Теоретическое введение. Все применяемые стали могут классифицируются: по химическому составу, структуре, способу производства (качеству) и назначению.

Все применяемые стали могут классифицируются: по химическому составу, структуре, способу производства (качеству) и назначению.

Классификация по химическому составу. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. Легированная сталь, в которую вводят специальные элементы, изменяющие ее свойства (марганец, кремний, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, алюминий, хром, бор, медь, титан, азот и в некоторых случаях фосфор, сера и др.).

Кроме основных элементов железа и углерода для углеродистых сталей и легирующих элементов для легированных сталей, любая сталь содержит:

- постоянные примеси: марганец до 0.8%, кремний до 0, 4%, сера и фосфор;

- скрытые примеси: азот, кислород, водород и другие газы;

- случайные примеси, которые случайно попали в сталь с рудой или ломом.

Примеси и легирующие элементы вступают в определенные взаимодействия с железом, углеродом а также друг с другом и и свойства сталей.

Кремний и марганец вводят в сталь в качестве раскислителей. Растворяясь в феррите, они существенно повышают прочностные показатели. Кроме того, марганец минимизирует вредное влияние серы.

Сера и фосфор являются вредными примесями и их содержание в стали строго регламентируется. Они снижают и прочностные и пластические характеристики и особенно ударную вязкость. Соединения серы с железом вызывает явление красноломкости. Фосфор повышает температуру порога хладноломкости. Сера и фосфор обладают большой склонностью к ликвации и они скапливаются в той части слитка, которая кристаллизуется в последнюю очередь.

Скрытые примеси (газы) находятся в свободном состоянии, в виде твердого раствора и главным образом в виде неметаллических включений (оксидов и нитридов).

По отношению к углероду все легирующие элементы делятся на некарбидообразующие- никель, кобальт, медь, в периодической системе эти элементы стоят правее железа, и карбидообразующие, марганец, хром, молибден и др., в периодической системе эти элементы стоят левее железа. Причем, чем левее стоит элемент в периодической системе, тем он активней соединяется с углеродом. При введении в сталь небольшого количества карбидообразующих элементов, они, растворяясь в цементите образуют легированный цементит. При введении в сталь большого количества карбидообразующих элементов, они образуют специальные карбиды.

Все карбиды можно разделить на две группы.

1 Сложные карбиды типа Ме₃С, Ме₇С₂, Ме₆С, Ме₂₃С₆. эти карбиды имеют сравнительно низкую температуру плавления и при соответствующей температуре нагрева растворяются в аустените. Их называют вторичными карбидами.

2 Простые карбиды типа МеС и Ме₂С. Эти карбиды имеют простую кристаллическую решетку и высокую температуру плавления и практически не растворяются в аустените. Они относятся к фазам внедрения и их называют первичными.

Все карбиды обладают высокой твердостью и оказывают существенное влияние на свойства стали.

При взаимодействии легирующих элементов с железом могут образовываться химические соединения (интерметаллиды) и твердые растворы замещения (кроме бора).

Легирующие элементы не образующие карбидов в стали находятся в виде твердых растворов с железом. Карбидообразующие элементы будут находиться, как в карбидах, так и а твердом растворе. Легирующие элементы оказывают различное влияние на температуру аллотропического превращения железа.

По влиянию на температуру аллотропического превращения все легирующие элементы разделяются на легирующие элементы расширяющие γ - область (рисунок 6.1, аустенитообразующие) и расширяющие α -область (ферритизирующие, рисунок 6.2).

Рисунок 6.1 – Диаграмма состояния системы железа – легирующие элементы расширяющие

γ -область

Рисунок 6.2 – Диаграмма состояния системы железо – легирующие элементы расширяющие α -область

Легирующие элементы первой группы повышают точку А₄ и понижают точку А₃, т.е. расширяют γ - область (рисунок 6.1), к ним относятся никель, марганец, кобальт а также углерод. Сплавы претерпевают α – γ превращение.

Легирующие элементы второй группы понижают точку А₄ и повышают точку А_3. К ним относится хром, молибден, титан и др. (рисунок 6.2). Сплавы содержащие легирующие элементы в количестве большем чем в точке в не претерпевают α – γ превращение. Все легирующие элементы сдвигают точки Ѕ и Е в системе железо - цементит влево, в сторону меньших концентраций углерода. Легирующие элементы расширяющие γ - область понижают критические точки А₃ и А₁ т.е. температуры аллотропического и эвтектоидного превращения. Легирующие элементы расширяющие α -область, повышают критические точки.

