Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства

Легированные стали и влияние легирующих элементов на их свойства

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:

Si до 0,2 - 0,4% - в качестве примесей (обычная углеродистая сталь);

Si до 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.</