книги / Проблемы науки о материалах и развитие высоких технологий в России

Влияние остаточного аустенита на свойства стали зависит не только от количесгва, но и от степени его дисперсности.

Разложение остаточного аустенита в игольчатый троостит при отпуске 200 °С или превращение его в мартенсит при глубоком охлаждении до отпуска приводит соответственно к повышению предела текучести.

При одинаковом исходном количестве остаточного аустенита лучшими характеристиками прочности обладает структура игольчатого троостита, полученного после отпуска при 300–

325°С.

Встали с высоким содержанием легирующих элементов, например в хромоникелевой, марганцовистой и других, аустенит можно получить устойчивым и при комнатной температуре.

При малом и среднем содержании углерода, как, например, в конструкционной стали (цементуемой и улучшаемой), часть карбидообразующих элементов и все некарбидообразующие элементы растворяются в феррите. Другая часть карбидообразующих элементов растворяется в цементите. Самостоятельных карбидных фаз при этом, как правило, не образуется.

Легирующие элементы, растворяясь в цементите, повышают его стойкость и температуру диссоциации, а также изменяют скорость его роста и коагуляции. Последнее зависит от растворенного в нем элемента. Так хром, молибден, ванадий сильно тормозят рост и коагуляцию частиц легированного цементита; кремний и марганец действуют на него слабее, а никель и кобальт могут ускорять этот процесс.

При большом содержании легирующих элементов в стали образуются специальные карбиды, которые растворяют железо. Например, хромистый карбид Cr7C3 может растворять до

60% железа. Карбид титана растворяет до 15 % железа. Скорость коагуляции частиц специальных карбидов зна-

чительно ниже, чем цементита.

31

Устойчивые карбиды, например карбиды титана, ванадия, циркония, способствуют получению в стали мелкого природного зерна.

Изменение степени дисперсности карбидов в зависимости от легирования и условий термической обработки является наиболее эффективным средством повышения и регулирования прочности конструкционной стали.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, B) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В – в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микролегиро-

ванными.

Классификация легирующих элементов

Легирующие элементы–металлы можно условно разделить на следующие группы:

металлы железной группы – к ним относятся кобальт,

никель, а также близкий к ним по свойствам марганец; тугоплавкие металлы – к ним относятся металлы,

имеющие температуру плавления выше, чем у железа, т.е. выше 1539 °С; из тугоплавких металлов, наиболее часто используемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также ванадий и хром;

легкие металлы – из этой группы легирующих элементов наиболее часто применяют титан и алюминий;

редкоземельные металлы (РЗМ) – к этой группе относят-

ся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий; РЗМ часто используют в виде так называемого мишметалла, содержащего 40–45 % церия и 45–50 % всех других редкоземельных металлов.

В сплавах железо–углерод классификацию легирующих элементов можно проводить по степени сродства легирующих

32

элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидообразующие

инекарбидообразующuе легирующие элементы. Карбидообразующие легирующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Та, Сг, Мо, W, Мn), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Сu, Ni, Со, Si, AI) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у металлического атома.

Легирующие элементы изменяют температуру полиморфных превращений в железе, тем самым влияя на вид диаграмм железо – элемент.

По влиянию легирующих элементов на диаграмму состояния их можно разделить на две группы, каждая из которых в свою очередь делится на две подгруппы.

Кпервой группе относятся легирующие элементы, расширяющие γ-область. При этом возможно существование γ-фазы во всем интервале концентраций (открытая γ-область) и ограничение области существования γ-фазы вследствие появления новых фаз и образования гетерогенных областей (расширенная γ-область).

Таким образом, легирующие элементы первой группы можно еще разделить на элементы, образующие с железом сплавы со структурой неограниченного гомогенного твердого раствора, к ним относятся никель, марганец, кобальт, палладий, платина, и на элементы, образующие сплавы, в которых гомогенная область ограничивается гетерогенной вследствие образования новых фаз. К таким элементам относятся углерод, азот, медь, цинк.

Ко второй группе относятся элементы, сужающие γ-об- ласть. При определенной концентрации легирующего элемента может происходить полное замыкание γ-области. В этой группе различают также двойные системы с замкнутой γ-областью

игомогенной α-областью (закрытая γ-область) и системы, в ко-

33

торых γ-область ограничена областью гетерогенных структур (суженная γ-область).

Таким образом, легирующие элементы второй группы разделяют на элементы, образующие с железом сплавы с полностью замкнутой γ-областью и образованием гомогенной α-области (бериллий, алюминий, кремний, ванадий, хром, молибден, вольфрам, титан, мышьяк, олово, сурьма), и элементы, образующие с железом сплав с суженной γ-областью, ограниченной гетерогенной областью (рений).

Приведенные данные не охватывают всего многообразия возможных вариантов влияния легирующих элементов на критические точки железа и, следовательно, на вид диаграммы железо – легирующий элемент.

