Главная


Основы металлографии и пластической деформации стали




Листать книгу
Листать
Страницы: 1 ... 21 ... 63 ... 105 ... 147 ... 189 ... 231 ... 239
126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167


скачать книгу Основы металлографии и пластической деформации стали




ного равновесия выделяется графит. Линия ABCD' является линией ликвидуса, AHIE'C'F' — линией солидуса. В стабильных условиях возможны три трехфазных равновесия: перитектическое Жв + Ai + + ЬФн (линия HIB), эвтектическое Же + Ае-
...
АЕ- + Г; As- ->• ФР- + Г. Пары линий HN, IN и GP', GS' обра­зуют интервалы перекристаллизации (полиморфных превращений) в сплавах Fe — С. Линии E'S' и P'Q' являются линиями ограниченной растворимости углерода соответственно в аустените и феррите.
...
Рис. 3.3. Диаграммы состояния стабильного и метастабильиого равновесия Fe — С сплавов
...
новесия: перитектическое Жв + А[ + ЬФИ (линия Н1В), эвтектиче­ское Же + Ае
...
Часто диаграммы стабильного и метастабильного равновесия совме­щают на одном чертеже, в результате получается диаграмма с двой­ными линиями.
...
Дальнейшее охлаждение сплава приводит к новому пересыщению жидкости железом, продолжается выделение кристаллов бФ-феррита. При этом в интервале температур ^ — £2 жидкость изменяет свой состав от точки /' до точки 2', т. е. по линии ликвидуса, а б-феррит — от точки 1" до точки 2", т. е. по линии солидуса.
...
Кристаллизация продолжается при охлаждении до температуры £8, количество жидкости постепенно уменьшается и сплав полностью за­твердевает с образованием однофазной структуры б-феррита.
...
В случае медленного охлаждения, когда успевает закончиться процесс диффузии, и при каждой из промежуточных температур (^, £2) достигается равновесие, конечная структура сплава представляет собой однородный твердый раствор. Если же диффузионное выравни­вание состава не успевает закончиться, то затвердевший сплав опре­деляет собой неоднородный твердый раствор. Содержание углерода в каждом дендрите увеличивается от осей к междендритным участкам, т. е. возникает дендритная или внутрикристаллическая ликвация.
...
Рис. 3.4. Участок диаграммы состояния Ре — С сплавов с перитек-тическим равновесием
...
Обычно аустенит зарождается и растет на поверхности кристаллов б-феррита. Состав аустенита неоднороден: согласно диаграмме (рис. 3.4) в контакте с жидкостью он определяется точкой 12, в кон­такте же с 6-ферритом — точкой 13. В аустените возникает диффузия атомов углерода и железа, поддерживающая необходимые для пери-тектического превращения пересыщения исходных фаз. Аустенит рас­тет за счет обеих фаз до их полного исчезновения. Сплав // затверде­вает в результате перитектической кристаллизации.
...
Сплав /// содержит 0,1—0,16 % С. Кристаллизация его, как и сплава II, начинается с выделения 6-феррита при переохлаждении ниже линии ликвидуса и продолжается до температуры í14. Перитек-тическая кристаллизация происходит при переохлаждении до темпе­ратуры tlb по следующей реакции: Жь
...
Сплав IV содержит 0,16—0,5 % С (рис. 3.4). Кристаллы 6-феррита образуются в интервале температур tv — t18, затем при переохлаж­дении сплава до температуры t19 протекает перитектическая реакция Жв + 6Фл Ai -f- Жост- В отличие от сплавов // и /// после пери-тектического превращения кристализация сплава IV полностью не завершается. Остаток жидкости затвердевает в процессе дальнейшего охлаждения до температуры t20 в результате выделения аустенита.
...
Сплав V содержит 0,5—2,06 % С. В результате переохлаждения до температуры í2l жидкость пересыщается железом АСре = С21 — C-iv, что способствует кристаллизации аустенита в интервале температур t21 — í22. В результате медленного или ускоренного охлаждения кри­сталлизуется соответственно химически однородный или неоднородный аустенит.
...
Фазовые превращения после кристаллизации в стали любого со­става начинаются из аустенитного состояния. Микроструктура аусте­нита показана на рис. 3.5.
...
Рассмотрим превращения в нескольких сплавах (рис. 3.6). Сплав / содержит менее 0,025 % С. Это технически чистое железо. Переохлаж­дение ниже линии GS, например до температуры íj, способствует по­лиморфному превращению аустенита в феррит. В первую очередь за­родыши феррита появляются в дефектных участках аустенита — в стыках зерен, у границ. В процессе полиморфного превращения пе­рераспределяются атомы углерода, растворимость которого в феррите намного меньше, чем в аустените. При температуре tx отношение ве­совых количеств фаз определяется из выражения Ф\»/Ау = (1 — Г)/ (1" — 1). Охлаждение сплава способствует продолжению перекристал­лизации, и при температуре t2 сплав имеет ферритную структуру.
...
В интервале температур t2—ta фазовые превращения в сплаве / не происходят. В точке 3 феррит насыщен углеродом. Охлаждение до температуры í4 приводит к пересыщению феррита углеродом, степень пересыщения ДСс определяется величиной отрезка 4—4'. В результате вы шляется высокоуглеродистая фаза — цементит третичный. Во вре-
...
мя охлаждения растворимость углерода в феррите постепенно умень-" шается и выделяется третичный цементит. Сплав / при температуре /6 имеет структуру феррита с небольшим количеством цементита тре­тичного.
...
Рис. 3.5. Микроструктура аустенита (высокотем- Рис. 3.6. Участок диаграммы ме-пературный микроскоп, X 900)
...
ном аустените, который является химически неоднородным: согласно диаграмме состояния вблизи ферритных пластин он содержит больше углерода Аи, чем вблизи цементита Л12. Это вызывает диффузию уг­лерода от феррита к цементиту, в результате чего аустенит вблизи цементита пересыщается углеродом, а вблизи феррита обедняется. Так поддерживаются условия роста цементитных и ферритных пла­стин за счет аустенита.
...
После завершения эвтектоидного превращения сплав /// имеет перлитную структуру. При эвтектоидном превращении в одном зерне аустенита образуется несколько колоний перлита. Для последних характерно пластинчатое строение: они состоят из чередующихся пластин феррита и цементита. Количество феррита и цементита в пер­лите можно определить из отношения Ф/Ц = SKIPS = (6,67—0,8)/ (0,8—0,025) « 7.
...
Чем больше переохлаждение сплава, при котором проходит эв-тектоидное превращение, тем дисперснее структура перлита, т. е. тоньше пластины феррита и цементита. Перлитные колонии дифферен­цируют по величине межпластиночного расстояния, равного средней сумме толщин пластинок феррита и цементита Д. Различают грубо-, средне- и тонкодифференцированный перлит, для каждого из которых величина Д находится соответственно в интервале (0,6—1,0); (0,25— 0,3); (0,1—0,15) мкм. Часто эти структуры называют соответственно перлитом, сорбитом, трооститом. С увеличением степени дисперсности структуры повышаются твердость, пределы текучести и прочности, а относительное удлинение понижается.
...
При малом переохлаждении в результате эвтектоидного превра­щения аустенита образуются не колонии перлита, а грубый конгло­мерат фаз феррита и цементита. В этом случае кристаллы феррита и цементита могут расти раздельно за счет диффузии углерода в хими­чески неоднородном аустените. Приток атомов углерода к цементиту и уход их от феррита способствуют росту цементитных частиц и пре­вращению аустенита в феррит. Процесс продолжается до полного исчезновения аустенита.
...
На рис. 3.7 представлены микроструктуры сталей с различным содержанием углерода. У технически чистого железа ферритная струк­тура содержит небольшое количество третичного цементита (рис. 3.7, а). Углерода в феррите в условиях равновесия должно быть не более 0,006 % при температурах ниже 600 °С, однако при ускоренном ох­лаждении (в метастабильном состоянии) возможно превышение пре­дела растворимости до 0,05—0,08 % С.
...
в, г), причем с повышением содер­жания углерода от 0,006 до 0,8 % увеличивается количество перлитной составляющей. По структуре можно определить содержание углерода в доэвтектоидной стали:
...
где С — содержание углерода в ста­ли; Сф и Си — содержание углерода соответственно в феррите и перлите; Ф и П — количество в структуре ста­ли феррита и перлита, %, определяе­мое визуально при увеличении X
...
та на границах зерен (рис. 3.7, е), причем с повышением количества уг­лерода от 0,8 до 2,06 % возрастает количество вторичного цементи­та. По структуре можно определить содержание углерода в заэвтектоид-ной стали:
...
чественных сталях ограничивается верхними пределами, вес. %: 0,8 Мп, 0,5 51, 0,035 Р, 0,04 Б. Специально добавляемые для обеспе­чения нужных свойств примеси называют легирующими элементами, а стали — легированными".
...
Марганец вводят в сталь для раскисления и связывания серы. Он растворяется в феррите и цементите. Введение в сталь этого эле­мента повышает ее прочность, устраняет склонность к краснолом­кости.
...
