Легированные стали и сплавы
Легированными считаются стали, содержащие в своем составе специально введенные легирующие элементы такие, как Cr, W, Va, Ni, Mo, Co, Ti и др., или такие, в которых содержится повышенное содержание кремния или марганца (больше 0,5—1%). Легированием можно повысить механические свойства сталей, а также придать им специальные свойства (жаропрочность, жаростойкость, кислотоустойчивость, красноломкость и т.п.).
Влияние легирующих примесей легче всего объясняется при раздельном изучении влияния элементов на диаграмму Fe — Fе3С и изотермическую диаграмму распада аустенита.
Легирующие элементы по их влиянию на железо делятся на расширяющие 7-область и на расширяющие a-область. Соответственно это отражается на местоположение критических точек A4 и A3.
1. Элементы, образующие с железом диаграмму с открытой y-областью (Ni, Mn, Cu, Cp), повышают точку A4 и понижают точку A3.
2. Элементы, образующие с железом диаграмму с открытой а-областью (Cr, W, Mo, Va, Ti, Si, Al и др.), понижают точку A4 и повышают точку A3.
Растворимости элементов в железе с образованием растворов замещения содействует изоморфность кристаллических решеток с железом и малая разница в атомных диаметрах. При разнице в атомных диаметрах до 8% получается неограниченная растворимость; при разнице от 8 до 15% получается ограниченная растворимость, а при больших отклонениях компоненты дают смеси или даже не смешиваются.
Элементы по решетке изоморфные Y-Fe дают расширенную 7-область. Элементы изоморфные a-Fe дают расширенную а-область.
Элементы с весьма малыми атомными диаметрами (В, H, С, N) дают растворы не замещения, а внедрения.
На рис. 56 показано влияние легирующих примесей на твердость и ударную вязкость феррита.
Большинство легирующих элементов увеличивает твердость феррита: хром до 1—1,5%, никель до 4,5—5,0%. Причем повышение прочности идет без понижения пластичности.
По склонности элементов образовывать соединения с углеродом различают элементы карбидообразующие (Cr, Mn, Ti, Va, W, Nb), и некарбидообразующие (Si, Ni, Co, Cu).
Сложные карбиды пластичнее простых. При наличии в железоуглеродистом сплаве карбидообразующих примесей большое значение имеет характер распределения легирующего элемента между твердым раствором и карбидами.
По влиянию элементов на S-образную диаграмму все элементы, растворимые в аустените (за исключением Co), сдвигают S-образные линии вправо; если же в структуре наряду с аустенитом имеются карбиды (готовые центры кристаллизации), то, наоборот, возможно перемещение этих линий влево. Что же касается температур начала и конца мартенситного превращения Mн и Мк, то одни элементы их перемещают вверх (Si, Co, Al), а другие вниз (Cr, Cu, Ni, Mn) (рис. 57).
В зависимости от степени легирования можно классифицировать ряд легированных сталей по их структуре в нормализованном состоянии, разделив их на перлитные, мартенситные, мартенсито-аустенитные и аустенитные.
Легирующие примеси требуют большей выдержки стали при нагреве, но в то же время они в своем большинстве (Al, Cr, W, Mo, Ti, Va) тормозят рост зерна. Только Mn увеличивает рост зерна при нагреве.
В зависимости от состава существуют стали ферритные и карбидные на ферритной, аустенитной или мартенситной основе.
Легированные стали делят на стали общего и специального назначения. К последним сталям относятся нержавеющие, теплоустойчивые, износостойкие, с особыми физическими свойствами и др.
Добавка легированных элементов повышает стоимость сталей и порой делает их дефицитными. К недостаткам легированных сталей относится ухудшение теплопроводности и свариваемости, увеличение дендритной ликвации, склонность к отпускной хрупкости и трещинообразованию. Все эти явления должны учитываться при выборе марок сталей.
Маркировку производят большей частью следующим образом: двухзначные цифры спереди означают содержание углерода в сотых долях; следующие за нею буквы указывают характер легирования, цифры, следующие за буквами (если более 1 %) указывают степень легирования. Например, сталь марки 20Х2Н4А содержит: 0,15—0,22% С, 1,25—1,75% Cr, 3,2—3,75%; Ni, буква А в конце означает, что сталь высококачественная (относительно чиста по сере и фосфору).
Для маркировки применяют следующие буквы: Г — марганец, С — кремний, X — хром, H — никель, В — вольфрам, Ф — ванадий, M — молибден, Ю — алюминий, T — титан, Д — медь, К — кобальт.
Все легированные конструкционные стали, как правило, подвергают термической обработке. В последние годы стали широко применять низколегированные стали, которые не подвергаются термической обработке. Речь идет о строительных сталях для металлических конструкций, судостроения, вагоностроения и т. п. Эти малоуглеродистые стали (до 0,25% С) хорошо свариваются и обладают повышенной прочностью благодаря легирующим примесям. Сюда относятся стали 15Г, 20Г, 12Г2, НЛ-1 (Cu 0,3— 0,5%), медистая (Cu 0,15—0,25%). Наличие меди в этих сталях повышает их сопротивление атмосферной коррозии.