Легирующие элементы по-разному влияют на расширение или сужение γ-области на диаграмме железо–легирующий элемент (см. рис. 8). Если для углерода и азота, образующих с железом твердый раствор внедрения, расширение области γ-фазы связано с наличием больших позиций внедрения (октаэдрических пор) в гранецентрированной кубической решетке (ГЦК), то для легирующих элементов, дающих с железом твердый раствор замещения, одной из причин расширения или сужения γ-области может быть изменение скрытой теплоты превращения при перестройке ГЦК-решетки в ОЦК. Если поглощенное тепло, приходящееся на единицу концентрации растворенного элемента в α- и γ-железе, выразить через Нα и Hγ, а ∆Н = = Нα – Hγ, то в случае когда ∆Н положительно, термодинамически выгодным будет существование γ-фазы и диаграмма будет иметь открытую или расширенную γ-область. Тогда ветви кривой растворимости можно рассматривать как часть сплошной кривой. Если ∆Н отрицательно, получим диаграмму с закрытой γ-областью.

34

Классификация сталей

Внастоящее время существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.

По химическому составу стали и сплавы черных металлов условно подразделяют на углеродистые (нелегированные) стали, низколегированные стали, легированные стали, высоколегированные стали, сплавы на основе железа.

Углеродистые стали не содержат специально введенных легирующих элементов.

Внизколегированных сталях суммарное содержание ле-

гирующих элементов должно быть не более 2,5 % (кроме углерода), в легированных – от 2,5 до 10 %, в высоколегированных – более 10 % при содержании в них железа не менее 45 %.

Сплавы на основе железа содержат железа менее 45 %,

но его количество больше, чем любого другого легирующего элемента.

Взависимости от наличия тех или иных легирующих элементов стали называют марганцовистыми, кремнистыми, хромистыми, никелевыми, а также хромоникелевыми, хромомарганцовистыми, хромокремнистыми, хромованадиевыми, никельмолибденовыми, хромоникельмолибденовыми, хромомолибденованадиевыми, хромокремнемарганцовоникелевыми и т.п.

По назначению специальные стали подразделяют на конструкционные, инструментальные, стали с особыми физическими свойствами.

Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей машин, механизмов

иконструкций в машиностроении и строительстве и обладающая определенными механическими, физическими и химическими свойствами.

Конструкционные стали подразделяют на строительные,

машиностроительные и стали и сплавы с особыми свойст-

35

вами – теплоустойчивые, жаропрочные, жаростойкие, корро- зионно-стойкие.

Инструментальной сталью называется сталь, применяемая для обработки материалов резанием или давлением и обладающая высокой твердостью, прочностью, износостойкостью и рядом других свойств.

Инструментальные стали подразделяют на стали для режущего инструмента, штамповые стали и стали для измерительного инструмента.

По структуре сталей в равновесном состоянии их делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

Легирующие элементы изменяют содержание углерода в эвтектоиде по отношению к его положению в углеродистой стали. В зависимости от сочетания легирующих элементов и содержания углерода положение эвтектоидной точки на диаграмме состояния может различным.

Условным структурным признаком, по которому классифицируют стали, является основная структура, полученная при охлаждении на воздухе образцов небольших сечений после высокотемпературного нагрева (~ 900 °С). При этом в зависимо-

сти от структуры стали подразделяют на перлитные, бейнитные, мартенситные, ледебуритные, ферритные и аустенитные.

Перлитные и бейнитные стали чаще всего бывают углеродистыми и низколегированными, мартенситные – легированными и высоколегированными, а ферритные и аустенитные, как правило, – высоколегированными. Однако такая связь между структурой и легированностью стали далеко неоднозначна. Наряду с перечисленными могут быть смешанные струк-

турные классы: феррито-перлитный, феррито-мартен- ситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенсит-

ный. Такая классификация применяется при наличии не менее 10 % феррита (как второй структуры).

36

По качеству стали подразделяют на стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные.

Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы.

Категория обыкновенного качества может относиться только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относиться к любым по степени легирования сталям.

Наряду с приведенными классификациями по общим признакам, относящимся к разным сталям, существуют более частные классификации определенных групп сталей.

Конструкционные стали функционального назначения

Высокой конструктивной прочности изделия достигают только тогда, когда материал изделия имеет не только большую прочность, но и обладает высоким сопротивлением хрупкому разрушению, т.е. имеет достаточно высокую вязкость разрушения KIc.

К высокопрочным относятся стали, у которых σв ≥

≥ 1600 МПа и σ0,2 ≥ 1400 МПа при значении KIc не менее 60 МПа·м1/2. Стали с σ0,2 > 2000 МПа иногда называют сверхвысокопрочными. Высокопрочные стали используют в косми-

ческой и авиационной технике, а также в ряде отраслей приборостроения. Из них изготавливают ответственные детали, высокопрочные крепежные изделия, высокопрочную проволоку, тросы.

По способу упрочнения высокопрочные стали подразделяют на мартенситные низкоотпущенные (30ХГСН2А, 40ХГСН3ВА, 35ХГСА, 35Х2АФ), дисперсионно-твердеющие

37

(40Х5М2СФ, 40Х5ФСБ), мартенситно-стареющие, упрочняемые термомеханической обработкой, со сверхмелким зерном, ПНП-стали (с пластичностью, наведенной превращением).

Стали со сверхмелким зерном (диаметр зерна 10 мкм и меньше) получают термоциклической обработкой или скоростной аустенитизацией. В этих сталях можно получать аномально высокие значения относительного удлинения (явление сверхпластичности).

Высокопрочные ПНП-стали отличаются тем, что за счет легирования их мартенситные точки опускаются ниже комнатной температуры. Поэтому после закалки ПНП-стали имеют аустенитную структуру. В результате пластической деформации при 250...550 °С с большими степенями обжатия (до 80 %) мартенситная точка становится выше комнатной температуры. После охлаждения сталь имеет структуру неустойчивого аустенита, который под нагрузкой превращается в мартенсит, что

25Н20М4Г2С2. В таких сталях получают σ0,2 до 2000 МПа при

δ= 20...25 %.

Кмартенситно-стареющим сталям относят безуглеродистыe (не более 0,03 % С) сплавы железа с никелем, дополнительно легированные Со, Ti, Ве, Al, W, Мо. Их подвергают термической обработке – закалке при 800...850 °С и старению при 480...520 °С. Сталь Н18К9М5Т после термической обра-

ботки имеет: σв = 1900...2100 МПа, σ0,2 = 1800...2000 МПа, δ = = 8...12 %, ψ = 40...60 %, KCU = 40...60 Дж/см2, твердость

52...53 HRC. Эта сталь имеет высокий предел упругости, ее можно применять для изготовления пружин. Применяют также и менее легированные стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т, Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ. Мартенситно-стареющие стали с 10...12 % Cr обладают хорошей коррозионной стойкостью.

38

2.2. Жаропрочные сплавы никеля и кобальта

Сплавы на никелевой основе

В настоящее время сплавы на никелевой основе применяют в качестве жаропрочных материалов. Их используют в газовых турбинах двигателей самолетов, кораблей, энергетических установок, при изготовлении деталей ракетно-космиче- ской техники, в нефтехимическом оборудовании. Так, в авиационном газотурбинном двигателе более 70 % массы составляют жаропрочные сплавы на никелевой и железоникелевой основах – это диски, сопловые и рабочие лопатки турбин, камеры сгорания и т.п. Резко возросло применение этих сплавов и при изготовлении стационарных газовых турбин, так как повышение рабочих температур позволяет значительно улучшить их технико-экономические показатели.

В наиболее тяжелых условиях находятся лопатки турбин, которые работают при температурах 850... 1050 °С. Они подвергаются значительным растягивающим напряжениям вследствие центробежных нагрузок, эти напряжения вызывают ползучесть деталей. Скоростной газовый поток высокой агрессивности и режим работы предопределяют возникновение переменных механических и термических нагрузок, вызывающих высокотемпературную и термическую усталость, активное развитие процессов газовой коррозии и эрозии. Сопловые лопатки работают при температурах до 1150 °С и небольших напряжениях, а диски – при температурах 600...800 °С и более высоких рабочих нагрузках (до 500...600 МПа), поэтому жаропрочные сплавы, используемые для этих групп деталей, значительно различаются по составам и свойствам.

Современные никелевые жаропрочные сплавы работают, по существу, на пределе своих температурных возможностей, так как рабочие температуры часто достигают 0,8...0,85 температуры солидуса.

39

Поэтому важнейшее значение в повышении температурного уровня современных жаропрочных сплавов, их надежности и долговечности придается освоению новых технологических процессов, таких как направленная кристаллизация, выращивание деталей в монокристаллитном состоянии, использование сплавов, упрочненных дисперсными частицами оксидов или армированных тугоплавкими проволоками.

При более высоких температурах эксплуатации (выше 1050...1100 °С) необходимо применение сплавов на основе тугоплавких металлов. Однако использование: этих элементов в качестве основы жаропрочных сплавов ставит перед металловедами и технологами много сложных проблем, связанных с их низкой жаростойкостью в окислительных средах и высокой хрупкостью.

Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе имеют очень сложный состав: в них входят до 7...9 основных легирующих элементов и большое количество примесей, содержание которых в сплаве следует контролировать.

Никель образует твердые растворы со многими элементами, что обусловливает значительные возможности достижения высокой жаропрочности сплавов на его основе. При 1000 °С кобальт, железо, марганец и медь образуют неограниченные твердые растворы, а такие тугоплавкие металлы, как хром, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, ванадий – ограниченные твердые растворы с различными областями гомогенности. Растворимость при 1000 °С таких элементов, как титан и алюминий, составляет соответственно 10 и 7 %.

Многие из легирующих элементов, растворимые в никеле или нихроме, являются эффективными упрочнителями и повышают сопротивление ползучести сплавов на основе никеля.

Жаропрочность, жаростойкость и другие характеристики сплавов на никелевой основе связаны с оптимизацией их состава по соотношению легирующих элементов, входящих

40