Фосфор попадает в сталь из руды. Это вредная примесь. Раство­ряясь в феррите, он вызывает повышение температуры перехода из вязкого состояния в хрупкое, т. е. способствует хладноломкости стали. В то же время фосфор облегчает обработку стали резанием, а в при­сутствии меди повышает коррозионную стойкость, увеличивает пре­делы текучести и прочности, снижает пластичность и вязкость.
...
Сера, как и фосфор, является вредной примесью и попадает в сталь из руды, а также из печных газов. Она нерастворима в железе и об­разует с ним сернистое соединение — сульфид железа Рев, который способствует красноломкости стали. Сера, как и фосфор, облегчает обработку сталей резанием.
...
Водород, азот и кислород содержатся в стали в очень небольших количествах (около 0,004—0,02 %). Эти элементы находятся в металле в газообразном состоянии либо образуют (кроме водорода) различные соединения — неметаллические включения. Растворимость газов в
...
Для литой стали характерна крупнозернистая структура, что вы­зывает понижение как прочностных, так и пластических свойств, и особенно ударной вязкости. Такую структуру можно исправить (из­мельчить зерна) путем термической обработки, если сталь в зависи­мости от содержания углерода нагреть до температуры аустенитной области (800... 1000 °С) и охладить на воздухе.
...
В сталях в процессе кристаллизации возникает неоднородное рас­пределение углерода и других примесей. Это приводит к тому, что в разных участках превращения в металле, находящемся в твердом состоянии, протекают с различной скоростью. В результате в стали возникает структурная неоднородность, заключающаяся в неравно­мерном распределении фаз и структурных составляющих, наличии продуктов эвтектоидного распада разной степени дисперсности (пер­лита, сорбита, троостита), появлении зон с видманштеттовой струк­турой и разнозернистостью, т. е. участков с мелкими и крупными зернами. Химическая и связанная с ней структурная неоднородности обусловливают весьма низкие механические свойства литых сталей. От них можно избавиться, проведя специальную термическую обра-работку (гомогенизирующий отжиг). 
...
В зависимости от содержания углерода стали делят на низко- (ме­нее 0,25 % С), средне- (0,25—0,60 % С) и высокоуглеродистые (более 0,6 % С). По отношению к точке 5 на диаграмме Ре — С стали бывают доэвтектоидные (менее 0,8 % С), эвтектоидные (0,8 % С), заэвтектоид-ные (0,8—2 % С). По применению различают конструкционные и ин­струментальные стали.
...
Конструкционными сталями называют такие, которые идут для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. Содержание углерода в конструкционных сталях не превышает (0,5—0,6 %). Эти стали должны обладать высокими механическими свойствами и до­статочной конструкционной прочностью, хорошо обрабатываться дав­лением и иметь хорошую прокаливаемость.
...
Существует два класса углеродистых конструкционных сталей: стали обыкновенного качества и качественные стали. Различают ки­пящие (обозначают «кп»), полуспокойные («пс») и спокойные («сп») углеродистые стали.
...
Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества мо­гут содержать до 0,06 % серы и 0,07 % фосфора. Они делятся на три группы А, Б, В. Стали всех трех групп обозначаются буквами Ст и
...
Рис. 3.9. Видманштеттова структура доэвтектоидной
...
цифрами О, 1, 2, 6, показывающими порядковый номер стали (категорию). Например, Ст2кп. К группе А относятся стали с гаран­тируемыми механическими свойствами. Группа Б включает стали с гарантируемым химическим составом. В обозначение марки стали вводится буква Б. Например, БСтЗкп. В группу В входят стали по­вышенного качества с гарантируемыми механическими свойствами и
...
Качественные углеродистые стали по содержанию марганца делят на две группы: в сталях I группы менее 0,7 % марганца, а II —0,7— 1,0 %. Стали II группы имеют высокую прочность. Из них произво­дят железнодорожные рельсы и колеса, строительные конструкции, ими армируют железобетонные конструкции.
...
Инструментальные стали, в которых содержится более 0,6—0,7 % С, применяются для изготовления режущего, штампового, мерительного инструмента. Они имеют высокие твердость, прочность, износо­стойкость.
...
Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой У, а также цифрами 7, 8, 10 и т. д., указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. В обозначение марки высоко­качественной стали вводится буква А, например, У10А, что указы­вает на пониженное содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора (ме­нее 0,035 %) в стали. Стали марок У7, У8 применяются для изготов­ления инструмента, испытывающего динамические нагрузки, а стали марок У10, У11, У12, У13 — для производства режущего инстру­мента. Режущим инструментом из углеродистой стали можно обра­батывать материалы с низкой твердостью.
...
Для сталей обыкновенного качества и качественных содержание серы и фосфора строго регламентировано. Однако есть группа так называемых автоматных сталей с повышенным содержанием серы (0,08—0,30 %) и фосфора (0,06—0,50 %), которые улучшают обрабаты­ваемость сталей резанием. К недостаткам этих сталей относятся по­ниженные пластичность и вязкость и повышенная склонность к кор­розии.
...
стижения жидкой сталью температуры ликвидуса. При низкой тем­пературе залитой стали количество кристаллов увеличивается, при повышенной — уменьшается. Высокая теплопроводность изложницы обеспечивает отвод тепла и способствует росту числа зародышей. Мелкозернистость наружной зоны слитка определяется неупорядо­ченностью роста кристаллов в поверхностном слое на границе сталь — изложница.
...
Формирование второй зоны слитка происходит тогда, когда на­чинают быстро расти кристаллы, соприкасающиеся с жидкой сталью и благоприятно ориентированные по отношению к направлению отво­да тепла, т. е. перпендикулярно к стенке изложницы. Рост кристал­лов, оси которых отклонены от указанного направления, происходит медленнее и прекращается при столкновении с соседними кристаллами, опередившими их в росте. В результате этого создается зона кристал­лизации, состоящая из вытянутых или столбчатых кристаллов. Она называется зоной
...
Наличие всех трех зон кристаллизации и их размер зависят в пер­вую очередь от скорости отвода тепла. В быстро охлажденном слитке столбчатые кристаллы прорастают до центра, весь слиток затвердевает по механизму транскристаллизации, структура же медленно охлаж­денного слитка состоит только из равноосных кристаллов. В тонко­стенных изложницах слиток кристаллизуется быстрее, чем в толсто­стенных. При повышении температуры изложницы (в результате спе­циального ее подогрева) скорость затвердевания стали уменьшается. На скорость кристаллизации стали влияют также конвективные по­токи. При их сильном развитии уже образовавшиеся кристаллы могут оплавиться. Повышение в стали содержания углерода и легирующих элементов приводит к увеличению температурного интервала кри­сталлизации.
...
Наличие трех зон кристаллизации в стальном слитке, т. е. неодно­родность структуры по сечению слитка, приводит при последующей деформации к неоднородности его свойств. В слитках, имеющих зону транскристаллизации, проявляется анизотропия свойств. Если при деформации направления прокатки и столбчатых кристаллов совпа­дают, это приводит к резкому увеличению технологической пластич­ности стали и уменьшению энергии, требуемой для деформации.
...
Деформируемость слитков зависит от их размеров (масштабный фактор): чем крупнее слиток, тем труднее он деформируется, так как уменьшение отношения площади контактной поверхности к объему слитка снижает влияние контактных сил трения. Для слитков каждой марки стали существуют критические размеры, при превышении ко­торых деформация крайне затруднительна.
...
Вследствие различия плотностей жидкой и твердой стали в про­цессе кристаллизации происходит усадка металла и образуется уса­дочная раковина, объем Уу которой можно определить, зная массу слитка Р, а также плотности жидкой рж и твердой ртв стали:
...
Усадочная раковина образуется следующим образом. После кристал­лизации наружного слоя стали у стенок изложницы исходный уровень жидкости понижается: образование нового слоя кристаллов опять приводит к снижению уровня жидкой стали и т. д. Усадочная раковина может быть открытая и закрытая (если изложница накрыта крышкой), симметричная и несимметричная в зависимости от равномерности от­вода тепла в разных направлениях; сосредоточенная в одном объеме и рассредоточенная — в виде нескольких несплошностей. Причинами образования усадочной раковины являются слишком быстрый отвод тепла в головной части слитка, недостаточное количество жидкой стали к концу затвердевания из-за неполной заливки изложницы. Особенно неблагоприятна осевая (удлиненная) усадочная раковина, которая может возникнуть при преждевременном раздевании и опро­кидывании слитка.
...
Головная, часть слитка, содержащая усадочную раковину, перед прокаткой обычно удаляется — производится так называемая голов­ная обрезь. При нарушении инструкций в прокатанной из слитка заготовке может сохраниться часть усадочной раковины. Осевая уса­дочная раковина обрезанием не устраняется, ее поверхность окисляет­ся при соприкосновении с атмосферой, поэтому при горячей деформа­ции она не заваривается. Избежать появления усадочной раковины можно при непрерывной разливке стали, когда поддерживается резерв жидкой стали, а усадочная раковина выводится в прибыльную над­ставку, а также при использовании изложниц с обратной конусностью. Если создать условия для отвода тепла только в одном направлении, усадочный объем металла окажется вне слитка.
...
