Влияние легирующих элементов на свойства стали. Виды, марки и назначение сталей

Сталь – один из самых востребованных материалов в мире сегодня. Без нее сложно представить любую существующую строительную площадку, машиностроительные предприятия, да и много других мест и вещей, которые нас окружают в повседневной жизни. Вместе с тем, этот сплав железа с углеродом бывает достаточно различным, потому в данной статье будет рассмотрено влияние легирующих элементов на свойства стали, а также ее виды, марки и предназначение.

Классификация по назначению

Каждая сталь в зависимости от того, для чего она создана, в обязательном порядке может быть причислена в одну из следующих категорий:

• Конструкционная.
• Инструментальная.
• Специального назначения с особыми свойствами.

Самый многочисленный класс – это конструкционные стали, разработанные для создания разнообразных строительных конструкций, приборов, машин. Конструкционные марки разделяются на улучшаемые, цементуемые, пружинно-рессорные, высокопрочные.

Инструментальные стали дифференцируют в зависимости от того, для какого инструмента они производятся: режущего, измерительного и т. д. Само собой, что влияние легирующих элементов на свойства стали этой группы также велико.

Специальные стали имеют свое разделение, которое предусматривает следующие группы:

• Нержавеющие (они же коррозионностойкие).
• Жаропрочные.
• Жаростойкие.
• Электротехнические.

Использование легированной стали

Сегодня практически невозможно назвать хоть одну из сфер деятельности человека, где не нашлось бы места сплаву с такими характеристиками. Из конструкционной и инструментальной сталей выпускаются почти все инструменты, например, фрезы, резцы, штампы и т. д. Нержавеющие легированные стали также применяются для выпуска бытовых изделий, например, при производстве посуды, корпусов бытовой техники.

Также легированная сталь отличается множеством других качеств, которые гарантируют ей широчайшее применение. Она повышает срок службы самых разных изделий, обеспечивает их надежность и даже позволяет экономить. Ведь чем дольше эксплуатируется та или иная вещь, тем реже приходится приобретать новую.

Кстати, изделия или их компоненты из легированного материала можно встретить не только в строительстве или машиностроении, но и у хирургов в руках, например, скальпель, на производстве трубопроводов. Если изготовить из него нож, то часто точить его не придется.

Изделия из легированной стали

Сфера использования легированных сталей находится в прямой зависимости от способа термообработки, которому она подверглась. Прежде была изучена классификация этого материала по назначению согласно ГОСТ: инструментальные, конструкционные и стали с особыми качествами.

Низколегированные стали хорошо поддаются свариванию, поэтому из них чаще всего делают трубы и другие конструкции. Легированная инструментальная сталь отлично подходит как сырье для изделий, которые будут работать под давлением.

Согласно ГОСТ 5950-2000, легированная сталь — материал для производства медицинских инструментов, ножей, ленточных пил и др. В этот ГОСТ внесены все виды ее обозначений и области использования.

Нержавейка, содержащая много хрома, применяется для выпуска трубных изделий. Трубы, изготовленные из такого материала, отличаются повышенной стойкостью к ржавлению, и еще, они прекрасно противостоят скачкам температур, в особенности, высоких.

Группы сталей по химическому составу

Классификацией озвучиваются стали в зависимости от образующих их химических элементов:

• Углеродистые марки стали.
• Легированные.

При этом обе эти группы дополнительно разделяются еще и по количеству содержащегося в них углерода на:

• Низкоуглеродистые (карбона менее 0,3%).
• Среднеуглеродистые (концентрация карбона равно 0,3 – 0,7 %).
• Высокоуглеродистые (карбона более 0,7%).

Несколько слов о качестве стали

Этот параметр данного сплава подразумевает под собой совокупность свойств, которые, в свою очередь, обуславливаются непосредственно процессом его производства. К подобным характеристикам, которым подчиняются и легированные инструментальные стали, относятся:

• Химический состав.
• Однородность структуры.
• Технологичность.
• Механические свойства.

