книги / Материаловедение.-1

ного аустенита, снижающего твердость закаленной стали, можно либо обработкой холодом, либо нагревом после закалки (для углеродистых сталей – до температуры 200–300 °С).

Рис. 19. Влияние содержания углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения

Пример. Почему для заэвтектоидных сталей применяют неполную закалку?

Решение. Неполная закалка предусматривает нагрев в межкритический интервал Аc1–Аcm и последующее охлаждение, как и при полной закалке доэвтектоидных сталей, со скоростью больше критической для превращения аустенита в мартенсит. После неполной закалки в структуре заэвтектоидных сталей, кроме мелкокристаллического мартенсита, присутствуют нерастворенные при нагреве частицы цементита и небольшое количество остаточного аустенита. Такая структура обеспечивает высокую твердость, не менее 60 HRC, и износостойкость. Полную закалку заэвтектоидных сталей не проводят потому, что нагрев выше критической точки Асm приводит к росту зерна, растворению твердых цементитных частиц и увеличению количества остаточного аустенита. Последнее объясняется повышением содержания углерода в аустените и, как следствие, понижением мартенситного интервала Мн–Мк.

41

Таким образом, мартенсит является основной структурной составляющей в закаленных сталях. Он имеет высокую твердость и прочность, а также, что существенно, более равномерное распределение атомов углерода, чем в феррито-карбидных структурах. Соответственно, целью закалки является либо получение максимальной для данной стали прочности и твердости за счет образования мартенсита, либо получение мартенсита как промежуточного однофазного состояния, обеспечивающего наибольшую однородность структуры. Однако в любом случае закалка не является завершающей термической операцией, так как мартенсит имеет повышенную хрупкость из-за больших внутренних напряжений, поэтому после закалки обязательно проводят отпуск.

Отпуск – процесс термической обработки, состоящий в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении, обычно на воздухе. Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений и получение требуемого комплекса механических свойств. Температура отпуска варьируется в широких пределах – от 150 до 700 °С в зависимости от конкретной задачи. Различают низкий, средний и высокий отпуск. Изменение свойств при отпуске показано на рис. 20.

Рис. 20. Изменение механических свойств стали 40 при отпуске

42

Низкий отпуск (150–250 °С) выполняется с целью получения структуры мартенсита отпуска. Это обеспечивает частичное снятие внутренних напряжений в закаленной стали, что приводит кповышению вязкости без заметного снижения твердости. Низкий отпуск применяют для инструментальных сталей, после цементации и т.д. Средний отпуск (300–500 °С) производится для получения структуры троостита отпуска, что обеспечивает значительную прочность и упругость при достаточной вязкости. Средний отпуск применяют для рессор и пружин. Высокий отпуск (500–680 °С) приводит к полному распаду мартенсита с образованием структуры сорбита отпуска, обладающей лучшим сочетанием прочности ипластичности. Закалка с высоким отпуском (улучшение) применяется для конструкционных сталей, когда требуется обеспечить повышенную надежность материала (например, для деталей, работающихприударных нагрузках).

Пример. Одинаковую твердость эвтектоидной стали можно получить двумя разными способами: нормализацией и улучшением. Какой вариант предпочтительнее?

Решение. После нормализации в эвтектоидной стали получается структура сорбита, имеющего пластинчатое строение. После улучшения (закалки с высоким отпуском) образуется сорбит отпуска сзернистым строением. Цементит приобретает зернистую форму благодаря тому, что в однородном по углероду мартенсите образуется множество карбидных зародышей. Поскольку глобулярная форма частиц отвечает основному правилу термодинамики (обеспечение минимума свободной энергии системы), то в процессе роста частицы цементита округляются, даже если при возникновении они имели пластинчатую форму. Чем выше температура отпуска, тем более округлыми и крупными становятся цементитные частицы. По сравнению с пластинчатыми структурами ФКС, полученными из аустенита при охлаждении с разными скоростями, зернистые ФКС, образующиеся при отпуске закаленной намартенсит стали, имеют лучшийкомплекссвойств: при одинаковой или даже более высокой прочности существенно увеличивается ударная вязкость, снижается критическая температурахрупкости, т.е. повышаютсяхарактеристикинадежности.

43

ТЕМА 7. ОСНОВЫ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ

7.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЛЕГИРОВАНИЯ СТАЛЕЙ

Широкое применение легированных сталей обусловлено рядом существенных недостатков углеродистых, ограничивающих область их применения:

1.Низкая устойчивость переохлажденного аустенита и, как следствие, высокая критическая скорость закалки. При за-

калке углеродистые стали приходится охлаждать в воде, что приводит к возникновению больших остаточных напряжений, при этом увеличивается вероятность коробления и трещинообразования, особенно в сталях с высоким содержанием углерода. Из-за малой прокаливаемости (Dкр в воде = 10–15 мм) невозможно осуществить сквозную закалку для деталей большого сечения, изготовленных из углеродистых сталей.

