Конструкционные стали и сплавы учебное пособие [для вузов] elr02. Е. Е. Складнова, Г. А. Воробьёва ккоон
 Скачать 3.27 Mb.
|
|
Цианирование стали. Цианированием (нитроцементацией, кар- бонитрацией) называется одновременное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом. Процесс имеет преимущества по сравне- нию с цементацией, так как азот способствует диффузии углерода, что позволяет снизить температуру выдержки до 850 °С при ее про- должительности 4…10 ч. Основная цель цианирования – повышение твердости и износостойкости деталей. При цианировании нагрев осуществляется либо в расплавленных солях, содержащих цианистые соли NaCN или KCN, либо в газовой среде, состоящей из смеси науглероживающих и азотирующих газов (СH 4 и NH 3 ). Состав и свойства цианированного слоя зависят от тем- пературы проведения цианирования. В зависимости от температуры процесса различают высокотем- пературное (850…950 °С) и низкотемпературное (500…600 °С) циа- нирование. Чем выше температура цианирования, тем меньше насы- щение поверхностного слоя азотом и больше углеродом. При низкотемпературном цианировании поверхностный слой насыщается преимущественно азотом. Такому цианированию обычно подвергают окончательно изготовленный и заточенный режущий ин- струмент из быстрорежущих марок стали, чтобы повысить его изно- состойкость и красностойкость. После низкотемпературного циани- рования отпуск не производится. Глубина цианированного слоя 137 0,01…0,04 мм с твердостью 1000 HV. После высокотемпературного цианирования на глубину 0,6…1,8 мм в течение 3…10 ч детали под- вергают закалке и низкому отпуску. Твердость после термообработки 59…62 HRC. По сравнению с цементованным цианированный слой имеет не- сколько более высокую твердость и износостойкость, а также более высокое сопротивление коррозии. В ваннах можно подвергать циани- рованию мелкие детали, например детали часовых механизмов, для которых достаточен слой небольшой толщины. Недостатком цианирования является более высокая стоимость процесса, связанная с необходимостью строгого соблюдения правил техники безопасности из-за высокой токсичности цианистых солей. Этого недостатка лишен процесс карбонитрации. Для его интен- сификации проводится продувка воздухом расплава цианата калия. При этом протекает реакция 2KNCO + O 2 = K 2 CO3 + CO + H 2 ; ниже 600 °С оксид углерода распадается по реакции 2СО = СО 2 + С ат . Тем- пература расплава 530…570 °С, время выдержки 5…30 мин. Обра- ботка повышает долговечность инструмента в 1,5…4 раза. 11. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ 11.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях и их свойства Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концен- трациях для изменения ее строения и свойств, называются легирую- щими, а стали, их содержащие, – легированными. Если концентрация элементов составляет около 0,1% и менее, стали принято называть микролегированными. Элемент, присутствующий в стали, считается легирующим, если его количества достаточно для того, чтобы влиять на механические, физико-химические или технологические свойства. Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1% вводят Nb, Ti, а содержание бора обыч- но не превышает 0,005%. Появление и широкое распространение ле- гированных сталей обусловлено непрерывным ростом требований, предъявляемых к материалам по мере развития технического про- гресса. Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не толь- ко легированием, но и термической обработкой, позволяющей полу- 138 чать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых, и поэтому применять их без термической об- работки нерационально. При использовании тех или иных легирую- щих элементов руководствуются не только их влиянием на свойства стали, но и их стоимостью и дефицитностью, которые существенно влияют на себестоимость стали. Основными легирующими элементами являются Cr, Ni, Mn, Si, W, Mo, V, Аl, Сu, Ti, Nb, Zr, В. Чаще сталь легируют не одним, а не- сколькими элементами, например Сr и Ni1 при получении хромони- келевой стали, Сг и Мn – хромомарганцевой, Cr, Ni, Mo, V – хромо- никельмолибденованадиевой. Легирующие элементы, вступая во вза- имодействие с железом и углеродом, могут участвовать в образова- нии различных фаз в легированных сталях: легированного феррита – твердого раствора легирующего эле- мента в Fe a ; легированного аустенита – твердого раствора легирующего элемента в Fe y ; легированного цементита – твердого раствора легирующего эле- мента в цементите или при увеличении содержания легирующего эле- мента сверх определенного предела – специальных карбидов; карбидов карбидообразующих легирующих элементов: Cr, W, Mo, V, Ti, Nb, Zr. При большом содержании легирующих элементов они могут вступать во взаимодействие с образованием интерметаллидных фаз. По влиянию на характер протекания полиморфных превращений все легирующие элементы можно разделить на две группы: 1) расши- ряющие область γ-твердых растворов – аустенитообразующие леги- рующие элементы и 2) сужающие (расширяющие область α-твердых растворов) – ферритообразующие легирующие