Качество любой стали напрямую зависит от того, сколько содержится в ней кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Также не последнюю роль играет и метод получения стали. Самым точным с точки зрения попадния в требуемый диапазон примесей является сопособ выплавки стали в электропечах.

Легированная сталь и изменение ее свойств

Легированная сталь, марки которой содержат в своей маркировке буквенные обозначения вводимых принудительно элементов, меняет свои свойства не только от этих сторонних веществ, но и также от их взаимного действия между собой.

Если рассматривать конкретно углерод, то по взаимодействию с ним легирующие элементы можно условно разделить на две большие группы:

• Элементы, которые формируют с углеродом химическое соединение (карбид) – молибден, хром, ванадий, вольфрам, марганец.
• Элементы, не создающие карбидов – кремний, алюминий, никель.

Стоит заметить, что стали, которые легируются карбидобразующими веществами, имеют очень высокую твёрдость и повышенное сопротивление износу.

Низколегированная сталь (марки: 20ХГС2, 09Г2, 12Г2СМФ, 12ХГН2МФБАЮ и другие). Особое место занимает сплав 13Х, который достаточно тверд для изготовления из него хирургического, гравировального, ювелирного оборудования, бритв.

Характеристика легированных сталей

Легированная сталь представляет собой сталь, которая кроме обычных примесей оснащена еще и дополнительными добавочными веществами, которые необходимы для того, чтобы она соответствовала тем или иным химическим и физическим требованиям.

Обычная сталь состоит из железа, углерода и примесей, без которых невозможно себе представить данный материал. В легированную сталь добавляются дополнительные вещества, которые получили название легирующих. Они используются для того, чтобы сталь стала обладать такими свойствами, которые необходимы в тех или иных ситуациях.

В большинстве случаев в качестве легирующих элементов к железу, примесям и углероду добавляются: никель, ниобий, хром, марганец, кремний, ванадий, вольфрам, азот, медь, кобальт. Также не редко в таком материале отмечаются такие вещества, как молибден и алюминий. Для придания прочности материалу в большинстве случаев добавляется титан.

Такой вид стали имеет три основные категории. Отношение легированной стали к той или иной группе обусловлено тем, сколько в ней содержится стали и примесей, а также легированных добавок.

Виды легированной стали

Есть три основных вида стали с легирующими элементами:

• Низколегированная сталь.

Она характеризуется тем, что в ней содержится около двух с половиной процентов легирующих дополнительных элементов.

• Среднелегированная сталь.

Данный материал имеет в своем составе от 2.5 до 10 процентов легирующих дополнительных веществ.

• Высоколегированная сталь.

К данному виду относятся стальные материалы, количество легирующих добавок в которых превышает десяти процентов. Количество этих компонентов в такой стали может достигать пятидесяти процентов.

Назначение легированной стали

Легированную сталь широко применяют в современной промышленности. Она обладает высоким уровнем прочности, что позволяет изготовлять из нее оборудование для резки и рубки металлического проката самых разных видов.

По своему назначению стали легированного типа могут быть представлены большим количеством групп.

Основными из них являются:

• конструкционная легированная сталь,
• инструментальная легированная сталь,
• легированная сталь с особыми химическими и физическими свойствами.

Характеристики легированных сталей могут быть разнообразными. Они их приобретают благодаря соотношению основных элементов. Стали такого типа являются в любом случае более прочными и устойчивыми к образованию коррозии.

Расшифровка

Содержание легирующих элементов в стали можно определить по ее маркировке. Каждая из таких вводимых в сплав составляющих имеет своё буквенное обозначение. Например:

• Хром – Cr.
• Ванадий –V.
• Марганец –Mn.
• Ниобий – Nb.
• Вольфрам –W.
• Титан – Ti.

Иногда в начале индекса марки стали стоят буквы. Каждая из них несет особый смысл. В частности, буква «Р» означает, что сталь является быстрорежущей, «Ш» сигнализирует, что сталь шарикоподшипниковая, «А» – автоматная, «Э» – электротехническая и т. д. Высококачественные стали имеют в своем цифро-буквенном обозначении в конце литеру «А», а особо качественные содержат в самом конце маркировки букву «Ш».

