Карбидная фаза в легированных сталях. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду

Учреждение образования

«Белорусский государственный

технологический университет»

А. К. Вершина, Н. А. Свидунович, Д. В. Куис

Состав, структура, свойства сплавов на основе железа

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение

и технология конструкционных материалов» для студентов химических и технологических специальностей

Минск 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа № 1. Конструкционные легированные стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Маркировка легированных сталей …………………………
Лабораторная работа № 2. Конструкционные легированные стали. Термическая и химико-термическая обработка. Структура, свойства и применение сталей……………………………………….
Лабораторная работа № 3. Материалы для режущего Инструмента………………………………………………………
Лабораторная работа № 4. Исследование зависимостей состав – структура – свойства для чугунов…………………….

Лабораторная работа № 1

Конструкционные легированные стали. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей. Маркировка легированных сталей

Цель работы: изучение состава, структуры маркировки и механических свойств легированных сталей.

Теоретическая часть

Конструкционные легированные стали

Легированной называется сталь, в которую для придания ей определенных механических, технологических или специальных свойств введены легирующие элементы.

Легирующие элементы. Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими.

Основными легирующими элементами в сталях являются: Ni – никель; Cr – хром; Co – кобальт; Mo – молибден; Mn – марганец; Cu – медь; B – бор; Nb – ниобий; Zr – цирконий; Si – кремний; P – фосфор; W – вольфрам; Ti – титан; N –азот; V – ванадий; Al – алюминий; La, Ce, Pr и другие редкоземельные металлы;

Распределение легирующих элементов в стали. В промышленных легированных сталях, которые являются многокомпонентными системами, легирующие элементы могут находиться:

а) в свободном состоянии;

б) в форме интерметаллических соединений с железом или между собой;

в) в виде оксидов, сульфидов и других неметаллических включений;

г) в карбидной фазе – в виде раствора в цементите или в виде самостоятельных соединений с углеродом – специальных карбидов;

д) в форме раствора в железе.

Карбидная фаза в легированных сталях. Растворяться в цементите или образовывать самостоятельные карбидные фазы могут многие элементы, имеющие сродство к углероду.

Карбидообразующими элементами являются лишь элементы, расположенные в периодической системе элементов левее железа (рис. 1.1, обведены рамкой).

Рис. 1.1. Периодическая система элементов

(в рамке элементы, образующие карбиды в стали)

Установлено, что в сталях могут образовываться следующие карбидные соединения:

Fe₃C Мо₂С карбиды II группы

Мn₃С карбиды I группыW₂С, (фазы внедрения)

Cr₂₃C₆, Cr₇C₃ WС, VС

Fe₃Мо₃С TiС, NbC, ТаС

Fe₃W₃C Та2С, ZrC

Однако в сталях в чистом виде перечисленные карбиды не существуют. Карбиды всех легирующих элементов содержат в растворе железо, а при наличии нескольких карбидообразующих элементов – и эти элементы. Так, в хромомарганцовистой стали вместо чистого карбида хрома Сr₂₃С₆ образуется карбид (Сr, Мn, Fe)₂₃C₆, содержащий в растворе железо и марганец.

Указанные карбидообразующие элементы кроме того, что образуют карбиды, еще и растворяются в железе. Следовательно, они в известной пропорции распределяются между этими двумя фазами.

Растворяться в железе в значительных количествах может большинство легирующих элементов, кроме углерода, азота, кислорода, бора и металлоидов, удаленных в периодической системе от железа.

Элементы, расположенные в периодической системе левее железа, распределяются между железом (основой) и карбидами; элементы, расположенные правее железа (кобальт, никель, медь и др.), образуют только растворы с железом и не входят в карбиды.

Таким образом, подводя итоги, можно констатировать: легирующие элементы преимущественно растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов (феррит, аустенит, цементит) или образуют специальные карбиды.

Влияние легирующих элементов на феррит. Растворение легирующих элементов в Fe_α происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих элементов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Все элементы, растворяющиеся в феррите, изменяют параметры решетки феррита в тем большей степени, чем больше различаются атомные размеры железа и легирующего элемента.

Элементы с атомным радиусом, меньшим, чем у железа, уменьшают параметры решетки, а с большим – увеличивают (никель является исключением).

Естественно, что изменение размеров α-решетки вызывает и изменение свойств феррита – прочность повышается, а пластичность уменьшается.

На рис. 1.2 показаны изменения свойств феррита (твердость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов. Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден, вольфрам, а также марганец и кремний (при наличии более 1%) снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.

Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломкости, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению.

Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям (рис. 1.3).

Рис. 1.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита:

а – твердость; б – ударная вязкость

Рис. 1.3. Влияние легирующих элементов на порог хладноломкости железа

Таким образом, из перечисленных шести наиболее распространенных легирующих элементов особенно ценным является никель.

