Влияние хрома на свойства стали

Влияние легирующих элементов на свойства стали

прочности приобретает после отпуска при 550°; между тем сопротивление удару в первом случае 10, а во втором — 7 кгм/см 2 .

Таким образом, следует считать, что кремний в количестве примерно до 1,5% оказывает скорее положительное влияние на свойства улучшенной стали; кремнистые стали, содержащие до 1,5% Si, при обработке на одинаковую твердость с нелегированными обладают несколько более высоким запасом вязкости, а при равной температуре отпуска превосходят нелегированную сталь по показателям прочности, уступая ей, однако, в отношении вязкости. Вместе с тем введение в улучшаемую сталь значительного количества кремния (более 2% Si) сопровождается ухудшением ее вязкости и температурного запаса вязкости.

Марганец. На рис. 191 показано влияние марганца на предел прочности и относительное удлинение улучшенной стали с различным содержанием в ней углерода. Из рисунка видно, что с увеличением содержания в стали марганца предел прочности несколько возрастает, а относительное удлинение, наоборот, снижается. Характерно, что чем ниже содержание в стали углерода, тем заметнее действие марганца.

Влияние марганца на общий комплекс механических свойств улучшенной стали с одинаковым содержанием углерода показано по данным автора в табл. 68. Увеличение содержания марганца с 0,45 до 1,35% сравнительно слабо отражается на механических свойствах стали, содержащей 0,25—0,28% С; при более высоком содержании марганца (до 2,79%) наблюдается существенное повышение показателей прочности при одновременном значительном снижении пластичности и ударной вязкости.

Более заметно влияние марганца в случае испытания на удар при отрицательных температурах. На рис. 192 по данным автора показано влияние марганца на ударную вязкость образцов, обработанных на твердость 228—217 Н_в при различных температурах испытания. Как видно из приведенных данных, увеличение содержания марганца с 0,45 до 1,35% вызывает некоторое повышение температурного запаса вязкости, но и в этом случае сталь с 2,79% Мп обнаружила высокую склонность к хрупкому разрушению.

Отрицательный эффект влияния повышенных количеств марганца на вязкость термически улучшенной стали с 0,35—0,40 % С был установлен также В. Д. Садовским и Н. П. Чупраковой, которые сделали вывод, что «только при содержании марганца, не превышающем 1,5%, можно рассчитывать на хорошую ударную вязкость».

Существуют, однако, указания о том, что при низком содержании в стали углерода присутствие значительных количеств марганца (до 3—5%) не вызывает ухудшения вязкости термически улучшенной стали.

На рис. 193 показано влияние марганца на механические свойства стали с различным содержанием углерода после закалки с 900° и высокого отпуска при одинаковой температуре. В случае содержания углерода в пределах 0,09—0,14%, даже при 4% Мп, ударная вязкость неизменно сохраняется на весьма высоком уровне, в то время как предел прочности и предел текучести возрастают.

В стали с 0,25—0,37% С увеличение содержания марганца выше 3% сопровождается снижением вязкости. И. Е. Конторович считает, что: «стали с низким содержанием углерода (0,12—0,15%) и 3—5% марганца имеют высокие механические -свойства. Резкое снижение вязкости обнаруживается только у сталей с более высоким содержанием углерода при таком же содержании марганца».

Аналогичного мнения придерживаются и некоторые другие авторы.

Таким образом, в термически улучшаемых сталях отрицательное влияние больших количеств марганца обнаруживается только в присутствии значительного количества углерода, при

чем чем ниже содержание углерода, тем выше может быть допущено содержание в стали марганца. По крайней мере, при содержании до 1,8—2,0% Мп еще нельзя констатировать вредного его действия на среднеуглеродистую конструкционную сталь

(0,2—0,4% С). Это подтверждается также широким опытом использования марганцовистых сталей в промышленности.