Марки легированной стали

Марки легированной стали являются различными. Они представлены в большом многообразии. В зависимости от назначения стали определяется ее маркировка.

Сегодня имеется большое количество требований к маркировке легированной стали. Для данного процесса используются цифровые и буквенные обозначения. Сначала при маркировке используются цифры. Они являются показателями того, сколько содержится в том или ином виде легированной стали сотых долей углерода. После цифр стоят буквы, которые являются обозначением того, какие легирующие добавки были использованы при производстве того или иного легированного типа стали.

После букв могут стоять цифры, обозначающие количество легирующего вещества в составе стального материала. Если после обозначения какого-либо легирующего элемента не стоит цифровое обозначение, то его в составе имеется минимальное количество, не достигающее даже одного процента.

Таблица 1. Сопоставление марок стали типа Cm и Fе по международным стандартам ИСО 630-80 и ИСО 1052-82.

Таблица 2. Условные обозначения легирующих элементов в металлах и сплавах

Воздействие легирующих элементов

В первую очередь следует сказать, что основополагающее влияние на свойства стали оказывает углерод. Именно этот элемент обеспечивает с повышением своей концентрации увеличение прочности и твердости при снижении вязкости и пластичности. Кроме того, повышенная концентрация углерода гарантирует ухудшение обрабатываемости резанием.

Содержание хрома в стали напрямую влияет на ее коррозионную стойкость. Этот химический элемент формирует на поверхности сплава в агрессивной окислительной среде тонкую защитную оксидную пленку. Однако для достижения такого эффекта в стали хрома должно быть не менее 11,7%.

Особого внимания заслуживает алюминий. Его применяют в процессе легирования стали для удаления кислорода и азота после ее продувки, дабы поспособствовать уменьшению старения сплава. Кроме того, алюминий значительно повышает ударную вязкость и текучесть, нейтрализует крайне вредное влияние фосфора.

Ванадий – это особый легирующий элемент, благодаря которому легированные инструментальные стали получают высокую твёрдость и прочность. При этом в сплаве уменьшается зерно и повышается плотность.

Легированная сталь, марки которой содержат вольфрам, наделена высокой твёрдостью и красностойкостью. Вольфрам хорош также и тем, что он полностью устраняет хрупкость во время запланированного отпуска сплава.

Для увеличения жаропрочности, магнитных свойств и сопротивления значительным ударным нагрузкам сталь легируют кобальтом. А вот одним из тех элементов, который не оказывает какого-либо существенного влияния на сталь, является кремний. Однако в тех марках стали, которые предназначены для сварных металлоконструкций, концентрация кремния должна быть обязательно в пределах 0,12-0,25 %.

Значительно повышает механические свойства стали магний. Его также используют в качестве десульфуратора в случае использования внедоменной десульфурации чугуна.

Низколегированная сталь (марки ее содержат легирующих элементов менее 2,5%) очень часто содержит марганец, что обеспечивает ей непременное увеличение твердости, износоустойчивости при сохранении оптимальной пластичности. Но при этом концентрация этого элемента должна быть более 1%, иначе не получится достигнуть указанных свойств.

Углеродистые марки стали, выплавляемые для различных масштабных строительных конструкций, содержат в себе медь, которая обеспечивает максимальные антикоррозионные свойства.

Для увеличения красностойкости, упругости, предела прочности при растяжении и стойкости к коррозии в сталь обязательно вводят молибден, который также еще и повышает сопротивление окислению металла при нагреве до высоких температурных показателей. В свою очередь церий и неодим применяются для снижения пористости сплава.

Рассматривая влияние легирующих элементов на свойства стали, нельзя обойти вниманием и никель. Данный металл позволяет стали получить превосходную прокаливаемость и прочность, повысить пластичность и ударопрочность и понизить предел хладноломкости.