В слитке при кристаллизации могут возникнуть усадочные поры, если' усадка происходит в микрообъемах при срастании отдельных кристаллов (дендритов). Чаще всего поры располагаются в центре верхней части слитка (центральная пористость), хотя могут наблюдать­ся во всем объеме слитка (общая пористость). Последующая горячая де­формация не всегда может обеспечить заваривание пор, в этом случае они проявляются в деформированной стали в виде раскатанных пор и трещин напряжения.
...
При понижении температуры растворимость газов в жидкой и твер­дой стали уменьшается. Газы скапливаются в микрообъемах, в ре­зультате чего возникают газовые пузыри. Кислород в жидкой стали реагирует с углеродом, при этом образуется газ. Пузыри газа легче жидкой стали, они бурно всплывают на поверхность, создавая впе­чатление, что сталь «кипит». Такая сталь называется кипящей. Мно­гие пузыри не успевают всплыть, встречая на своем пути растущие
...
§ 2. Дефекты слитка, возникающие при кристаллизации и охлаждении
...
кристаллы, и остаются в слитке. Слиток кипящей стали имеет вблизи поверхности зону вытянутых сотовых пузырей. В процессе нагрева та­кого слитка для горячей деформации давление газа в сотовых пузы­рях возрастает, и это может привести к разрыву тонких стенок и об­нажению газовых пузырей. Поверхность проката из такого слитка окажется пораженной дефектом тлена».
...
В головной части слитка кипящей стали может образоваться рых­лость, вызывающая расслоение при деформации. Для ее устранения раскатанную полосу необходимо значительно обрезать. Слитки кипя­щей стали отличаются большой химической неоднородностью по уг­лероду, сере и фосфору, отсутствием сосредоточенной усадочной ра­ковины, они содержат множество мелких микроусадок.
...
Для предотвращения кипения сталь раскисляют алюминием, мар­ганцем, кремнием, титаном, которые связывают кислород в твердые оксиды. При добавлении 1
...
С наличием в стали газов, в частности водорода, связано появление таких дефектов, как флокены. Атомарный водород скапливается в мик­рообъемах, что вызывает молизацию, которая сопровождается повы­шением давления в газовых пузырях и образованием внутренних раз­рывов (флокенов), особенно при нагреве слитков перед горячей де­формацией.
...
Стали содержат примеси, которые делят на обычные, или техно­логические (Б, Р, Б!, Мп, О, N. Н), и легирующие, (А1, Мп, 51, Сг, ТЛ, V, XV, Мо, Со, N1 и др.). Неравномерное распределение в стали примесей называют ликвацией. Если примеси неоднородно распреде­лены по всему объему слитка, ликвация называется зональной.
...
Если неравномерность химического состава наблюдается в преде­лах отдельных кристаллов (дендритов), такой вид ликвации называет-тся дендритной,
...
Повышение растворимости элемента в твердом железе, увеличение скорости, уменьшение продолжительности и температурного интер­вала кристаллизации (А/ = глнк — /сол)
...
Ликвация в слитках обычно ха­рактеризуется коэффициентом лик­вации Кл, который показывает раз­ность между содержанием приме­сей в данной точке слитка С и сред­ним количеством примеси в жидкой стали Сж, отнесенную к Сж и вы­раженную в процентах:
...
лиС(Х1ад) РИТ"аЯ ЛИКВаЦИЯ В СТа" ли химическая неоднородность зна­чительно выше, чем в спокойной, и может достигать, %: положитель­ная по С — 200—600, 5 — 500—1000, Мп — 5—30, Р — 200—400; отрицательная по С — 11—20, Б — 20—70, Мп — 10—15, Р — 10— 40. В слитке спокойной стали наблюдается сравнительно небольшая ликвация, %: положительная по С — 20—30, Б — 40—50, Р — 30— 40, Мп — 5, & — 10—20; отрицательная — по С —15—20, 5 — 25— 35, Р — 25—30, Мп — 2—4, & — 7—12.
...
Степень ликвации примесей можно частично уменьшить при на­греве слитка перед горячей деформацией. Полностью ее можо уст­ранить специальным гомогенизирующим отжигом. Рациональный ре­жим отжига позволяет существенно улучшить пластичность хрупких в литом состоянии сталей. Стали, полученные специальными методами выплавки (вакуумный, дуговой, индукционный, электронно-лучевой, зонной плавки, электрошлакового переплава), содержат меньше при­месей и отличаются малой степенью ликвации компонентов.
...
Дендритная ликвация вызывает различие пластических свойств осей дендритов и междендритных участков, что приводит к неодно­родности пластической деформации, снижению пластичности и проч­ности стали. Ликвация слитка сохраняется в деформированной стали. Для слитков непрерывной разливки, подвергаемых принудительному охлаждению, характерна малая степень ликвации компонентов, что благоприятно сказывается на пластичности.
...
Особенно отрицательно на пластичность стали влияет сера, ко­торая по склонности к ликвации стоит на первом месте среди других примесей. Сера малорастворима в железе и способствует краснолом­кости стали.
...
В стали содержится множество неметаллических включений, кото­рые представляют собой частицы химических соединений, образую­щихся при выплавке, выпуске, разливке стали и кристаллизации слитка. Включения, встречающиеся в сталях, по происхождению мож­но разделить на эндогенные и экзогенные.
...
примесей или гетерогенно — на поверхности ранее существовавших включений или растущих кристаллов стали. Экзогенные
...
По составу неметаллические включения можно разделить на не­сколько основных групп: простые оксиды (FeO, MnO, А1203, TiO, FeO—MnO, Cr203, MgO, TiÔ2); сложные оксиды —■ включения типа шпинелей с общей формулой МеО • Ме203 (FeO • А1203, MnO •
...
По структурным признакам неметаллические включения можно объединить в три основные группы. К первой группе относятся одно­фазные частицы, состав которых постоянный и соответствует формуле любой из перечисленных выше основных групп включений, например, MnO, А1203, или переменный (твердые растворы), например, FeO — MnO, (Fe, Mn)Q-Al203, (Fe, Mn) S. Вторую группу составляют двух- или многофазные частицы, которые возникают, если включение, появившееся первым, служит подложкой для кристаллизации новой неметаллической фазы в виде сплошной или прерывистой оболочки. Например, двухфазное оксисульфидное включение состоит из оксид­ной фазы А1203 и сульфидной оболочки (Fe, Mn) S; двухфазное окси-силикатное включение — из силикатной фазы МпО • Si02, в которой распределены оксиды МпО • А1203. В третью структурную группу входят двух- или многофазные частицы, образовавшиеся при одновре­менной кристаллизации фаз в результате эвтектического превращения. Например, FeS — (Fe, Mn) S, FeO — (FeMn) S, FeO • Si02 — MnO ■
...
В одной стали могут образоваться включения нескольких типов, которые отличаются по составу и структуре. Количество неметалли­ческих включений в стали велико. В 1 т обычной углеродистой стали содержится до 1012—1013 включений оксидов и еще больше сульфид­ных включений. Основное количество этих включений (98 %) имеют размеры менее 0,2 мкм, поэтому не все из них можно увидеть под микроскопом.
...
Форма частиц неметаллических включений в литой стали зависит от типа их кристаллической решетки и условий возникновения. Тугоплавкие включения имеют, как правило, шаровидную, полиэдри­ческую, дендритную, пластинчатую, неправильную форму; легкоплав­кие включения, образующиеся на последних этапах кристаллизации стали и располагающиеся по границам дендритов,— пленочную или неправильную форму. Включения могут образовывать скопления в литой стали.
...
В слитках возможны продольные и поперечные трещины. Продоль­ны трещины на поверхности слитка располагаются вдоль его оси. Причиной их возникновения служит то, что неравномерный отвод тепла, сильно развитая транскристаллизация, наличие внутрикри-сталлической ликвации в краевой зоне способствуют появлению
...
напряжений в стали, величина которых превышает предел прочности. Поперечные трещины усадочного происхождения имеют извилистую форму, они часто образуют кольца вокруг слитка. Трещины от оста­точных напряжений направлены от головной к донной части слитка (с незначительным разветвлением). Они возникают вследствие быстро протекающих фазовых превращений в стали при резком охлаждении. Узор в виде сетки трещин на поверхность слитка переходит от внутрен­ней поверхности изношенных изложниц, с которой соприкасается слиток. В центральной части слитка встречаются осевые межкристал-литные трещины, расходящиеся веерообразно — так называемые, па­учки. Такой дефект снижает пластичность и вязкость стали. В про­цессе горячей деформации межкристаллитные трещины завариваются.
...
На поверхности слитка могут быть плены и наплывы, которые свя­заны с окислением металла. Они носят как локальный, так и общий характер. Раковины на поверхности слитка появляются при попада­нии на изложницу стальных брызг, которые не полностью срастаются со слитком.
...
Следует выделить группу дефектов слитка, связанных с неметал­лическими включениями (оксидные плены, различные корочки, трещи­ны, расслоения, микропористость и др.).
...
Перед горячей деформацией (прокаткой, ковкой) слитки нагревают до заданной температуры в специальных печах и нагревательных ко­лодцах. Температура нагрева (1200—1300 °С) зависит от состава стали, время выдержки определяется массой слитка. Слитки из сталеплавиль­ных цехов подаются в прокатные цеха при достаточно высокой тем­пературе. Для выравнивания температуры по объему слитка произво­дится посадка их в колодцы — это «горячий посад». При «холодном посаде» слитки со склада загружают в колодцы холодными. Следует контролировать равномерность нагрева, так как прокатка неравно­мерно прогретого слитка или заготовки может привести к браку или аварии на прокатном стане.