Хром. Влияние хрома на механические свойства стали после закалки и высокого отпуска показано в табл. 69. Из данных таблицы видно, что в стали, отпущенной при 600°, увеличение содержания хрома сопровождается повышением прочности и некоторой потерей вязкости при сохранении пластичности примерно на одном уровне. Влияние хрома несколько ослабевает в случае отпуска стали при 650°. Это объясняется тем, что хром замедляет выделение и коагуляцию карбидов при отпуске, несколько повышает температуру рекристаллизации а-фазы и потому заметно задерживает разупрочнение стали при 600°. Однако эффект его действия резко ослабляется при 650°, поскольку температурный район отпуска в этом случае оказывается сильно смещенным от тех зон, в которых развивается карбидообразование (500—550°), а также рекристаллизация (550—600°) ос-фазы в хромистых сталях при отпуске.

Ввиду того, что с повышением содержания хрома при одинаковой температуре отпуска показатели прочности возрастают, истинное влияние хрома на ударную вязкость оказывается «замаскированным». Более надежные представления о действии хрома на ударную вязкость могут быть получены путем сравнения свойств при условии одинаковой прочности или твердости стали.

На рис. 194 показано влияние хрома на ударную вязкость стали с различным содержанием углерода, обработанной на предел прочности, равный 100 кг/мм 2 . Из рисунка видно, что при

Автор: Администрация Общая оценка статьи: Опубликовано: 2011.02.21 Обновлено: 2020.03.04

Влияние основных легирующих элементов на свойства стали.

Влияние отдельных компонентов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15. 20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты — легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2% возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик — таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8%. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25%.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06%. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045%. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% происходит старение стали, а более 0,1% — красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250oС.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

• влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;
• образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;
• образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом — Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

• элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);
• элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.
Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.
Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1%, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.
Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.
Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20°С/с и ниже, что имеет большое практическое значение.
Карбидообразующие элементы: Fe — Mn — Cr — Mo — W — Nb — V — Zr — Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.
Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

В следующей таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов на свойства стали.

Промышленное применение хрома для легирования сталей, чугунов и сплавов

Легирование хромом сталей

Более 60% всего мирового потребления промышленного хрома используется для нужд черной металлургии, где он, благодаря относительной дешевизне и простоте получения, применяется в качестве одного из основных элементов для легирования сталей и чугунов. При этом легированные хромом стали, сохраняя базовые эксплуатационные характеристики, дополнительно обретают присущие Cr полезные свойства в виде высоких показателей:

• твердости;
• коррозиестойкости;
• жаропрочности.

Легированными называются стали, содержащие, помимо С и других обычных примесей, добавки определенного количества легирующих металлов (Cr, Ni, Mo и др.), а также Mn и Si в дозировках 0,83…1,22 %.

Сообразно объемному содержанию легирующей композиции такие стали подразделяют на три большие группы:

• низколегированные (суммарное количество легирующего компонента ≤ 2,51 %);
• легированные (2,51…10,2 %);
• высоколегированные (> 10 %).

В свою очередь, по признаку целевой эксплуатации, легированные стали могут быть:

• конструкционными;
• инструментальными;
• принадлежать к категории сталей специального назначения.

Конструкционные легированные стали

маркируют при помощи цифр и буквенных аббревиатур (напр. 15Х, 10Г2СД, 20Х2Н4А и т.д.). Двузначное цифровое сочетание в начале марки отображает среднее содержание С в сотых долях %. Большой буквой русского алфавита обозначается название легирующего элемента, в частности: Б – (Nb), Н – (Ni), Ф – (V), В – (W), М – (Mo), Х – (Cr), Г – (Mn), П – (P), Ц – (Zr), Д – (Cu), Р –(B), Ч – редкозем, Е – (Se), С – (Si), Ю – (Al), К – (Co), Т – (Ti), А – (N) только в середине обозначения.

Цифровые значения после буквенной аббревиатуры указывает на процентное содержание легирующего элемента. Если же цифры отсутствуют, то это значит, что концентрация легирующего элемента – ≤ 1,5 %.

Основной объем легированных конструкционных сталей выплавляют в категории качественных (напр. 30ХГС).

Если в конце названия марки расположена буква «А», это значит, что данная сталь причисляется к категории высококачественных легированных сталей (напр. 30ХГСА).

Наличие буквы «А» в середине марки (напр. 16Г2АФ), говорит о том, что данная сталь была также подвергнута легированию азотом.