Классификация сталей по структуре. Легированные стали по структуре в отожженном состоянии можно разделить на доэвтектоидные (структура легированный феррит и перлит), заэвтектоидные (структура перлит и вторичные карбиды) и ледебуритные (структура перлит, вторичные карбиды и ледебурит).

При введении в сталь легирующих элементов, расширяющих γ - область получим диаграмму приведенную на рисунке 6.3. При этом образуется пять классов сталей:

I – доэвтектоидный;

II – заэвтектоидный;

III – ледебуритный;

IV - полуаустенитный;

V - аустенитный.

Рисунок 6.3 – Структурные диаграммы стали легированной элементами расширяющими γ -область

Рисунок 6.4 – Структурные диаграммы стали легированной элементами расширяющими α

- область

При введении в сталь легирующих элементов расширяющих α - область получим диаграмму приведенную на рисунке 6.4 В этом случае имеется пять классов сталей:

I - доэвтектоидный;

II - заэвтектоидный;

III - ледебуритный;

IV - полуферритный;

V - ферритный.

Классификация легированных сталей по структуре в нормализованном состоянии. В основу классификации положено влияние легирующих элементов на диаграмму изотермического распада и температуру начала и конца мартенситного превращения. В зависимости от структуры в нормализованном состоянии, полученной на образцах диаметром 25 мм. различают стали перлитного, мартенситного и аустенитного класса (рисунки 6.5 - 6.7).

К сталям перлитного класса относятся углеродистые и легированные доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. В структуре доэвтектоидных сталей содержатся, кроме феррито - карбидной смеси содержится избыточный феррит, а заэвтектоидные стали – избыточный вторичный цементит. По назначению это могут быть конструкционные и инструментальные стали. У сталей мартенситного класса, конечная структура состоит из мартенсита и небольшого количества остаточного аустенита.

Стали мартенситного класса обязательно содержат повышенное (от 5 до 13%) количество легирующих элементов. По назначению это могут быть легированные конструкционные, инструментальные, жаропрочные стали. К сталям аустенитного класса относятся легированные стали, содержащие в сумме от 13 до 30 % легирующих элементов Mn, Ni, Cr. По назначению это стали с особыми свойствами: нержавеющие, коррозионностойкие, кислотостойкие и т.д.

Рисунок 6.5 – Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов сталей перлита мартенситного

Рисунок 6.6 – Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов сталей перлитного класса

Рисунок 6.7 – Диаграмма изотермического распада аустенита различных классов сталей аустенита

Конструкционные стали используются для изготовления деталей машин строительных конструкций и сооружений, к ним предъявляются следующие требования:

1 сочетание высокой прочности и достаточной пластичности;

2 хорошие технологические свойства;

3 экономичность и недефицитность.

Конструкционные стали, в зависимости от назначения можно условно разделить на следующие подгруппы.

Конструкционные стали, идущие для изготовления деталей машин, как правило, подвергаемые термической обработке.

Их можно разделить на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и высокому отпуску).

Близкие по составу к конструкционным, но не предназначенные для термической обработки у потребителя входят в группу строительных (низколегированных) сталей.

Влияние легирующих элементов на свойства стали. В конструкционных и инструментальных сталях легирующие элементы встречаются в основном в виде твердого раствора α - железа, γ - железа и карбидов, а в высоколегированных сталях могут встречаться в виде интерметаллидов.

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на технологические механические и другие свойства стали. Легирующие элементы в свободном состоянии сильно ухудшают все свойства стали, поэтому такие элементы как серебро свинец и медь присутствуют в стали в виде примесей. Основное назначение легирующих элементов в стали определяется условиями эксплуатации деталей машин.

Все легирующие элементы в разной степени изменяют прочность феррита одновременно снижают ударную вязкость. Влияние легирующих элементов сложно и должно рассматриваться в каждом конкретном случае.

Влияние легирующих элементов на термическую обработку стали. Все легирующие элементы уменьшают теплопроводность, поэтому нагрев, во избежание возникновения внутренних напряжений следует производить медленно. Все легирующие элементы, кроме марганца и никеля повышают, температуру нагрева стали при термообработке. Аналогично, увеличивается время технологической выдержки. Все легирующие элементы, кроме марганца тормозят рост зерна при нагреве, а также измельчаю зерно при выплавке. Все легирующие элементы, кроме кобальта, уменьшают критическую скорость закалки (сдвигают диаграмму изотермического превращения вправо), следовательно, увеличивают прокаливаемость стали. Все легирующие элементы, кроме алюминия, кобальта и кремния снижают температуры начала и конца мартенситного превращения, увеличивают количество остаточного аустенита. Легирующие элементы оказывают существенное влияние на превращения при отпуске и соответственно влияют на механические свойства стали.