...
Большое значение имеет обеспечение оптимальных условий нагре­ва (температура нагрева, время нагрева и выдержки, состав атмосферы в печи), поскольку отклонение от них приводит к возникновению де­фектов структуры стали (рис. 3.12).
...
При высоких температурах возможно поверхностное окисление ста­ли, когда образуется слой окалины (рис. 3.12, а). Потери металла на окалину могут достигать 3—4 % от массы слитка. Сталь окисляется путем реактивной диффузии. Образуется три слоя оксидов железа, расположенных последовательно: сталь — РеО—Ре304—Ре203. Слои окалины имеют такие температуры плавления, °С: РеО (вюстит) — 1377; Ре304 (магнетит) — 1527; Ре203 (гематит) — 1565. Наличие в стали кремния и марганца, которые растворяются в окалине, спо­собствует понижению температуры плавления оксидов железа до 1300—1250 °С, что соответствует температурам нагрева стали для де-
...
Длительное пребывание слитка при высокой температуре приво­дит к снижению содержания углерода в поверхностном слое, что вы­зывает структурную неоднородность и обезуглероживание стали. Об­разуются зоны
...
При нагреве стали возможно окисление границ и тела зерен аус­тенита благодаря диффузии окисляющих газов. В результате на гра­ницах образуются пленки хрупких оксидов, а внутри зерен — дисперс­ные частицы оксидов, происходит так называемый пережог стали (рис. 3.12, в). При прокатке оксиды разрушаются и в слитке образуют­ся трещины.
...
Следует иметь в виду, что в слитках стали при нагреве возможно оплавление легкоплавких эвтектик с температурой плавления 950— 1000 °С. Во время прокатки при этих температурах в слитке образуют­ся рванины.
...
Длительное пребывание слитков при высокой температуре неиз­бежно приводит к росту зерен аустенита и нежелательному огруб­лению структуры. Этот дефект называется перегревом стали. Он
...
вызывает снижение пластичности стали, которую можно восстановить путем повторного нагрева до температуры 800—1000 °С и охлажде­ния на воздухе (нормализации).
...
В процесе нагрева в слитках особенно легированной стали могут появиться термические трещины, вызванные резким перепадом темпе­ратуры по сечению слитка и возникающими при этом термическими и структурными напряжениями. Такие слитки бракуют.
...
Температура выдержки при гомогенизирующем отжиге зависит от состава стали и размеров слитка и достигает 1050—1300 °С, когда сталь находится в аустенитном состоянии. Время выдержки состав­ляет несколько десятков часов. Чем выше температура, тем короче время выдержки. Для ускорения гомогенизации предварительно ре­гулируют исходную структуру стали (измельчают). Возможны три пути измельчения структуры: ускоренное охлаждение стали в про­цессе кристаллизации, обработка давлением и модифицирование (до­бавление специальных элементов).
...
В результате гомогенизирующего отжига повышаются пластичность стали при холодной и горячей деформации и ее качество. Следует от­метить, что гомогенизация протекает интенсивнее при отжиге слябов, а не слитков, что свидетельствует о влиянии предварительной горячей деформации на скорость диффузионных процессов. При гомогенизи­рующем отжиге возможно также полное или частичное изменение формы кристаллов зоны транскристаллизации, что значительно по­вышает качество слитка и улучшает его поведение при обработке дав­лением.
...
Рекристаллизационный отжиг проводится для устранения упрочне­ния стали, вызванного деформацией (наклепа). Этот процесс рассмат­ривается в гл. 8 разд. 4.
...
Отжиг, уменьшающий напряжения, применяют для снятия напря­жений, внесенных предшествующей обработкой (остаточных напря­жений). В зависимости от величины остаточных напряжений их ре­лаксация может проходить вследствие локальных пластических сдви­гов или в результате ползучести. Продолжительность отжига для уменьшения внутренних напряжений устанавливают опытным путем. Температура нагрева находится в интервале 550—680 °С.
...
Отжиг второго рода основан на использовании фазовых превра­щений в стали. Он заключается в нагреве стали до температуры выше АСз (доэвтектоидные стали) или ЛС) (заэвтектоидные стали), выдержке и последующем медленном охлаждении. Фазовые превращения в стали в процессе нагрева и охлаждения при отжиге отображаются диаграм­мой состояния Fe — С. Отжиг второго рода бывает полный, неполный, изотермический, сфероидизирующий, нормализационный.
...
Полный отжиг используют для улучшения грубой структуры ли­той стали (видманштеттовой, крупнозернистой структуры, неравно­мерно распределенного избыточного феррита), устранения строчечной структуры горячедеформированной стали, изменения структуры в зо­не термического влияния сварных соединений. Температура полного отжига на 20—50 °С превышает температуру АСз. При нагреве в стали появляются мелкие аустенитные зерна, из которых при последующем охлаждении образуется равномерная и мелкозернистая ферритно-перлитная структура.
...
Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (чуть выше точки ACt). Заэвтектоидную сталь подвергают только неполному отжигу. При неполном отжиге доэвтектоидной стали происходит ее частичная перекристаллизация,
...
Изотермический отжиг включает ступенчатое охлаждение от тем­пературы нагрева 900—1000 °С с изотермической выдержкой при температуре перлитного превращения (ниже точки Лг, на 30—100 °С), в процессе которой температура по сечению стального изделия вырав­нивается. В результате перлитное превращение во всем объеме проис­ходит при одной и той же температуре, что приводит к получению однородной структуры.
...
Особый вид изотермической обработки применяют при производ­стве проволоки из высокоуглеродистой стали, например канатной. Эта обработка, называемая патентированием,
...
Сфероидизирующему отжигу подвергают эвтектоидные и заэвтек­тоидные стали с целью изменения формы цементита (вторичного и перлитного) с пластинчатой на сферическую. Стали, предназначенные для изготовления инструмента, легче обрабатываются на токарных, фрезерных и других станках после сфероидизации цементита. После­дующее термическое воздействие позволяет получить нужные струк­туру и свойства инструмента.
...
Температура нагрева стали при сфероидизирующем отжиге должна быть на 20—50 °С выше точки ACl, т. е. быть равной 740—780 °С. На­гревать сталь выше точки Аст (линия ES) не следует, так как во время охлаждения может появиться сетка вторичного цементита. При­меняют также маятниковый отжиг, при котором в процессе выдержки сталь несколько раз попеременно нагревают и охлаждают на 30— 40 °С выше и ниже температуры Ах. Циклическая термическая обра­ботка ускоряет сфероидизацию. Кроме того, для ускорения сфероиди­зации цементита сталь можно подвергать холодной деформации.
...
Сфероидизация цементита протекает за счет диффузии углерода в окружающем твердом растворе. Согласно уравнению Томпсона (1.22), растворимость углерода в аустените вблизи цементита зависит от кривизны границы раздела. Вблизи плоской границы цементита углерода в аустените содержится меньше, чем у концов пластины. В результате в аустените возникает диффузионный поток атомов уг­лерода, направленный от концов к середине цементитной пластины, что приводит к нарушению равновесия (см. рис. 1.35, б). Отток ато­мов углерода от концов пластины приводит к недонасыщенности аусте­нита углеродом в этих участках и способствует переходу углерода в аустенит из цементита. Поступление углерода к середине пластины вызывает пересыщение аустенита углеродом в этом месте, в результате из пересыщенного твердого раствора выделяется цементит, который наслаивается на среднюю часть пластины. Таким образом, концы пла­стины растворяются, а середина растет, что приводит к постепенному переходу от пластинчатой к равноосной форме частиц цементита.
...
Сфероидизация цементита начи­нается с деления пластин. В местах выхода к цементитной пластине границы аустенитных зерен нару­шается равновесие сил поверхно­стного натяжения (уд-а и Уа-ц),
...
равновесной концентрации углеро- Рис 3 13. Структура стали после сфе. да в аустените. Вблизи выступа в роидизирующего отжига (Х900)
...
В месте выхода границы зерен цементита к аустениту также на­рушается равновесие сил поверхностного натяжения (уц_ц иуА_ц), которое может быть восстановлено при локальном растворении це­ментита с образованием углубления (канавки). В этом случае поверх­ность цементита становится выпуклой, и равновесная концентрация углерода в аустените у поверхности изменяется. Вблизи канавки угле­рода в аустените будет больше, чем около плоской поверхности пла­стины. Возникает диффузия атомов углерода от канавки к плоской поверхности цементита, нарушающая граничное равновесие. Цементит в месте канавки будет растворяться и атомы углерода перейдут в аус­тенит, на участках цементитной пластины с плоской границей выде­лится избыточный цементит из пересыщенного углеродом аустенита.
...
Конечная структура стали после сфероидизирующего отжига (фер­рит и частицы цементита) приведена на рис. 3.13. Такую структуру часто называют зернистым
...