Буква «Ш» после черточки в конце названия марки свидетельствует о ее принадлежности к категории особовысококачественных легированных сталей (напр. 30ХГС-Ш, 30ХГСА-Ш).

Если конструкционная легированная сталь является литейной, в конце обозначения марки добавляется буква «Л» (напр. 15ГЛ, 40ХНЛ и т.д.).

Конструкционные легированные хромистые стали (0,6…1,6 % Cr), характеризуются повышенными пределами прочности, твердости и пластичности в сочетании с высокой хладостойкостью. Наличие хрома способствует также снижению относительного удлинения. Так, предел прочности обычной стали 40 составляет 580 МПа, текучести – 340 МПа, показатель относительного удлинения – 19 %. В хромистой же стали марки 40Х значения аналогичных показателей изменяются, соответственно, до 1000 МПа, 800 МПа и 13 %. Такие стали незаменимы в производстве валов, зубчатых колес, толкателей, червячных передач, метизов и другой промышленной продукции.

Конструкционные стали легированные хромом

Инструментальные стали, легированные Cr

В марках сталей данного назначения (напр. 9ХФ, 7X3, 3Х2В8Ф и др.) начальная цифра обозначает среднее содержание С в десятых долях %, при условии, что в стали его содержится 10 %).

В зависимости от преобладания содержащихся в составе чугуна элементов легированные чугуны условно подразделяют на классы:

• хромистых;
• никелевых;
• силицидных;
• алюминиевых и т.д.

Чугуны легированные хромом

Каждый из легирующих элементов обогащает чугун собственными специфическими свойствами.

Cr –– основной легирующий элемент – выполняет ферритообразующую и карбидообразующую функцию, обеспечивая, к тому же, высокие показатели износо-, коррозие- и термостойкости хромистых чугунов.

Придание чугунам износостойких характеристик обеспечивается благодаря наличию в их структуре карбидной упрочняющей фазы. Критерием определения степени износостойкости является обеспечиваемый карбидной фазой уровень твердости. Наивысшая износостойкость присуща чугунам, имеющим в своем составе карбиды (Cr, Fe, Mn)7С3, в два раза более твердые, чем карбиды цементитного типа. Минимальное количество содержащегося в чугуне Cr, необходимое для образования карбидов (Cr, Fe, Mn)7С3 при 3% содержании С, может колебаться в довольно широком диапазоне (11…28%).

В экономно легированных чугунах (до 2,5 % Mn и 1,5 % Ni) при 3% С содержание Cr, необходимое для получения 100 % карбидов (Cr, Fe, Mn)7С3, должно составлять >17 %.

Для того, чтобы придать высокую коррозионную стойкость чугуну, эксплуатируемому без дополнительной термообработки, требуется введение в его состав ≥ 22 % Cr при 3% содержания С.

Ni в составе чугуна, являясь аустенитообразующим элементом, способствует повышению характеристик вязкости, пластичности и устойчивости к коррозии.

Mn в составе легирующей композиции выполняет, главным образом, функцию стабилизирующего элемента и катализатора, делая процессы карбидообразования и аустенитизации более интенсивными и ровными.

Согласно ГОСТ 7769-82 наличие тех или иных специальных свойств чугуна и процентный состав химических элементов в легирующей композиции отображает маркировка. Так, например, ИЧХ4Г7Д – марка износостойкого чугуна, легированного 4% Cr, 7% Mn и до 1% Cu; ЖЧХ2,5 – марка жаростойкого чугуна, легированного 2,5% Cu; ЧХ32 – марка хромистого чугуна с содержанием до 32% Cr; ЧН19Х3Ш – марка чугуна никелевого жаропрочного, в составе которого наличествуют 19% Ni, 3% Cr с шаровидным графитом и т.д.

Легированные чугуны со специальными свойствами, в т.ч. хромистые, являются универсальным конструкционным материалом, применяемым во многих отраслях промышленности. Их широко используют при изготовлении работающих в условиях интенсивного коррозионного, абразивного и гидроабразивного износа машин и механизмов для добычи полезных ископаемых и обогащения руд, металлургии, энергетики, производства стройматериалов и строительной спецтехники, другого оборудования сходного назначения.