элементы. К первой группе относятся Ni, Mn, Со, Сu, С, N, ко второй – Cr, Si, Al, Mo, V, Ti, W, Nb, Zr. При легировании сталей аустенитообразующими элементами в большом количестве в сталях будет отсутствовать -превра- щение и стали будут иметь аустенитную структуру при комнатной температуре – аустенитные стали. Наоборот, при легировании сталей ферритообразующими элементами в большом количестве будет от- сутствовать -превращение и стали приобретут чисто феррит- ную структуру – ферритные стали. При комбинированном легирова- нии сталей аустенитообразующими и ферритообразующими элемен- 139 тами структура стали будет состоять из аустенита и феррита, а стали будут аустенитно-ферритными. В большинстве конструкционных сталей феррит при температуре эксплуатации является основной структурной составляющей, зани- мающей не менее 90% объема металла. Поэтому от свойств феррита во многом зависят свойства стали в целом. Чем больше разница в атомных размерах железа и легирующего элемента, тем больше иска- жение кристаллической решетки, тем выше твердость, прочность, но ниже пластичность и особенно вязкость феррита. Легирующие элементы влияют на дислокационную структуру металла: могут изменяться плотность дислокаций, концентрация ва- кансий, характер взаимодействия примесей внедрения с дислокация- ми. Замещая атомы основы, они создают барьеры на пути движущих- ся дислокаций. От легирования зависят характер и величина меж- атомного взаимодействия в сплаве, что влияет на подвижность дисло- каций. Никель снижает энергию связи углерода с дислокациями, кремний оказывает противоположное действие. Легирующие элемен- ты меняют энергию дефектов упаковки, обычно снижают её, но в раз- ной степени. Меньшие, чем в никелевом, значения энергии дефекта упаковки в марганцевом аустените обеспечивают больший (в 1,7 раза) эффект деформационного упрочнения. Легирующие элементы, сни- жающие энергию дефектов упаковки, повышают температуру начала рекристаллизации; у металлов с ГЦК при этом уменьшается скорость установившейся ползучести. Растворяясь в феррите, легирующие элементы повышают его прочность (более интенсивно Ni, Mn, Si), снижая (за исключением никеля) пластичность и вязкость. Влияние легирующих элементов (за исключением Со) на кинети- ку распада переохлажденного аустенита проявляется в повышении его устойчивости, замедлении распада (Ni, Mn, Si – некарбидообра- зующие элементы). Карбидообразующие элементы – хром, вольфрам, молибден и др. – оказывают не только количественное, но и каче- ственное влияние: изменяется вид диаграммы состояния, появляются два максимума скорости распада переохлажденного аустенита, разде- ленные областью устойчивости. 11.2. Карбиды в легированных сталях Карбидообразующими легирующими элементами называют эле- менты, расположенные в периодической системе левее железа. По возрастанию сродства к углероду и устойчивости карбидных фаз кар- бидообразующие элементы располагаются в следующий ряд: Fe–Мп– 140 –Cr–Мо–W–Nb–Zr–Ti. Чем устойчивее карбид, тем труднее он рас- творяется в аустените и выделяется при отпуске. При введении в сталь в сравнительно небольшом количестве ле- гирующий карбидообразующий элемент сначала растворяется в це- ментите, замещая часть атомов железа; при этом образуется легиро- ванный цементит, например (FeMn) 3 C. С увеличением содержания легирующего элемента сверх предела растворимости образуются спе- циальные карбиды типа Cr 7 C 3 , Сr 23 С 6 и др. По строению кристаллической решетки различают две группы карбидов. К первой относятся Fe 3 C, Сг 7 С 3 , Сr 23 С 6 , имеющие сложные кристаллические решетки. Такие карбиды недостаточно прочны и при нагреве в процессе термической обработки стали распадаются с обра- зованием твердого раствора легирующих элементов в аустените. Кар- биды второй группы (Мо 2 С, WC, TiC) имеют простые кристалличе- ские решетки. Они характеризуются большей прочностью и распада- ются при более высоких температурах нагрева. Все карбиды легиру- ющих элементов обладают высокой твердостью, но твердость карби- дов второй группы несколько выше, чем первой. С повышением дисперсности карбидов увеличиваются твердость и прочность стали. 11.3. Классификация легированных сталей Легированные стали классифицируют по структуре в равновес- ном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по коли- честву легирующих элементов и по назначению. По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные с избыточным ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной струк- турой, заэвтектоидные с избыточными карбидами и ледебуритные, в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Последнее обстоятельство объясняется тем, что ле- гирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы «железо– углерод». Поэтому граница между перечисленными сталями прохо- дит при меньшем содержании углерода по сравнению со значениями на диаграмме Fe–Fe 3 C. Углеродистые стали относятся к первым трем классам. Учитывая, что некоторые элементы резко сужают или рас- ширяют область γ-железа, кроме этих групп различают аустенитные и ферритные стали. По структуре после