Нормализационный отжиг, или нормализация, применяется для устранения крупнозернистой структуры литой стали, строчечной структуры горячедеформированной стали; измельчения структуры пе­ред закалкой; смягчения стали перед обработкой давлением. Этот вид обработки отличается от отжига большей скоростью охлаждения. Если сталь в процессе отжига охлаждается с печью, то при нормали­зации — на воздухе. Сталь нагревается на 30—50 °С выше линий 65 (доэвтектоидные) и £5 (заэвтектоидные). Нормализация обеспечива­ет большее переохлаждение аустенита, чем отжиг, поэтому в первом
...
случае получается более равномерная мелкозернистая структура с тон­ким перлитом. Прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.
...
Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали, выдержке и последующем быстром охлаждении, после которого сталь находится в так называемом неравновесном структур­ном состоянии, не свойственном ей при температуре 20 °С. Охлаждение стали при закалке проводят в воде или в масле.
...
Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаж­дения аустенита до мартенситного превращения, называется кри­
...
интервал перлитного превращения уменьшаются, и в интервале 500— 600 °С они достигают минимального значения. Это объясняется тем,, что с понижением температуры возрастает разность свободных энер­гий аустенита и ферритонементитной смеси и при сохранении доста­точно высокой диффузионной подвижности атомов скорость перлит­ного превращения увеличивается.
...
Как было рассмотрено в § 2 гл. 2, при нормальном эвтектоидном распаде аустенита, имеющем диффузионный характер, с ростом ско­рости охлаждения увеличивается дисперсность эвтектоида и можно-получить набор структур грубо-, средне- и тонкодифференнированного перлита. Твердость стали со структурой грубо-, средне- и тонкодиффе-ренцированного перлита составляет соответственно 150, 200 и 250 ИВ.
...
В интервале 500—300 °С 'понижение температуры приводит к уве­личению инкубационного периода и, поскольку диффузия резко за­медляется, нормальное перлитное превращение аустенита подавляется. Происходит промежуточное
...
Температура начала мартенситного превращения зависит от содер­жания в стали углерода (рис. 3.15), оно происходит в интервале тем­ператур Мк
...
Форма кристаллов мартенсита может быть пластинчатой, или рееч­ной. Пластинчатый мартенсит еще называют игольчатым, или высоко­температурным. Он имеет вид тон­ких линз (рис. 3.17, а). Размеры мартенситных пластин ограничиваются размерами аустенитных зерен, поскольку пластины растут только в их пределах. Реечный мартенсит представляет собой тонкие планки, расположенные в одном направ­лении в виде пакетов. Тонкая структура мартенсита характеризуется наличием дислокационных скоплений (их плотность 109—1010 см~'), двойников и двойниковых прослоек. Их образование обусловлено де­формацией решетки скольжением и двойникованием при мартенситном превращении, а также возникновением фазового наклепа.
...
В структуру закаленной стали входит аустенит, называемый оста­точным. Чем выше содержание в стали углерода, тем больше будет в структуре остаточного аустенита.
...
Рис. 3.17. Микроструктура термически об­работанных сталей
...
В результате мартенситного превращения твердость стали возра­стает (до 600 ИВ), сталь упрочняется, пластичность же резко падает-Объясняется это тем, что образование пересыщенного углеродом твер. дого раствора с сильно искаженной решеткой, возникновение дисло­кационных скоплений и двойников затрудняют движение дислокаций. Кроме того, на дислокациях образуются атмосферы атомов углерода (атмосферы Коттрелла), а из пересыщенного твердого раствора воз­можно выделение избыточной фазы — цементита. Твердость мартен­сита возрастает с увеличением содержания углерода. Наличие в струк­туре остаточного аустенита приводит к снижению твердости стали.
...
При повышении содержания в мартенсите углерода проявляется склонность его к хрупкому разрушению, поскольку образование ат­мосфер Коттрелла вызывает сильное охрупчивание стали, затрудняет ее обработку давлением при низких температурах.
...
Закалка может быть неполной, если доэвтектоидную сталь, нахо­дящуюся в двухфазном аустенитно-ферритном состоянии, резко ох­лаждать от температуры в области Ас — АСз. Структура охлажден­ной стали будет включать феррит и мартенсит (рис. 3.17, б). При ско­рости охлаждения меньше критической скорости закалки в структуре доэвтектоидной стали наряду с мартенситом и остаточным аустенитом могут быть области тонкодифференцированного эвтектоида —троос-тита. Заэвтектоидная сталь, закаленная из двухфазной аустенитоце-ментитной области (ЛС] — Аст), приобретает мартенситоцементит-ную структуру (рис. 3.17, в). Наличие в структуре цементита приво­дит к повышению твердости стали.
...
Бейнитное превращение является промежуточным между перлит­ным и мартенситным, поскольку происходит в интервале температур 250—500 °С и имеет признаки диффузионного и сдвигового превра­щения. В результате бейнитного превращения аустенит переходит в сс-фазу и дисперсный цементит. Различают бейнит верхний, имею­щий вид резаной соломы (рис. 3.17, г), и нижний с игольчатой струк­турой (рис. 3.17, д). В интервале температур бейнитного превращения переохлажденный аустенит распадается после инкубационного перио­да. Поскольку при этом диффузия атомов железа затруднена, бейнит­ное превращение включает сдвиговую перестройку у ->■ а, т. е. про­исходит по мартенситному механизму. Кристаллы а-фазы при бейнит-ном превращении растут медленно. Диффузия атомов углерода в интервале температур бейнитного превращения еще достаточно активна, поэтому углерод способен перераспределяться между фазами. Кри­сталлы а-фазы образуются из обедненных углеродом участков у-фазы, а в областях пересыщенного раствора выделяется цементит. Сталь с бейнитной структурой может иметь твердость до 400 ИВ.
...
Непрерывной называют закалку в одной охлаждающей среде не­посредственно от температуры нагрева. Она получила наибольшее распространение.
...
Прерывистая закалка проводится в двух средах. Вначале сталь охлаждают в воде (легированные стали — в масле) до температуры не­сколько выше точки Мн, а затем ее быстро помещают в менее интен-
...
Закалка с самоотпуском также является прерывистой. В этом слу­чае охлаждение в закалочной среде прерывают с таким расчетом, чтобы запаса тепла в стали хватило для самоотпуска поверхности. В результате при переходе от рабочей к центральной части инстру­мента твердость уменьшается постепенно.
...
Ступенчатая закалка состоит в том, что сталь после нагрева и выдержки при температуре закалки охлаждают в среде, имеющей тем­пературу несколько выше точки М„, выдерживают в ней, а затем по­мещают на воздух. Такой вид закалки способствует выравниванию температуры по сечению образца.
...
При изотермической закалке, как и при ступенчатой, сталь выдер­живают при температуре выше точки М„, но более длительное время. В этом случае аустенит превращается в верхний бейиит. Сталь после такой обработки имеет повышенную ударную вязкость.
...
Поверхностная закалка проводится для повышения твердости, из­носоустойчивости деталей из среднеуглеродистых сталей. Для поверх­ностной закалки применяют нагрев токами высокой частоты (индук­ционный) или газовым пламенем (газопламенный). Такой обработке подвергают, например, прокатные валки.
...
В последнее время все большее применение находит поверхностная закапка с использованием для нагрева лазерного излучения. Особен­ностями лазерной обработки являются высокие энергия лазерного импульса и удельная мощность излучения, кратковременность воздей­ствия (около Ю-3 с), большие скорости нагрева (105—10е °С/с) и ох­лаждения.
...
При облучении в поверхностном слое стали протекают структур­ные и фазовые превращения. Воздействие луча лазера подобно взрыву. В ударных волнах развиваются огромные давления, приводящие к ■пластической деформации. В результате происходит размножение и взаимодействие дислокаций, плотность которых в зоне лазерного воз­действия достигает 1011—Ю12 см~2. Кроме того, благодаря высокой эн-ргии лазерного воздействия, приводящей к увеличению амплитуды колебания атомов, возникает множество вакансий.
...
Коэффициенты диффузии железа и атомов примесей замещения при лазерном воздействии увеличиваются на порядок по сравнению с их равновесн ми величинами, коэффициенты диффузии атомов примесей внедрения возрастают еще больше. Поэтому в зоне лазер­ного воздействия происходит перераспределение компонентов стали. При оезком охлаждении мартенситное превращение осуществляется с огромной скоростью, что вызывает появление больших внутренних напряжений (фазовый наклеп). В этом случае растворившийся во время нагрева цементит или карбиды не успевают выделиться.
...
В результате лазерного воздействия сталь упрочняется. Твердость поверхности в зависимости от типа и состава стали может находиться в пределах 6200—9500 МПа, чего нельзя достичь обычной закалкой. Сталь упрочняется при повышении количества дефектов структуры, пластических сдвигах, высокотемпературном наклепе, мартенситном превращении (фазовом наклепе), растворении карбидов и фиксирова­ть
...
При закалке могут образоваться дефекты термической обработ­ки — трещины, если внутренние напряжения превысят величину пре­дела прочности. Склонность к грещинообразованию возрастает с уве­личением содержания углерода, повышением температуры нагрева под закалку и скорости охлаждения в интервале температур Мн
...
В результате возникновения термических и структурных напря­жений происходят неоднородные объемные изменения, которые вызы­вают пластическую деформацию. Чаще всего деформация несимметрич­на. Ее называют короблением. Оно особенно часто наблюдается в изделиях сложной формы при высокой температуре нагрева перед за­калкой, неравномерном прогреве, больший скорости и неравномер­ности охлаждения в интервале температур Мв
...