Нержавеющие стали: как состав влияет на свойства

Легированные стали занимают значительную долю рынка металлургической продукции. К ним относятся так называемые «нержавейки» — группа сплавов, отличающихся повышенной устойчивостью к коррозии. Со времени появления номенклатура таких сталей расширилась до нескольких сотен наименований. Поэтому были разработаны система их классификации и маркировка.

Стоит заметить, что название «нержавеющая сталь» не совсем корректно отражает ее свойства. Любой железоуглеродистый сплав подвержен воздействию кислорода и агрессивных веществ, но для того, чтобы это отразилось на эксплуатационных свойствах, нужно разное время. Поэтому нержавеющие стали правильнее называть коррозиестойкими.

Классификация нержавеющих сталей

По составу

В качестве легирующих добавок, повышающих устойчивость железоуглеродистого сплава к образованию ржавчины, используются хром, никель, ванадий, молибден, титан и некоторые другие. Коррозионную стойкость также повышают вводимые для раскисления и нейтрализации серы марганец и кремний. По основным легирующим элементам нержавеющие стали классифицируются как хромистые, марганцовистые и т. д. Некоторые добавки используются для придания сталям особых структурных или технологических свойств, например, для дробления карбидов, повышения ударной вязкости.

Базовыми легирующими элементами нержавеек считаются хром и никель. Они оба входят в твердый раствор с железом, повышают сопротивляемость коррозии. При окислении они образуют на поверхности стального изделия тонкую непроницаемую для кислорода пленку, устойчивую к химическим, электрохимическим и атмосферным воздействиям. Никель расширяет область аустенита в железоуглеродистых сплавах. Хром сужает ее, но является карбидообразующим элементом и связывает углерод. Соотношение никеля и хрома оказывает определяющее влияние на ударную вязкость, свариваемость и способность воспринимать холодную деформацию.

Углерод, как один из обязательных компонентов сталей, отрицательно влияет на сопротивляемость к коррозии. Однако от его содержания зависит твердость и износостойкость стали. Например, 95Х18 имеет менее выраженные коррозионностойкие свойства в сравнении с 40Х13, несмотря на более высокое содержание хрома.

По свойствам

Более наглядное представление о сплавах дает разделение на группы по свойствам:

• Коррозионностойкие. Стали отличаются высокой сопротивляемостью к атмосферной коррозии, эксплуатируются при нормальных условиях в нагруженном состоянии. Примерами могут служить нержавейки, используемые для изготовления посуды и оборудования для пищевой промышленности: 08Х18Н10, 20Х13, 30Х13.
• Жаростойкие. Отличительная черта таких сплавов – высокая сопротивляемость к образованию окалины при высоких температурах. Жаростойкие нержавеющие стали применяются для изготовления теплообменников котельных и пиролизных установок (15Х28), клапанов автомобильных и авиационных двигателей (40Х10С2М), деталей для нагревательных металлургических печей (10Х23Н18).
• Жаропрочные. Разработан ряд сплавов, способных работать под нагрузкой при высоких температурах без существенных деформаций и разрушения. В них используются сложные системы легирования (05Х27Ю5, 15Х12ВН14Ф, 37Х12Н8Г8МФБ). Умеренной жаропрочностью также обладают стали типа 20Х13.

По структуре

По микроструктуре нержавеющие стали делятся на следующие классы:

Кроме них существуют промежуточные группы:

• аустенито-ферритные;
• мартенсито-ферритные;
• мартенсито-карбидные.

Большое влияние на устойчивость к коррозии оказывает термообработка, поскольку влияет на фазовый состав большинства нержавеющих сталей. Устойчивость снижается при возникновении карбидной неоднородности. Этим явлением обусловлена так называемая межкристаллическая коррозия. При нагреве сталей до температур в интервале 500 – 800 °C на границах зерен образуются цепочки карбидов и участки со сниженным содержанием хрома. В теле зерна содержание легирующих элементов остается высоким. Такой вид коррозии часто наблюдается в зонах сварных швов. Для борьбы с этим явлением состав стали стабилизируют введением небольшого количества титана.