Очень широко используется в качестве легирующей добавки и ниобий. Его концентрация, в 6-10 раз превышающая количество обязательно присутсвтующего углерода в сплаве, позволяет устранить межкристаллитную коррозию нержавеющей марки стали и предохраняет сварные швы от крайне нежелательного разрушения.

Титан позволяет получить самые оптимальные показатели прочности и пластичности, а также улучшить коррозионную стойкость. Те стали, которые содержит эту добавку, очень хорошо подвергаются обработке различным инструментом специального назначения на современных металлорежущих станках.

Введение в стальной сплав циркония дает возможность получить требуемую зернистость и при необходимости оказывать влияние именно на рост зерна.

Тема: «Легированные стали и специальные сплавы». Занятие 1.

Материаловедение

ЦК КТЭЛА

Раздел
I.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Тема 1.6. Легированные стали и специальные сплавы

Занятие №1.

Учебные вопросы:

1. Легированные стали, их преимущества по сравнению с углеродистыми сталями

2. Классификация легированных сталей, их маркировка

3. Влияние легирующих элементов на свойства сталей

4. Инструментальные легированные стали, металлокерамические и порошковые материалы

1.
Легированные стали, их преимущества по сравнению с углеродистыми сталями
Легированными

называются стали, в состав которых специально вводится один или несколько легирующих элементов для получения необходимых свойств (хром, никель, вольфрам и т. д.). Стали, в состав которых введен хром, называются хромистыми, вольфрамовыми, а в случае содержания в стали нескольких элементов ее называют соответственно хромоникелевой, хромоникелевольфрамовой и т. д.

Легирующие элементы изменяют механические свойства стали — прочность, вязкость, износостойкость, коррозионную стойкость, теплопроводность и т. д. Влияние легирующих элементов особенно сказывается после термической обработки. Все легирующие элементы, за исключением кобальта, уменьшают критическую скорость охлаждения, необходимую для получения мартенсита. Это дает возможность получить закалочные структуры в легированных сталях даже при охлаждении на воздухе.

По сравнению с углеродистыми сталями, легированные имеют ряд преимуществ: высокая прочность, хорошая прокаливаемость, высокая износоустойчивость, высокая усталостная прочность, коррозионная стойкость. Кроме того, некоторые легированные стали обладают специальными свойствами — жаропрочностью и жаростойкостью. Эти преимущества имеют большое практическое значение.

В связи с ростом мощности авиационных двигателей и увеличением полетной массы самолета требуются материалы высокой прочности. Увеличение размеров деталей, широкое применение кованых деталей и профилей с большой площадью поперечного сечения вызывают необходимость применения материалов с хорошей прокаливаемостью. В связи с повышением частоты вращения роторов двигателей и широким внедрением подшипников качения возникла необходимость применения материалов с высокой износоустойчивостью для изготовления валов, осей, шестерен и других деталей, работающих на трение. Увеличение скорости самолетов, мощности и частоты вращения роторов авиационных двигателей вызывает необходимость применения материалов с максимальным пределом выносливости.

2.
Классификация легированных сталей, их маркировка
Большое разнообразие химического состава сталей, структуры, свойств приводит к сложной классификации по признакам:

1.
Классификация по химическому составу.
В зависимости от состава легированные стали классифицируют как хромистые, никелевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые, марганцовистые и т. д. Классификационный признак — наличие в стали тех или иных основных легирующих элементов.

2.
По количеству легирующих элементов.
Стали подразделяют на низколегированные (до 3% легирующих элементов), среднелегированные (3…10%), высоколегированные (свыше 10%).

3.
Классификация по структуре после охлаждения на воздухе.
Легированные стали подразделяют на классы:

1) перлитный;

2) мартенситный;

3) аустенитный;

4) ферритный;

5) карбидный.

Получение этих классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается.

4.
Классификация по назначению.
В зависимости от назначения стали подразделяют на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами (рис. 1.1).

Рис. 1.1.