Закаленные стали, как правило, подвергают отпуску. Отпуск за­ключается в нагреве стали до температуры ниже точки АС1, выдержке при этой температуре и охлаждении с заданной скоростью. При от­пуске в зависимости от температуры нагрева в мартенсите происходят структурные изменения. Интервал температур первого
...
с твердым раствором и снижаются внутренние напряжения. При за­вершении третьего превращения сталь имеет ферритоцементитную структуру.
...
Температура отпуска оказывает большое влияние на свойства от­пущенной стали. Различают следующие виды отпуска: низко-, сред­не- и высокотемпературный.
...
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при температуре 150—200 °С. Его цель — снятие внутренних напряжений, получение структуры отпущенного мартенсита. Закаленная сталь после низкого отпуска сохраняет высокую твердость (58—63 HRC).
...
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350— 500 °С. Он обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, твердость стали 40—50 HRC. Структура стали после среднего отпус­ка — троостит отпуска.
...
Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляют при 500— 680 °С. Сталь после отпуска имеет структуру сорбита отпуска и наи­лучшее соотношение прочности, вязкости и пластичности.
...
Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого от­пуска, называют улучшением. Оно позволяет одновременно повысить пределы текучести и прочности, относительное сужение и ударную вязкость стали, однако при этом снижается твердость. Такая обработ­ка значительно увеличивает конструкционную прочность стали.
...
Химико-термической обработкой (ХТО) называют поверхностное насыщение стали каким-либо элементом путем диффузии его из внеш­ней среды при повышенной температуре. В процессе химико-терми­ческой обработки сталь нагревают в определенной среде, содержащей необходимый элемент, который может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. При этом изменяется химический со­став поверхности стали, а значит, и свойства. Различают следующие виды ХТО: цементацию — насыщение углеродом; азотирование — азотом; цианирование и нитроцементацию — углеродом и азотом; силицирование — кремнием; борирование — бором; диффузионную ме­таллизацию — алюминием (алитирование), хромом (хромирование).
...
Процесс химико-термической обработки состоит из следующих ста­дий: выделение необходимого элемента в атомарном состоянии, про. никновение атомов в поверхностный слой и диффузия в глубь стали-
...
Атомарное состояние элемента достигается в результате реакций во внешней среде. Скорость диффузии элемента зависит от состава стали и размера его атомов. Элементы внедрения диффундируют быст-
...
рее, чем элементы замещения. Глубина обогащенного элементом слоя зависит от температуры и продолжительности обработки, а также от концентрации элемента у поверхности, которая определяется ак­тивностью окружающей среды.
...
Насыщение поверхностного слоя каким-либо элементом в процессе выдержки или охлаждения приводит к структурным изменениям, опи­сываемым диаграммами состояния железо — насыщающий элемент. Во время цементации низкоуглеродистой стали в аустенитном состоя­нии при температуре выше ACs содержание углерода в поверхностном слое максимально у поверхности и изменяется по параболической зависимости при удалении от нее. Предположим, что концентрация углерода на поверхности достигает 1 % и уменьшается по глубине до исходного состава, например, 0,2 %. В процессе последующего охлаждения в поверхностном слое пройдут превращения, описывае­мые диаграммой состояния Fe—С. Конечная структура на поверх­ности представляет собой перлит и вторичный цементит, затем следует переходной слой с перлитной и ферритно-перлитной структурой, в ко­тором при удалении от поверхности уменьшается количество перлита. Химико-термическую обработку применяют для повышения твердости, износоустойчивости, выносливости, контактной прочности поверхност­ного слоя стали при сохранении вязкой сердцевины. Например, нитро-цементацией можно получить твердость поверхности легированной стали (500—1100) ЯV, азотированием — (300—350) ЯV углеродистой и (600—1100) ЯУ легированной, хромированием — (1200—1300) HV, борированием — (1800—2000) HV.
...
Химико-термическую обработку применяют для многих стальных изделий: режущего инструмента, деталей, работающих на износ при различных температурах и особенно в агрессивных средах. Выбор ХТО определяется назначением стального изделия и экономичностью. Перед или после ХТО стали подвергают термической обработке. На­пример, после цементации низкоуглеродистой стали следуют закалка и низкий отпуск. Перед азотированием применяют улучшение, а после азотирования термообработка не требуется.
...
Легирование стали проводят с целью придания ей определенных физико-химических или механических свойств. Элементы, вводимые в
...
Влияние легирующих элементов на критические точки железа. Легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превра­щений железа (рис. 3.18). Элементы первой группы (никель и марга­нец), неограниченно растворяясь
...
железе по типу замещения, по­нижают точку Л3 и повышают точку Л4, поэтому на диаграмме состоя­ния железо — легирующий элемент наблюдается расширение области
...
-фазы и сужение области а-фазы (рис. 3.18, а). Стали, содержащие легирующего элемента больше, чем сплав а, не испытывают фазовых превращений ос у, т. е. при всех температурах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в у-железе. Эти стали назы­вают аустенитными. Сплавы, имеющие состав между а и б, частично претерпевают превращение ос ^> у и являются полуаустенитными. Такие элементы первой группы, как углерод, азот, медь, при малых содержаниях расширяют область у-фазы, а при увеличении их кон­центрации в результате ограниченной растворимости — сужают об­
...
Элементы второй группы (Сг, \У, Мо, V, А1, 81 и др.) повышают точку Л3 и понижают точку Л4. При определенной концентрации этих элементов область у-фазы замыкается (рис. 3.18, б). Стали, содержа­щие легирующего элемента больше, чем сплав а, при всех температу­рах представляют собой твердый раствор легирующего элемента в ос-железе. Эти стали называют ферритными. Сплавы, состав которых лежит левее точки а, испытывают а ^ у превращение, причем стали, испытывающие частичное превращение а ^ у, относятся к полу-ферритным.
...
Стали — сложные многокомпонентные сплавы, в их состав часто входит несколько легирующих элементов. Влияние последних на критические точки железа будет комплексным, оно не всегда сумми­руется и в некоторых случаях может быть противоположно наблю­даемому в двойном сплаве. Структурообразование в сложнолеги-рованных сталях описывают с помощью тройных и четверных диа­грамм состояния. Для этого рассматривают поли- и изотермические разрезы диаграмм.
...
Влияние легирующих элементов на свойства фаз в стали. Леги­рующие элементы растворяются в твердом растворе (феррите или аустените) и цементите (легированный цементит), а также вступают в реакции с другими компонентами стали, образуя специальные карбиды, неметаллические включения (оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды), интерметаллидные соединения, что приводит к изменению свойств фаз стали (рис. 3.19). Растворяясь в феррите, легирующие элементы влияют на параметр решетки в тем большей степени, чем значительнее разница атомных радиусов железа и легирующего элемента. Искажение кристаллической решетки способствует упроч­нению феррита (рис. 3.19, а),
...
Рис. 3.19. Влииние легирующих элемен­тов на свойства феррита
...
(рис. 3.19, в). При добавлении хрома (свыше 2 %), а также ванадия и кремния температура хладноломкости повышается. Легирующие элементы, растворяясь в аустените, способствуют увеличению его прочности при сохранении пластичности, поэтому он легко деформи­руется и упрочняется при 20 °С и высоких температурах.
...
№, Си, А1 подавляют выделение цементита и карбидов и способст­вуют образованию в стали графита. Эти элементы находятся в твердом растворе. Карбидообразующие элементы по степени сродства к угле­роду располагаются в следующем порядке: Ре -> Мп -> Сг -*■ Мо -> -> Ш -*■ гЧЬ -н>- V Ъх "П.
...
При малом содержании карбидообразующих элементов они раство­ряются в цементите, замещая атомы железа. Легированный цементит имеет формулу (Ре, Ме)3 С, в которой через Ме обозначен легирующий элемент (металл). Вольфрам замещает до 1
...
Карбиды в легированных сталях делят на две группы. К первой группе относятся карбиды типов Ме3С, Ме7С3, Ме23С6, Ме6С, Ме4С, имеющие сложные кристаллические решетки и легко растворяющиеся в аустените при нагреве. Ко второй группе принадлежат карбиды типа МеС с кубической и Ме2С с гексагональной решеткой, которые практически не растворяются в аустените при нагреве. Эти карбиды называют фазами внедрения. Они обладают высокой твердостью, поэтому существенно повышают твердость и прочность стали.
...
Влияние легирующих элементов на превращения при нагреве и охлаждении стали. Легирующие элементы по-разному влияют на превращения в стали. Растворяясь в аустените, они изменяют устой­чивость к переохлаждению и влияют на кинетику превращения последнего. Большинство элементов, растворяющихся в феррите и цементите, замедляют распад аустенита. Диаграммы изотермиче­ского превращения аустенита сталей, легированных некарбидообра-зующими элементами, подобны приведенной на рис. 3.14,
...
Карбидообразующие элементы вносят изменения в кинетику рас­пада аустенита. При температурах перлитного превращения 700— 500 °С и ниже 500—400 °С они замедляют его, при температурах Оейнитного превращения 400—300 °С — ускоряют. На диаграммах изотермического распада аустенита наблюдается два максимума скорости превращения, т. е. два минимума устойчивости аустенита (рис. 3.20), соответствующие перлитному (диффузионному) и бей-нитному (промежуточному) превращениям. Между этими областями находится зона относительной устойчивости аустенита.