Физико-химические свойства нержавеющих сталей

Аустенитные стали

При кристаллизации аустенитные стали образуют однофазную систему с кристаллической решеткой гранецентрированного типа. Один из наиболее ярких представителей класса – сплав 08Х18Н10. Благодаря высокому содержанию никеля в нержавейках этого класса (до 30%) аустенитная фаза сохраняет устойчивость вплоть до – 200 °C, содержание углерода не превышает 0,12%. Стали с такой структурой характеризуются отсутствием магнитных свойств. Большинство из них имеет хорошую механическую обрабатываемость.

Аустенитные стали обязательно подвергаются термообработке – закалке, отпуску или отжигу. Скорость охлаждения практически не изменяет твердости, однако оказывает влияние на устойчивость к жидким и газообразным агрессивным средам, стабилизирует размер зерна устойчивость к деформации.

В системы легирования аустенитных хромоникелевых сталей вводят дополнительные элементы:

• молибдена – для предотвращения питтинга и эксплуатации в восстановительных атмосферах
• титана и ниобия – для защиты от межкристаллической коррозии.
• кремния – для повышения кислотостойкости;
• марганца – для улучшения литейных качеств.

Ферритные стали

В этот класс входят хромистые стали с низким содержанием углерода. Они имеют объемно-центрированную кубическую решетку, определяющую магнитные свойства. Ферритные стали обладают меньшей коррозионную устойчивость в сравнении с аустенитными, не могут быть упрочнены термообработкой, но имеют более высокие технологические свойства. Они легче подвергаются механической обработке и лучше свариваются, а их себестоимость значительно ниже. При температуре 300 – 400 °C стали приобретают высокую пластичность, и из них можно получать объемные штампованные детали сложной формы.

Содержание хрома в таких сталях достигает 27 %. В качестве стабилизирующих добавок используют молибден, титан и алюминий.

Мартенситные стали

Сплавы этого класса содержат не менее 0,15 % углерода и 11 % хрома. Мартенсит имеет микроскопическую игольчатую структуру и при увеличении выглядит так же, как и углеродистая сталь после закалки. Кристаллическая решетка имеет тетрагональную форму и характеризуется высокими внутренними напряжениями. Это определяет высокие прочностные свойства и твердость. Например, для 40Х13 она составляет до 52 – 55 HRC. В качестве дополнительных легирующих элементов вводятся молибден, ниобий, ванадий и вольфрам. Мартенситные стали из-за высокой твердости плохо поддаются резанию и имеют низкую пластичность.

Одно из основных технологических свойств коррозиестойких сталей с такой структурой – способность к самозакаливанию. Мартенситное превращение происходит при охлаждении на воздухе. Для повышения жаропрочности сталь после закалки подвергают отпуску на сорбит или троостит.

Влияние легирующих элементов на жаропрочность аустенитных сталей

В этой статье мы поговорим о влиянии некоторых легирующих элементов на жаропрочность сталей. На складе компании ООО «Новьсталь» к таким сталям относится прокат марки 20х23н18

Влияние титана

В жаропрочных сталях и сплавах с карбидным упрочнением титан, вводимый в небольших количествах (0,1—0,3%), улучшает их длительную прочность . При введении в больших количе­ствах в сложнолегированные жаропрочные стали с углеродом титан понижает твердость и прочностные характеристики и повы­шает пластические свойства при комнатной и высоких темпера­турах. Изменения механических свойств обусловлены тем, что титан связывает углерод в стойкие карбиды, которые в процессах диспер­сионного упрочнения участия не принимают. Поэтому процесс образования карбидов хрома и ванадия в присутствии титана при отношении Ti : С > 5 сильно ослабляется и сталь становится мало склонной к упрочнению за счет дисперсионного твердения . В жаропрочных сплавах с интерметаллидным упрочнением на базе у-твердого раствора титан является легирующим элемен­том, который сильно повышает жаропрочные свойства за счет процессов дисперсионного твердения, связанных с образованием у’-фазы типа Ni3 (TiAl). Переменная по температуре растворимость титана в у-твердых растворах зависит от содержания хрома и других легирующих элементов и определяет кинетику образования у’-фазы при старении предварительно закаленного на твердый раствор сплава.