Классификация легированных сталей по назначению

Для обозначения марок сталей в нашей стране принята буквенно-цифровая система. Каждому легирующему элементу соответствует буква русского алфавита:

Азот —
А
(если стоит внутри

маркировки)

Высококачественные легированные стали обозначаются буквой «А», помещенной в конце марки (например, 30ХГСА

).

Особовысококачественная сталь обозначается буквой «Ш», располагаемой в конце марки (например, 30ХГС-Ш

, 30ХГСА-
Ш
).

Если буква «А» расположена в середине марки (например, 16Г2АФ), то сталь легирована азотом.

Первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента в конструкционных сталях и в десятых долях процента — в инструментальных сталях, при содержании углерода в инструментальных сталях более 1% цифру не пишут.

Цифры, стоящие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента в процентах. При содержании легирующего элемента до 1% цифра отсутствует.

3.
Влияние легирующих элементов на свойства сталей
Для улучшения физических, химических, технологических свойств стали легируют, вводя в их состав различные легирующие элементы. Стали могут содержать один или несколько легирующих элементов, которые придают им специальные свойства.

Влияние легирующих элементов.

Легирующие элементы вводят в сталь для повышения ее конструкционной прочности. Основной структурной составляющей в конструкционной стали является феррит, занимающий в структуре не менее 90% объема. Растворяясь в феррите, легирующие элементы упрочняют его. Твердость феррита (в состоянии после нормализации) наиболее сильно повышают кремний, марганец и никель. Молибден, вольфрам и хром влияют слабее.

Большинство легирующих элементов, упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, снижают его ударную вязкость (за исключением никеля). При содержании до 1% марганец и хром повышают ударную вязкость. Свыше этого содержания ударная вязкость снижается.

Увеличение содержания углерода в стали усиливает влияние карбидной фазы, дисперсность которой зависит от термической обработки и состава стали. В значительной степени повышению конструктивной прочности при легировании стали способствует увеличение прокаливаемости. Наилучший, результат по улучшению прокаливаемости стали достигают при ее легировании несколькими элементами, например Cr + Mo; Cr + Ni; Cr + Ni + Mo и другими сочетаниями различных элементов.

Хром

оказывает благоприятное влияние на механические свойства конструкционной стали. Его вводят в сталь в количестве до 2%. Он повышает прочность, твердость и одновременно незначительно понижает пластичность и вязкость, увеличивает прокаливаемость стали.

Никель

— наиболее ценный легирующий элемент, его вводят в сталь в количестве от 1 до 5% для повышения коррозионной стойкости, прочности и пластичности. Он увеличивает прокаливаемость стали, измельчает структуру зерна стали, повышает сопротивление удару, уменьшает коэффициент теплового расширения.

Марганец

вводят в сталь до 1,5%. Он распределяется между ферритом и цементитом, повышает твердость, износостойкость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая плотности, способствует глубокой прокаливаемости стали и придает немагнитность.

Кремний

вводят в сталь не более 2%. Он повышает прочность, увеличивает упругость, электросопротивление и магнитопроницаемость.

Молибден

вводят в сталь не более 0,6%. Он повышает прочность и твердость, незначительно снижает пластичность и вязкость, уменьшает отпускную хрупкость.

Вольфрам

вводят в сталь не более 1,5%. Он образует в стали очень твердые химические соединения — карбиды, резко увеличивающие твердость и красноломкость стали. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске стали.

Ванадий

повышает твердость стали, способствует образованию мелкозернистой структуры с повышенной упругостью и сопротивлением усталости; вводят в сталь в количестве не более 0,3%.

Титан

повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерен, является хорошим раскислителем, улучшает технологические свойства, повышает коррозионную стойкость.

Бор

вводят в сталь до 0,005%. Он увеличивает прокаливаемость, повышает ударную вязкость после низкого отпуска.

Медь

повышает стойкость к коррозии.

Тема 1.6. Занятие №1. Легированные стали и специальные сплавы 4