охлаждения на воздухе различают перлитные стали, характеризующиеся низким содержанием легирующих элемен- тов и соответственно невысокой устойчивостью переохлажденного 141 аустенита; мартенситные со средним содержанием легирующих элементов и соответственно высокой устойчивостью аустенита и аустенитные, содержащие большое количество легирующих элемен- тов и сохраняющие аустенитную структуру при комнатной темпера- туре. По количеству легирующих элементов различают низколегиро- ванные стали, содержащие до 2,5% легирующих элементов, среднеле- гированные – от 2,5 до 10% и высоколегированные – более 10%. По назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штампо- вые, для режущего и мерительного инструмента) и стали с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жа- ропрочные, электротехнические, магнитные и др.). 11.4. Конструкционные стали Конструкционные стали должны обладать высоким комплексом механических свойств, а не одной какой-либо характеристикой, обес- печивать длительную и надежную работу конструкции в условиях эксплуатации. Материалы, идущие на изготовление конструктивных элементов, деталей машин и механизмов, должны наряду с высокой прочностью и пластичностью хорошо сопротивляться ударным нагрузкам, обла- дая запасом вязкости. При знакопеременных нагрузках конструкци- онные материалы должны иметь высокое сопротивление усталости, а при трении – износу. Во многих случаях необходимо сопротивление коррозии. Так как в деталях всегда имеются дефекты, являющиеся концентраторами напряжений, конструкционные материалы должны обладать высоким сопротивлением хрупкому разрушению и распро- странению трещин. Помимо высокой надежности и конструктивной прочности они должны иметь хорошие литейные свойства, обрабаты- ваемость давлением, резанием, хорошую свариваемость. Конструкци- онные материалы массового производства должны быть дешевыми и не содержать дефицитных легирующих элементов. Из всех материалов, применяемых в настоящее время и прогно- зируемых в будущем, только сталь сочетает высокие значения раз- личных механических характеристик и хорошую технологичность при сравнительно невысокой стоимости, поэтому она является ос- новным и наиболее распространенным конструкционным мате- 142 риалом. Легирование позволяет повысить уровень механических свойств. Основные преимущества легированных конструкционных сталей перед углеродистыми – более высокая прочность за счет упрочнения феррита и большей прокаливаемости, меньший рост аустенитного зерна при нагреве и повышенная ударная вязкость, возможность при- менения более мягких охладителей после закалки, устойчивость про- тив отпуска за счет торможения диффузионных процессов. Отпуск при более высокой температуре дополнительно снижает закалочные напряжения. Детали из легированных сталей, как правило, должны подвергаться термической обработке, так как после нее они обладают более высокими механическими свойствами. Различают следующие виды конструкционных сталей: 1) углеро- дистые, в том числе автоматные; 2) строительные; 3) машинострои- тельные (цементуемые и улучшаемые); 5) высокопрочные; 6) рессор- но-пружинные; 7) подшипниковые; 8) износостойкие, 9) инструмен- тальные, 10) судостроительные. Высокопрочные стали. Высокопрочными называют стали с вре- менным сопротивлением более 1600 МПа. Высокопрочное состояние может быть достигнуто при использовании закалки и низкого отпуска среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей. Однако при- менять низкоотпущенные стали, обладающие низкой пластичностью и вязкостью, можно лишь при отсутствии динамических нагрузок в процессе эксплуатации изделий. Сталь в высокопрочном состоянии после термической обработки на структуру бейнита или отпущенного мартенсита имеет более высокие значения усталостной прочности, если плавка проводилась в вакууме. Высокопрочное состояние без снижения работоспособности кон- струкций достигается при использовании термомеханической обра- ботки и новых высокопрочных материалов, таких как мартенситно- стареющие стали (МСС) и ПНП-стали (пластичность, наведенная превращением). Сталь вакуумной плавки имеет более высокие меха- нические свойства по сравнению со свойствами стали обычной вы- плавки, но и в этом случае ВТМО обеспечивает дополнительное по- вышение механических свойств по сравнению со стандартной терми- ческой обработкой. ВТМО коррозионностойких аустенитных сталей типа (08–12)Х18Н10Т даже при охлаждении проката на воздухе поз- воляет повысить предел текучести до 500 МПа при относительном удлинении около 50%. 143 Термомеханическая обработка применяется для повышения свойств инструментальных и мартенситно-стареющих сталей, а также некоторых титановых сплавов, в частности сплавов с эффектом памя- ти формы на основе никелида титана. Мартенситно-стареющие стали. В сталях с интерметаллид- ным упрочнением (мартенситно-стареющих) упрочнение достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного превра- щения и старения мартенсита. Основным легирующим элементом является никель в количестве 17…26%; в состав стали входят также титан, алюминий, молибден, ниобий и кобальт. Широко распростра- нена сталь 03Н18К9М5Т, содержащая не более 0,03% С, 17…19% Ni, 7…9% Co, 4…6% Mo, 0,5% Ti. Сталь подвергается закалке (нагрев при 800…850 °С, охлаждение на воздухе), в закаленном состоя- нии имеет структуру мартенсита со следующими свойствами: в = = 1200 МПа; 0,2 = 1000 МПа; δ = 20%; = 75%; KCU=2,0 МДж/м 2 В закаленном состоянии хорошо обрабатывается давлением, резанием и хорошо сваривается. Мартенситно-стареющая сталь получает основное упрочнение при старении, т.