...
Все легирующие элементы (кроме кобальта) увеличивают устой­чивость переохлажденного аустенита в областях температур перлит­ного и бейнитного распада, поэтому линии начала и окончания пре-
...
вращений на диаграммах изотермиче­ского превращения аустенита легиро ванных сталей смещаются в сторону большего значения времени выдержки. Повышение устойчивости аустенита в области температур перлитного распада объясняется более сложным характером процессов диффузии углерода и леги­рующих элементов при образовании ле­гированных феррита и цементита или специального карбида, поскольку в этом случае легирующие элементы (некарби-до- и карбидообразующие) должны пере­
...
фузию углерода. Перлитное превраще­ние замедляется в результате того, что легирующие элементы снижа­ют скорость у ->- а перехода.
...
Повышение устойчивости аустенита в области температур бейнит-ного превращения объясняется тем, что к диффузии способен прак­тически только углерод. Диффузия же других легирующих элементов крайне затруднена. В результате бейнитного превращения образуются ос-фаза и карбид цементитного типа, содержащие то же количество легирующих элементов, что и аустенит. Часть аустенита, обогащен­ного углеродом, при бейнитном превращении не распадается и в процессе дальнейшего охлаждения может перейти в мартенсит.
...
Легирующие элементы влияют на кинетику, изменяют температуры начала и окончания мартенситного превращения, а также количество остаточного аустенита (рис. 3.21). Большинство элементов снижают температуру Мп
...
Структура продуктов распада аустенита при перлитном, бейнит­ном и мартенситном превращениях во многом определяется размерами
...
Рнс. 3.21. Влияние легирующих элементов на температуру начала мартен­ситного превращения (о) и количество остаточного аустенита в стали с 1 % С (б, В. Д. Садовский)
...
Рис. 3.20. Диаграмма изотерми­ческого превращения аустенита в стали, легированной карби-дообразующим элементом
...
зерен аустенита. Все легирующие элементы (особенно карбидообра-зующие), кроме марганца и бора, уменьшают склонность аустенит-ных зерен к росту, что способствует повышению прочности стали. Карбиды первой группы сдерживают рост зерен аустенита в интер­вале температур их устойчивости; при повышении температуры и рас­творении карбидов аустенитные зерна способны расти. Карбиды вто­рой группы, не растворяющиеся в аустените, препятствуют росту зерен из-за действия барьерного эффекта.
...
Легирующие элементы замедляют распад мартенсита при отпуске стали. В легированных сталях он начинается с выделения е-карбида, который вначале когерентно связан с мартенситом и имеет с ним одинаковый состав. Затем выделения увеличиваются, когерентность нарушается и е-карбид превращается в специальный карбид или ле­гированный цементит. Так как легирующие элементы имеют малую диффузионную подвижность, они замедляют процесс выделения кар­бидов, карбидное превращение, коагуляцию карбидов и повышают температуры начала этих процессов. После отпуска при одинаковой температуре легированная сталь содержит более дисперсные кар­биды и имеет повышенную прочность по сравнению с углеродистой сталью.
...
В зависимости от содержания легирующих элементов стали подраз­деляются на низко-, средне-, высоколегированные стали и сплавы. В низколегированных сталях содержание одного элемента не превы­шает 2 %, суммарное количество нескольких элементов должно быть не выше 3,5 %. К среднелегированным относят стали, в которых со­держание одного элемента не превышает 8 %, а нескольких — 12 %. Высоколегированными считают стали, в которых в результате легиро­вания одним элементом его содержание достигает не менее 8 %, не­сколькими элементами — не менее 10 % при содержании железа более 45 %. К сплавам относят высоколегированные стали, в которых содержание железа не превышает 45 %. Низко- и высоколегированные стали делят на безникелевые (при содержании никеля менее 1 %) и ни-кельсодержащие. Легированные стали классифицируют по основному легирующему элементу: никелевые, хромистые, хромоникелевые и т.д. Для обозначения марок легированных сталей каждый элемент обозна­чается буквой: X — хром, Н — никель, М — молибден, К — ко­бальт, Д — медь, Г — марганец, Р — бор, Ц — цирконий, Б — ниобий, П — фосфор, С — кремний, В — вольфрам, Т — титан, Ф — ванадий, Ю — алюминий, А — азот, У — редкоземельные металлы. Вначале марки стоят цифры, показывающие содержание углерода в сотых долях процента, а у инструментальных сталей — в десятых долях процента. При концентрации углерода около 1 % цифра от­сутствует. Цифры, идущие после каждой буквы, указывают пример­ное содержание легирующего элемента в процентах. Цифры после буквы отсутствуют в том случае, если количество таких элементов как Сг, Мп, \М, N1, Со, А1 составляет около 1 %, V, Си, Мо— десятые
...
Высококачественные стали, в которых содержание вредных приме­сей ограничено (серы не более 0,03, фосфора не более 0,03), как и углеродистые, обозначаются буквой А.
...
Некоторые виды сталей обозначают особо. Стали, выплавляемые на заводе «Электросталь»,— буквами ЭИ (исследовательские) и ЭП (пробные) с указанием порядкового номера, например, ЭИ436. Букву Ш используют для обозначения шарикоподшипниковых сталей, например ШХ15, содержащей 1,5 % хрома, и для сталей электрошла­кового переплава — ЭШ. Быстрорежущие стали маркируются буквой Р — Р9, Р9Ф5.
...
По структуре легированные стали классифицируют в зависимости от основной структурной составляющей, полученной после норма­лизации. Выделяют следующие структурные группы легированных сталей: ферритные, аустенитные, перлитные, мартенситные, карбид­ные, ледебуритные.
...
Стали ферритного класса содержат небольшое количество угле­рода и легирующие элементы, ограничивающие область существова­ния аустенита (Cr, Mo, W, Si, V). Аустенитные стали включают боль­шое количество элемента, расширяющего у-область. В полуферритпых и полуаустенитных сталях превращение а^у
...
Среди легированных сталей с точки зрения назначения выделяют не только конструкционные и инструментальные, но и стали со спе­циальными физическими свойствами: электротехнические, корро-зионностойкие, жаростойкие, жаропрочные, нержавеющие, износо­устойчивые.
...
К цементуемым конструкционным легированным сталям принадле­жат стали с низким содержанием углерода (до 0,3 %). Такие стали после цементации и закалки имеют твердую (около 60HRC), износо­стойкую поверхность и вязкую сердцевину. Цементации подвергают стали 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, 18ХНМФ, 18Х2НЧВ.
...
К улучшаемым относятся хромистые стали ЗОХ, 38Х, 40Х, 50Х, содержащие 0,8—1,1 % Сг и 0,3—0,5 % С; хромомарганцевые стали 40ХГ, 40ХГР, обладающие достаточно высокими прочностью и
...
прокаливаемостью, но имеющие повышенную температуру хладнолом­кости; хромокремнемарганцевые стали 20ХГСА, 25ХГС, ЗОХГС, для которых характерны высокая прочность и хорошая свариваемость; хромоникелевые стали 20ХН, 20Х2НЧ с высокими прокаливаемостью, прочностью и вязкостью.
...
Рессорно-пружинные стали 65Г, 50С2, 60ГС, 55С2А; 70СЗА, 60С2ХФА, 50ХФА, 60С2ВА, 60С2Н2А, содержащие 0,5—0,7 % С, имеют высокие пределы упругости и выносливости, повышенную ре­лаксационную стойкость, достаточно высокие пластичность и сопро­тивление хрупкому разрушению. Их подвергают закалке и среднему отпуску.
...
Детали шарикоподшипников (кольца, ролики, шарики) должны иметь высокую твердость, быть износостойкими и обладать хорошей сопротивляемостью контактной усталости. Для их изготовления ис­пользуются подшипниковые хромистые и хромомарганцевокремнистые заэвтектоидные стали ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15СГ, содержащие I % С и подвергаемые закалке с низким отпуском. Пошипники, ра­ботающие в агрессивных средах, производят из сталей 20X18, 30X18.
...
Высокой конструкционной прочностью обладают мартенситно-стареющие стали, упрочнение которых достигается закалкой на мар­тенсит и последующим его старением. Эти стали содержат сотые доли процента углерода и легированы никелем, кобальтом, а также тита­ном, алюминием, молибденом, вольфрамом, ниобием, хромом. Наи­более широко известна сталь Н18К9М5Т.
...
К строительным сталям относятся низколегированные стали 17ГС, 16Г2АФ, 17ГСБ, 08Г2СФБ. Их подвергают улучшению для достиже­ния высоких прочности и пластичности, снижения порога хладно­ломкости. Из строительных сталей изготавливают сварные строитель­ные конструкции. Арматурная сталь также должна обладать высокой прочностью, особенно используемая для изготовления железобетонных конструкций, работающих под напряжением. Этим требованиям отве­чают стали 18Г2С, 35ГС, 25ГС2, 20ХГ2Ц, 23Х2Г2Т, 45С, 45ГС.
...