Достаточно интенсивно упрочняя феррит, никель не снижает его вязкость и понижает порог хладноломкости, тогда как другие элементы, если и не снижают вязкости, то слабо упрочняют феррит (хром) либо, сильно упрочняя феррит, резко снижают его вязкость (марганец, кремний).

Приведенные на рис. 1.3 данные относятся к медленно охлажденным сплавам. Свойства феррита, содержащего в растворе кремний, молибден или вольфрам, практически не зависят от того, как охлаждался сплав – быстро или медленно, тогда как твердость феррита, легированного хромом, марганцем и никелем, после быстрого охлаждения оказывается более высокой, чем после медленного охлаждения.

Исследование причин упрочнения при быстром охлаждении легированного феррита в практически безуглеродистых сплавах (С < 0,02%) показало, что это связано с образованием структуры мартенситного типа.

При медленном охлаждении получается полиэдрический феррит (рис. 1.4, а). При быстром охлаждении получается структура игольчатого типа – игольчатый феррит (рис. 1.4, б),по внешнему виду похожая на бейнит. Твердость игольчатого феррита на 100–150 НВ выше твердости полиэдрического феррита.

Рис. 1.4. Структура феррита в сплаве с 4,2%-ным Сr;

а – полиэдрический феррит, медленное охлаждение, × 400; б – игольчатый феррит, очень быстрое охлаждение, × 400

Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита. Кинетика распада аустенита, определяет поведение стали при термической обработке. Влияние же легирующих элементов на кинетику превращения аустенита очень велико.

Так, легирующие элементы, образующие растворимые в аустените карбиды, при разных температурах по-разному влияют на скорость распада аустенита при:

– 700–500°С (образование перлита) – замедляют превращение;

– 500–400°С – весьма значительно замедляют превращение;

– 400–300°С (образование бейнита) – ускоряют превращение.

Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элементами (хром, молибден, вольфрам), наблюдаются два максимума скорости изотермического распада аустенита, разделенных областью высокой устойчивости переохлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые (перлитное превращение) и превращение в игольчатые (бейнитные превращения) структуры.

Схематическое изображение диаграммы изотермического превращения (показано лишь начало превращения) приведено на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Диаграммы изотермического распада аустенита:

а – углеродистая (1)и легированная некарбидообразующими элементами (2)

стали; б – углеродистая (1) и легированная карбидообразующими

элементами (2)стали

Практически наиболее важной является способность легирующих элементов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превращения, что выражается в смещении линии вправо на диаграмме изотермического распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например при охлаждении в масле или на воздухе, что естественно связано с уменьшением критической скорости закалки.

Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение. Легирующие элементы главным образом влияют на положение температурного интервала мартенситного превращения, а это в свою очередь отражается и на количестве остаточного аустенита, которое фиксируется в закаленной стали (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Влияние легирующих элементов на температуру мартенентного

превращения (а) и количество остаточного аустенита (б)в стали с 1% С

Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (алюминий, кобальт), другие не влияют на нее (кремний), но большинство снижает мартенситную точку и увеличивает количество остаточного аустенита (рис. 1.6, а). Из диаграммы видно, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0°С, следовательно, при таком (или большем содержании этого легирующего элемента) охлаждением можно зафиксировать только аустенитное состояние.

Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита. Все легирующие элементы уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Исключение составляют марганец и бор, которые способствуют росту зерна.

Остальные элементы, измельчающие зерно, оказывают различное влияние:

– никель, кобальт, кремний, медь (элементы, не образующие карбидов) относительно слабо влияют на рост зерна;

– хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан сильно измельчают зерно (элементы перечислены в порядке роста силы их действия).

Это различие является прямым следствием различной устойчивости карбидов (и нитридов) этих элементов. Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. Поэтому сталь при наличии хотя бы небольшого количества нерастворимых карбидов сохраняет мелкозернистое строение до весьма высоких температур нагрева.

Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске. Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некоторые элементы, такие как никель или марганец, влияют не значительно, тогда как большинство (хром, молибден, кремний и др.) – весьма заметно.

Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер, и большинство легирующих элементов замедляет карбидное превращение, в особенности на стадии коагуляции.

На начальной стадии распада мартенсита в легированных сталях образуется e-карбид, имеющий тот же состав (по легирующим элементам), что и мартенсит.

На этой стадии отпуска влияние легирующих элементов на разупрочнение мартенсита невелико.

При более высокой температуре происходит срыв когерентности и превращение e- карбида в цементит или специальный карбид. На этой стадии отпуска наступает разупрочнение. Большинство легирующих элементов смещает эти процессы вверх по температурной шкале.

Для получения одинаковых результатов сталь, легированную такими элементами, как хром, молибден, кремний и др., нужно нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска по сравнению с углеродистой сталью.