержанию вредных примесей)

1. Обыкновенного качества (S – 0,03%, Р – 0,04%)

2. Качественная сталь (S – 0,025%)

3. Высококачественная сталь (S – 0,015%)

4. Особо высококачественная сталь

Качество влияет на прочность, стойкость против разрушения.

3. Классификация по содержанию легирующих элементов.

Малолегированная сталь – до 2,5% легирующих элементов.

Среднелегированная сталь – 2,5-10% легирующих элементов.

Высоколегированная сталь – более 10% легирующих элементов.

Если содержание железа не менее 45%, то – это сталь. Если меньше, то –сплав.

4. Классификация по назначению

Конструкционные стали: детали машин,