Влияние хрома

Введение хрома в жаропрочные стали и сплавы повышает их сопротивление окислению при высоких температурах, причем тем больше, чем выше его содержание в сплавах. В отношении повышения жаропрочных свойств хром также оказывает положительное влияние, но он менее эффективен, чем молибден и ванадий. Введение хрома в ферритные стали повышает энергию активации самодиффузии железа и увеличивает температуру рекристаллизации, сопротивление ползучести и длительную прочность. Он также способствует сохранению искажений решетки деформированного аустенита при отпуске. Однако влияние хрома на повышение жаропрочных свойств ферритных сталей зависит от его содержания и легирования другими элементами и не обязательно пропорционально его количеству. У аустенитных сталей хром увеличивает энергию связи атомов кристаллической решетки у-твердого раствора , несколько повышает жаропрочные характеристики и температуру рекристаллизации легированного аустенита. На рис. 1 показано влияние хрома на изменение механиче­ских свойств и длительную прочность сложнолегированной стали с карбидным упрочнением. Максимум жаропрочности в данной системе относится к 9—15% Сг. Хром образует с углеродом ряд карбидов, которые в результате закалки и старения, выделяясь в у-твердом растворе в высокодисперсном состоянии, упрочняют аустенитные стали. Однако вследствие большой склонности карбидов хрома к коагуляции это упрочнение легко снимается с повышением температуры испы­тания. Карбиды хрома обладают сравнительно невысокой термиче­ской стойкостью, а поэтому повышение жаропрочности аустенитных сталей за счет образования только таких карбидов не столь эффективно. В сложнолегированных сплавах на никелевой основе с титаном или алюминием присадка хрома изменяет растворимость ‘у- фазы в твердом растворе и этим сообщает сплавам способность к дисперсионному твердению при более низком содержании титана.

Содержание хрома, % (по массе)

Рис. 1 Влияние хрома на изменение механических свойств стали с 0,6% С; 20% Ni; 6% Мп; 2% V; 1,40%Мо; 1,5% Nb

При чрезмерном увеличении содержания хрома и образовании ферритной составляющей в сложнолегированных жаропрочных аустенитных сталях самого различного состава наблюдается резкое падение жаропрочности.

Влияние молибдена

Введение молибдена в ферритные, аустенитные стали и никелевые сплавы повышает температуру рекристаллизации у-твердых растворов и тормозит их разупрочнение. Энергия активации самодиффузии железа или хрома увеличивается с повышением количества молибдена, добавляемого в сплав. У большинства сплавов легирование молибденом наряду с повышением жаропрочности дает увеличение пластичности при кратковременных и длительных испытаниях. Молибден оказывает значительно большее влияние на жаропрочность дисперсионно твердеющих сплавов с карбидным или и нтер мет а л л ид н ым упрочнен ием. Эффективность влияния молибдена на жаропрочные свойства сложнолегированных сталей и сплавов увеличивается, когда его вводят в сплав одновременно с другими элементами, в том числе элементами, вызывающими процессы дисперсионного твердения. В этом случае молибден тормозит разупрочнение сплава при более высоких температурах, так как затрудняет диффузионный обмен, рекристаллизацию и коагуляцию дисперсных частиц. Поэтому кривая снижения твердости на диаграммах дисперсионного твердения за максимумом у сплавов с молибденом идет более высоко, чем у сплавов без молибдена. Молибден несколько смещает максимум твердости дисперсионного твердения в сторону более высоких температур, мало влияя на абсолютное увеличение твердости, а также на механические свойства при комнатной температуре. В жаропрочных сплавах на никелевой основе и сплавах на железной основе с интерметаллидным упрочнением молибден также оказывает положительное влияние, увеличивая жаропрочность. В ряде сплавов молибден образует фазы типа Лавеса (Fe2Mo), способствуя еще большему повышению жаропрочности за счет процессов дисперсионного упрочнения