2.Невозможность получения высокого комплекса механических свойств, т.е. хорошего сочетания характеристик прочности, пластичности и вязкости. Малоуглеродистые ста-

ли пластичны, но имеют низкую прочность; высокоуглеродистые стали, напротив, обеспечивают получение высоких прочностных свойств, но из-за повышенной хрупкости недостаточно надежны.

3.Низкая теплостойкость. Высокую прочность и твердость углеродистые стали приобретают при закалке. Однако при отпуске происходит интенсивное разупрочнение из-за распада мартенсита, поэтому для изделий из углеродистых сталей невозможно обеспечить сохранение высокой прочности во время эксплуатации при повышенных температурах.

4.Невозможность получения каких-либо специальных свойств, например, коррозионной стойкости, жаростойкости, жаропрочности и др.

44

Легированные стали как часть специальных сталей – это сплавы на основе железа, в состав которых специально введены легирующие элементы. Легирующие элементы – это такие химические элементы, которые вводят в состав сплавов для целенаправленного изменения свойств.

В качестве легирующих элементов используют Cr, Mn, Si, Ni, Mo, W, Ti и др. Легирующие элементы следует отличать от примесей. Технологические и случайные примеси, в том числе вредные, содержатсявовсехсталях, дажевуглеродистых. Однакоих количество ограничено, например, для марганца не более 0,8 %, кремния не более 0,4 % ит.д.

Большинство легирующих элементов относится к металлам, располагающимся в периодической системе вблизи железа. Растворяясь в железе, они образуют твердые растворы замещения: легированный феррит на основе α-железа и легированный аустенит на основе γ-железа. Большинство легирующих элементов, особенно кремний, марганец и никель, упрочняют феррит; это используется при создании конструкционных сталей повышенной прочности. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, увеличивают устойчивость аустенита, поэтому легированные стали обладают большей прокаливаемостью, чем углеродистые. Кроме того, есть возможность получения ферритных или аустенитных сталей, которые вообще не претерпевают полиморфного превращения; это используется при создании нержавеющих и жаропрочных сталей.

Таким образом, благодаря легированию можно целенаправленно изменять структуру и свойства сталей. Теория легирования позволяет на основании свойств отдельных легирующих элементов прогнозировать поведение сталей и сплавов в различных условиях, а также разрабатывать новые материалы с заданными характеристиками. К важнейшим свойствам легирующих элементов, влияющим на структуру и свойства легированных сталей, относятся влияние на прочность межатомных

45

связей в кристаллической решетке, определяющую диффузионную подвижность атомов железа; влияние на диффузию атомов углерода; растворимость в α- и γ-железе, а также в цементите; влияние на температуры критических точек сплавов на основе железа; возможность образования новых фаз, например, карбидов легирующих элементов (спецкарбидов), нитридов, карбонитридов, интерметаллидов; влияние на механизм и кинетику фазовых превращений, протекающих в сталях при нагреве и охлаждении.

Пример. Как влияет легирование хромом на структуру и свойства стали, содержащей 0,4 % углерода?

Решение. В малолегированные стали обычно вводят 0,4–1,0 % хрома. Цели легирования – уменьшение критической скорости закалки, увеличение прокаливаемости, сдерживание роста зерна аустенита при нагреве под закалку, затруднение превращений при отпуске. Благодаря такому влиянию улучшаемые хромистые стали после закалки и высокого отпуска имеют структуру более дисперсного, чем в углеродистых сталях, сорбита отпуска и, как следствие, большую прочность.

В среднелегированных сталях (2–5 % Cr) хром образует собственные карбиды типа Me7C3, очень устойчивые против коагуляции, поэтому повышается теплостойкость сталей. Еще более устойчивые карбиды типа Me23C6 образуются при содержании более 5 % Cr. Чем больше количество хрома, тем мельче зерно, больше прокаливаемость, выше характеристики прочности и теплостойкость. Кроме того, при содержании более 5 % Cr существенно увеличивается жаростойкость, а при содержанииболее12 % Cr – коррозионнаястойкостьсталей.

Существует несколько видов классификации легирующих элементов. Так, по влиянию на температуры полиморфных превращений в железе все легирующие элементы делятся на две группы: α- и γ-стабилизаторы. Альфа-стабилизаторы (Cr, Mo, W, Si, Al и др.) увеличивают устойчивость α-железа и расширяют температурный интервал его существования. Эти элементы, следовательно, повышают температуру критической точки А3 для железа, а в сталях повышают температуры А1 и А3. Гамма-

46

стабилизаторы (Ni, Mn), наоборот, понижают критическую точку А3 для железа и критические точки А1 и А3 для сталей. По взаимодействию с углеродом легирующие элементы делят на карбидообразующие и некарбидообразующие. Карбидообра-

зующими являются элементы, имеющие большее сродство к углероду, чем железо. К ним относятся переходные d-элементы, у которых d-оболочка недостроена больше, чем у железа. В ряду элементов Mn→Cr→Mo→W→V→Nb→Ti карбидообразующая способность увеличивается слева направо. Сильные карбидообразующие элементы V, Nb, Ti образуют очень устойчивые спецкарбиды типа MeC при любом содержании этих элементов в стали. Хром образует спецкарбиды при содержании более 2 %, молибден – более 0,8 %, вольфрам – более 1 %. Если количество легирующего элемента недостаточно для образования спецкарбидов, то он может растворяться в цементите. Легирование цементита повышает его твердость и устойчивость против коагуляции. Марганец, неограниченно растворяясь в цементите или карбидах хрома, собственных карбидов не образует.

Для легированных сталей, как и для углеродистых, существует несколько видов классификаций: по металлургическому качеству (качественные, высококачественные, особо высококачест-

венные); по структуре в отожженном состоянии (доэвтекто-

идные, эвтектоидные, заэвтектоидные, ледебуритные, ферритные,

аустенитные); по структуре в нормализованном состоянии (пер-

литные, бейнитные, мартенситные); по назначению (конструкционные, инструментальные, стали сособымисвойствами).

Пример. Дать характеристику стали 40Х по всем видам классификаций.

Решение. Сталь 40Х – малолегированная хромистая среднеуглеродистая. По металлургическому качеству – качественная, содержание вредных примесей S и P не более 0,025 %. По структуре в отожженном состоянии – доэвтектоидная, в равновесном состоянии после отжига имеет феррито-перлитную структуру. По структуре в нормализованном состоянии – пер-

47

литного класса, при охлаждении на воздухе из аустенитной области в образце диаметром 10 мм основным превращением является превращение аустенита в перлит, бейнит и мартенсит не образуются. По назначению – конструкционная улучшаемая машиностроительная сталь. Структура после окончательной термической обработки, включающей закалку и высокий отпуск, – сорбит отпуска (рис. 21).

Рис. 21. Изменение структуры стали 40Х при термической обработке

Легированные стали чаще всего поставляют в горячекатаном состоянии с дополнительной термической обработкой, обеспечивающей улучшение обрабатываемости резанием. Для конструкционных сталей бейнитного и мартенситного класса, подкаливающихся на воздухе, проводят высокий отпуск или отжиг, а инструментальные стали подвергают сфероидизирующему отжигу для получения структуры зернистого перлита.

48

7.2. ОСОБЕННОСТИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Термическая обработка легированных сталей, по сравнению с обработкой углеродистых сталей, имеет ряд технологических особенностей, которые заключаются в различии температуры и скорости нагрева, длительности выдержки и способе охлаждения.

При выборе температуры нагрева под закалку необходимо учитывать влияние легирующих элементов на положение критических точек. Для малолегированных доэвтектоидных сталей проводят полную закалку (Tзак = Ас3 + 30–50 °С), для заэвтектоидных сталей – неполную закалку (Tзак = Ас1 + 30–50 °С). Температура нагрева при закалке высоколегированных сталей должна быть значительно выше для более полного растворения устойчивых спецкарбидов, например, быстрорежущие стали закаливают с температуры 1240–1260 °С, хотя Ас1 = 800 °С. Большинство легирующих элементов, особенно карбидообразующие, сдерживают рост зерна аустенита при нагреве, поэтому, несмотря на высокие температуры, в сталях сохраняется мелкое зерно. Легирующие элементы понижают теплопроводность, в связи сэтим высоколегированные стали необходимо нагревать медленно, лучше по ступенчатому режиму, чтобы уменьшить термические напряжения.

Все легирующие элементы, кроме кобальта, увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита (рис. 22) и умень-

шают критическую скорость закалки, поэтому мартенситную структуру в легированных сталях можно получить при более медленном охлаждении, например, при закалке в масле, что значительно снижает напряжения, вызывающие коробление и трещинообразование. Кроме того, благодаря большой устойчивости переохлажденного аустенита прокаливаемость легированных сталей лучше, чем углеродистых, и во многих сред-

49

нелегированных сталях достигает 100 мм и более. Легирующие элементы понижают мартенситный интервал Мн–Мк, что приводит к увеличению доли остаточного аустенита в структуре закаленной стали и, соответственно, снижению твердости.

Рис. 22. Уменьшение критической скорости закалки при легировании

Превращения при отпуске, включающие распад мар-

тенсита и коагуляцию карбидов, в легированных сталях затруднены, следовательно, уменьшение твердости и прочности при отпуске происходит менее интенсивно, чем в углеродистых сталях. Это следует учитывать при назначении температуры отпуска на заданную твердость.

50