е. отпуске при 450…520 С, что связано с выделением из мартенсита дисперсных частиц интерметаллидов типа Ni 3 Ti, NiTi, Fe 2 Mo, Ni 3 (Ti, Al) и др. Если интерметаллидные фазы находятся на ста- дии предвыделения, когда они еще когерентно связаны с твердым рас- твором и имеют очень малые размеры, то в этом случае достигается наибольшее упрочнение. Легирование кобальтом увеличивает эффект старения. Хром упрочняет мартенсит. Механические свойства после ста- рения: в = 1900…2100 МПа, 0,2 = 1800…2000 МПа, δ = 12%, = 50%, KCU = 0,50 МДж/м 2 . При высокой прочности сталь сохраняет вы- сокое сопротивление хрупкому разрушению. Вязкость разрушения К 1с мартенситно-стареющих сталей составляет 50…70 МПа·м 1/2 . При том же значении предела текучести вязкость разрушения обычных легирован- ных сталей не превышает 30 МПа·м 1/2 . При температуре –196 °С сталь имеет следующие свойства: в = 2400 МПа, = 10 %, KCU = 0,30 МДж/м 2 . Сталь О3Н18К9М5Т теплоустойчива до 450 °С. Мартенситно- старею-щие стали с 10…12% Cr обладают хорошей коррозионной стой- костью. Для повышения износостойкости и выносливости их азотируют. Мартенситно-стареющие стали применяют в самолетостроении, ракетостроении, т.е. в тех отраслях, где важна удельная прочность, а также в криогенной технике благодаря высокой пластичности и вяз- кости при низких температурах. 144 Библиографический список 1. Арзамасов, Б.Л. и др. Материаловедение. М., 2007. 560 с. 2. Воробьева, Г.А. и др. Инструментальные материалы. СПб.: Политехника, 2005. С. 259. 3. Воробьева, Г.А. Особенности обозначения сталей и сплавов в националь- ных стандартах разных стран / Г.А. Воробьева, Е.Е. Складнова; Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2016. 96 c. 4. Воробьева, Г.А. Конструкционные стали и сплавы: учеб. пособие / Г.А. Воробьева [и др.]; под ред. Г.А. Воробьевой. СПб.: Политехника, 2013. 440 с. 5. Солнцев, Ю.П., Пряхин Е.И. // Материаловедение. СПб.: Химиздат, 2004. С. 735. 6. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учебник для ву- зов / Г.П. Фетисов [и др.]; ред. Г.П. Фетисов. Изд. 5-е, стер. М.: Высшая школа, 2007. 862 с. О Г Л А В Л Е Н И Е 1. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ .................................................. 3 1.1. Общая характеристика металлов и сплавов ..................................................... 3 1.2. Кристаллическое строение металлов ................................................................ 3 1.3. Анизотропия свойств кристаллов ..................................................................... 7 1.4. Дефекты строения кристаллических тел .......................................................... 7 2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ .......................................................................... 15 2.1. Первичная кристаллизация металлов ............................................................... 15 2.2. Строение металлического слитка ...................................................................... 19 2.3. Полиморфные превращения .............................................................................. 20 3. ДЕФОРМАЦИЯ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ ...................... 21 3.1. Свойства металлов и сплавов ............................................................................ 21 3.2. Упругая и пластическая деформация ............................................................... 22 3.3. Хрупкое и вязкое разрушение ........................................................................... 25 3.4. Деформация и разрушение металлов ................................................................ 26 3.5. Наклеп и рекристаллизация ............................................................................... 31 4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ ........................ 37 4.1. Металлографические методы исследования .................................................... 37 4.2. Определение механических свойств ................................................................. 40 4.2.1. Статические испытания .......................................................................... 40 4.2.2. Динамические испытания .......................................................................... 44 4.2.3. Усталостные испытания .......................................................................... 47 5. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СПЛАВОВ ................................................................................ 49 5.1. Характеристика основных фаз металлических сплавов .................................. 49 5.2. Структура сплавов .............................................................................................. 52 5.3. Факторы, определяющие прочность металлов ................................................ 53 5.4. Диаграммы состояния двойных сплавов и характер изменения свойств в зависимости от состава сплавов ......................................................... 57 6. ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ЖЕЛЕЗО–УГЛЕРОД» ..................... 66 6.1. Компоненты и фазы в сплавах «железо–углерод» .......................................... 66 145 6.2. Диаграмма состояния системы «железо–цементит» ....................................... 69 7. УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ........................................................................................ 74 7.1. Классификация углеродистых сталей ............................................................... 74 7.2. Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей ..................... 76 7.3. Углеродистые конструкционные стали общего назначения (стали обыкновенного качества) ..................................................................................... 79 7.4. Углеродистые конструкционные качественные стали .................................... 80 7.5. Автоматные стали (стали с улучшенной обрабатываемостью резанием) ............................................................................................................... 82 7.6. Углеродистые инструментальные стали ........................................................... 83 8. ЧУГУНЫ ..................................................................................................................... 85 8.1. Разновидности чугунов ...................................................................................... 85 8.2. Структура, свойства и применение чугунов..................................................... 85 9. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ .................................................................. 91 9.1. Общие сведения .................................................................................................. 91 9.2. Классификация видов термической обработки стали ..................................... 94 9.3. Превращения в стали при нагреве ..................................................................... 95 9.4. Превращение переохлажденного аустенита при изотермической вы- держке .................................................................................................................... 99 9.5. Мартенситное превращение .............................................................................. 104 9.6. Бейнитное превращение аустенита ................................................................... 107 9.7. Превращение аустенита при непрерывном охлаждении ................................. 108 9.8. Превращения при отпуске ................................................................................. 110 9.9. Термомеханическая обработка .......................................................................... 112 9.10. Закалка ............................................................................................................... 117 9.11. Отпуск ............................................................................................................... 124 10. ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ........................... 126 10.1. Упрочнение поверхности методом пластического деформирования .......... 127 10.2. Поверхностная закалка ..................................................................................... 127 10.3. Химико-термическая обработка стали ............................................................ 131 11. ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ ..................................................................................... 137 11.1. Влияние легирующих элементов на превращения в сталях и их свой- ства ......................................................................................................................... 137 11.2. Карбиды в легированных сталях ..................................................................... 139 11.3. Классификация легированных сталей ............................................................. 140 11.4. Конструкционные стали ................................................................................... 141 Библиографический список ............................................................................................ 144 Складнова Елена Евгеньевна, Воробьева Галина Анатольевна 146 Конструкционные стали и сплавы Редактор Г.М. Звягина Корректор Л.А. Петрова Компьютерная верстка: Н.А. Андреева Подписано в печать 24.10.2017. Формат 60×84/16. Бумага документная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 8,325. Тираж 100 экз. Заказ № 151 Балтийский государственный технический университет Типография БГТУ 190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д. 1 |