В некоторых случаях конструкционные стали должны обладать особыми свойствами. Сталь, устойчивую против газовой коррозии при высоких температурах (~ 550 °С) и электрохимической коррозии, называют соответственно окалиностойкой и коррозионностойкой или нержавеющей. Повышение коррозионной стойкости стали происходит при введении в нее элементов, образующих на поверхности пленки, защищающие сталь от агрессивной среды, а также повышающие элект­рохимический потенциал стали. Это достигается в результате добавле­ния в сталь хрома, алюминия или кремния. Хромистые нержавеющие стали 12X13, 20X13, 30X13, 40X13 имеют ферритную, полуферрит-ную, мартенситоферритную или мартенситную структуру; хромони­келевые нержавеющие стали 12Х18Н9, 17Х18Н9, 08Х18Н10Т, 12Х18Н12Т — аустенитную структуру, иногда немного феррита и карбидов. Никелевые и хромоникелевые стали обладают высокой кис-л отосто й костью.
...
Жаропрочными являются стали, обладающие сопротивляемостью ползучести и разрушению при высоких температурах и длительном воздействии нагрузки. Жаропрочность стали достигается легирова-
...
нием твердого раствора, которое способствует замедлению диффу­зионных процессов и повышению температуры начала рекристаллиза­ции; созданием особой структуры с дисперсными карбидами или ин­терметалл идами путем термической обработки. Рабочие температуры жаропрочных сталей находятся в интервале 500—750 °С. Эти стали могут иметь перлитную, аустенитную или мартенситную структуру. Аустенитные жаропрочные стали могут иметь однофазную структуру и содержать карбиды и интерметаллиды. В последнем случае их на­зывают сталями с карбидным и интерметаллидным упрочнением. Та­кие стали подвергают закалке и старению для выделения из твердого раствора упрочняющих фаз. К ним относятся 40Х14Н14В2М, 40Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7Г7Ф2МС, 45Х14Н14В2М, ХН35ВТЮ, 10Х11Н20ТЗР.
...
К жаростойким (окалиностойким) относятся стали, обладающие стойкостью против химического разрушения в газовых средах при высоких температурах. Сопротивляемость стали достигается леги­рованием хромом, алюминием, кремнием, обладающими большим сродством к кислороду, чем железо, и образующими на поверхности оксиды Cr203, А1203, Si02, защищающие сталь от дальнейшего окис­ления. Жаростойкими являются стали 12X17, 15Х25Т, 12Х18Н9, 10Х23Н18, ХН32Т, ХН45Ю, 30Х24Н12С.
...
Инструментальные легированные стали в зависимости от их тепло­стойкости используются для изготовления режущего, измеритель­ного, деформирующего инструмента. Особую группу составляют быстрорежущие стали, обладающие высокой теплостойкостью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру, высокие твердость, проч­ность и износостойкость при нагреве до 620 °С, поэтому и инструменты из быстрорежущих сталей обладают значительной стойкостью, что позволяет в несколько раз увеличивать скорость резания. Быстроре­жущие стали легируют вольфрамом, хромом, молибденом, кобальтом, ванадием и другими карбидообразующими элементами. Они относятся к карбидному (ледебуритному) классу. Легирующие элементы об­разуют с углеродом специальные карбиды (МеС, Ме3С, М6С, М23С6), количество которых в структуре может доходить до 30 %. Специаль­ные карбиды имеют очень высокую твердость, в результате чего по­лучаются стали, обладающие значительными твердостью (65HRC) и износостойкостью. Наиболее распространены быстрорежущие стали Р9, Р6М5, Р12, Р6МЗ, Р9Ф5, Р9К5.
...
Штамповые стали применяют для изготовления штампов горячего и холодного деформирования. Стали для штампов холодного деформи­рования имеют высокие твердость, прочность, износостойкость, тепло­стойкость. Это стали Х12Ф1, Х12М, 4ХВ2С, 6ХВ2С, 4ХС, 6ХС. Стали для штампов горячего деформирования должны иметь высокие тепло­стойкость, разгаростойкость, прокаливаемость, быть жаростойкими и жаропрочными. К ним относятся стали 5ХНМ, 5ХГМ, 4Х5В2ФС, 32ХВ8Ф.
...
Легированные стали используют для производства прокатных валков. Валки для горячей деформации изготавливают литыми из сталей 50Г, 40Х, 50Х, 50ХН, 60ХН, 60ХГ, коваными из сталей 5ХГМ, 4ХМФС, 9Х2В, 12ХНЗА, 20ХНЗА. Валки для станов холодной
...
Для изготовления ковочных молотов применяют стали 7X3, 8X3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5ХГМ, 4ХМФС, 4Х5В2ФС, а для производства волок — стали Х12, Х12ВМ, Х12М, Х12Ф1, Х6Ф4М.
...
В большинстве случаев обработка давлением стали начинается с горячей деформации слитков, имеющих различные форму и массу. В зависимости от формы и размеров сечения конечного профиля слиток может прокатываться либо в готовый профиль, например рельсы, толстые листы, балки и швеллеры больших размеров, либо в заготовки квадратного или круглого сечения, предназначенные для дальнейшей прокатки на мелкие профили (проволоку — «катанку», полосы, уголки малых размеров).
...
Слитки нагревают в нагревательных колодцах различных типов, методических или камерных печах, электропечах. При выборе ре­жима нагрева следует предусмотреть температуру, обеспечивающую хорошую пластичность стали в процессе деформации, оптимальную скорость нагрева, равномерность нагрева по сечению и высоте слитка. На выбор режима нагрева влияют химический и фазовый составы стали, размеры слитка, тип нагревательного устройства, теплопро­водность стали. Как правило, слитки на металлургических заводах из сталеплавильных цехов подаются в прокатные цехи при достаточ­но высокой температуре, где производится посадка их в колодцы для выравнивания температуры по всему объему и нагрева до нужной температуры («горячий посад»). Иногда работают на «холодном по­саде», т. е. слитки загружают в колодцы холодными, со склада.
...
Слитки в зависимости от состава стали нагревают до различной температуры, но обязательно выше температур ЛСз и Аст
...
Скорости нагрева углеродистых сталей не ограничены. Время нагрева горячих слитков составляет 3,5—6 ч в зависимости от их температуры перед посадкой, время выдержки достигает 1,5—2 ч. Холодные слитки в зависимости от их размера нагревают 8—18 ч и выдерживают 3—4 ч.
...
Слябы перед деформацией греют в методических нагревательных проходных печах, рабочее пространство которых имеет несколько зон. Многоступенчатое повышение температуры способствует дости­жению непрерывности и равномерности нагрева. Температуры нагре­ва сталей перед горячей деформацией составляют: низкоуглеродистых (Ст08кп, Ст2кп, СтЗкп, 08, 10, 20, 30) 1280—1300 °С; среднеуглеро-дистых (30, 45, 50, 60) 1100—1200 °С, высокоуглеродистых (У8—У12) 1200—1320 °С, легированных в зависимости от количества легирую­щих элементов 1000—1300 °С.
...
При нагреве стали происходят фазовые превращения, конечным результатом которых является получение аустенитной структуры,—■ а
...
структуру феррита и третичного цементита в интервале температур t, — t2, происходит растворение третичного цементита в феррите. При температурах t2 — U сохраняется ферритная структура. Повы­шение температуры до точки 4 приводит к пересыщению феррита углеродом. Поскольку в феррите всегда существуют концентрацион­ные флуктуации углерода, в этих участках в первую очередь обра­зуется аустенит. Полиморфное превращение продолжается до темпе­ратуры tf>. Аустенитная структура сохраняется при нагреве до тем­пературы деформации.
...
В доэвтектоидной стали (сплав //), имеющей исходную ферритно-перлитную структуру при температуре 20 °С, в интервале темпера­тур t6 — t7 растворяется немного цементита. При нагреве выше тем­пературы эвтектоидного равновесия (температура 4)
...
В заэвтектоидной стали (слав IV) с и х< дной сруктуро/ пер­лита и вт. ричного цементита в интервале температур t,0 — /// раство­ряется небольшое количество цементита. Повышение температуры выше эвтектоидной (температура tt2) при одит аустенитизации пер­лита, после завершения которое сталь и., е т ст уктуру аустени а и вторичного цементита. В процессе дальнейшего повышения темпе­ратуры растворимость углерода в аустените увеличивается, что вызы­вает постепенное уменьшение количества вторичного цементита. При температуре tis аустенитизация заэвтектоидной стали полностью завершается.
...
Эвтектоидная сталь (с лав ///) имеет исх дную перл- тную струк­туру. В интервале температур (м — в феррите растворяется не­которое количество цементита. Небольшой перегрев, например до тем­пературы t,6, приводит к пересыщению феррита углеродом и зарожде­нию аустенита, который образуется, как правило, на границах раздела феррит — цементит и постепенно разрастается вдоль них. При этом аустенит неоднороден по содержанию углерода: вблизи цементита в нем находится больше углерода (точка 17), чем в участках, приле­гающих к ферриту (точка 18). В ре­зультате в аустените происходит диф­фузия атомов углерода от границ с
...




Конструкционные материалы: Справочник
Основы металлографии и пластической деформации стали
Оборудование для контактной сварки постоянным током
Справочник конструктора металлических конструкций
Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности