- •Институт металлургии и химии
- •Термическая обработка металлов и сплавов. Курс лекций.
- •Введение
- •1. Виды термической обработки стали
- •2. Основы теории термической обработки
- •2.1. Превращения в стали при нагревании
- •2.2. Рост зерна
- •2.3. Превращение переохлажденного аустенита
- •2.4. Мартенситное превращение и его особенности
- •2.5. Превращения при отпуске стали
- •3. Практика термообработки сталей
- •3.1. Отжиг сталей
- •3.2. Закалка сталей
- •3.3. Способы закалки
- •3.4. Поверхностная закалка
- •3.5. Отпуск стали
- •3.6. Отпускная хрупкость
- •3.7. Прокаливаемость сталей
- •4. Химико-термическая обработка стали
- •4.1. Цементация
- •4.2. Азотирование
- •4.3. Цианирование
- •4.4. Диффузионная металлизация
- •5. Термомеханическая обработка
- •5.1. Втмо сталей
- •5.2. Нтмо сталей
- •6. Легированные стали
- •6.1. Влияние легирующих элементов на полиморфное превращение в сталях
- •6.2. Взаимодействие легирующих элементов с железом и углеродом
- •6.3. Влияние легирующих элементов на фазовые превращения при термообработке
- •6 .4. Изменение твердости легированной стали при отпуске
- •6.5. Маркировка легированной стали
- •7. Конструкционные стали
- •7.1. Характеристика конструкционных сталей
- •7.2. Стали для холодной штамповки
- •7.3. Стали для строительных конструкций
- •7.4. Цементуемые стали
- •7.5. Улучшаемые стали
- •7.6. Высокопрочные стали
- •7.7. Рессорно-пружинные стали
- •7.8. Подшипниковые стали
- •7.9. Износостойкая аустенитная высокомарганцевая сталь
- •7.10. Инструментальные стали
- •8. Термическая обработка серого литейного чугуна
- •9. Термическая обработка алюминиевых сплавов
- •10. Старение железа
- •Заключение
- •Список литературы
7.5. Улучшаемые стали
Улучшаемыми конструкционными сталями называют среднеуглеродистые стали, содержащие 0,3 - 0,5 % углерода и легирующие элементы обычно в количестве не более 5 %, которые используют после операции так называемого «улучшения», состоящей из закалки и высокого отпуска. Закалку таких сталей обычно проводят в масле. Температура отпуска составляет 550 - 650 °С.
После термообработки улучшаемые стали имеют структуру сорбита, хорошо воспринимающую ударные нагрузки.
Улучшаемые стали имеют высокую прочность, вязкость, малую чувствительность к концентраторам напряжений и хорошую прокаливаемость.
Улучшаемые стали могут быть условно разбиты на 5 групп.
К I группе относятся углеродистые стали марок 35, 40, 45, имеющие критический диаметр D95 (до 10 мм), при котором достигается сквозная прокаливаемость и в структуре присутствует не менее 95 % мартенсита.
II группа представлена хромистыми сталями марок 30Х, 40Х. Критический диаметр составляет D95 = 1520 мм. Недостатком сталей этой группы являются склонность к отпускной хрупкости второго рода. Для них необходимо быстрое охлаждение после отпуска.
В III группу входят хромистые стали, дополнительно легированные еще одним или двумя элементами: 30ХМ, 40ХГ, 30ХГТ (D95 = 2025 мм).
Для увеличения прокаливаемости в хромистые стали дополнительно вводят марганец (40ХГ) и бор (40ХР); молибден (30ХМ) вводят для снижения отпускной хрупкости второго рода.
Высокими свойствами обладают принадлежащие к этой группе стали, называемые хромансилями 20ХГС, 30ХГС. Эти стали хорошо свариваются при высокой прочности в= 1200 МПа и KCU = 0,4 МДж/м2. Их недостатком является склонность к отпускной хрупкости второго рода.
К IV группе относятся хромоникелевые стали, содержащие до 1,5 % Ni: 40XH, 40ХНМ. Их критический диаметр D95 = = 40 мм. Эти стали при пониженной температуре эксплуатации обладают большим запасом вязкости, чем стали предыдущих групп.
V группу составляют комплекснолегированные стали, содержащие 3 - 4 % Ni: 38XH3M, 38ХН3МФА. Эти стали, хотя и сравнительно дороги, относятся к лучшим маркам улучшаемых сталей. Критический диаметр D95 составляет 100 мм и более при низкой склонности к хрупкому разрушению.
7.6. Высокопрочные стали
Высокопрочные мартенситностареющие стали характеризуются высокими значениями прочности ( в= 2000 МПа; 0.2 = 1200 МПа) в сочетании с высокой вязкостью и пластичностью. Опасность хрупких разрушений уменьшается благодаря минимальному содержанию углерода (не более 0,03 %).
Упрочнение сталей достигается совмещением двух механизмов упрочнения: мартенситного ()-превращения и старения мартенсита. Основным легирующим элементом является никель, содержание которого составляет 17-26 %. Для более эффективного протекания процесса старения мартенсита стали дополнительно легированы Ti, Al, Mo, Nb, а также Со.
Широкое распространение имеет сталь 03Н18К9М5Т, содержащая, % не более 0,03 С, 17-19 Ni; 7-9 Со; 4-6 Мо; 0,5-1 Ti.
Сталь 03Н18К9М5Т подвергают закалке на воздухе при 800-850 °С. После закалки сталь имеет структуру безуглеродистого мартенсита со следующими свойствами: в= 1200 МПа; 0,2= 1000 МПа; =20 %; =75 %; KCU = 2,0 МДж/м2. В закаленном состоянии сталь хорошо обрабатывается давлением, резанием.
Мартенситностареющая сталь получает основное упрочнение при старении, т.е. отпуске при 450-500 °С. Упрочнение при старении связано с выделением из мартенсита дисперсных частиц, интерметаллидов типа Ni3Ti, NiTi, Fe2Mo, Ni3(Ti, Al).
Мартенситностареющйе стали применяют в самолетостроении, в ракетостроении, т. е. в тех отраслях, в которых важна удельная прочность, а также в криогенной технике, где они нашли применение благодаря высокой пластичности и вязкости при низких температурах.
Высокопрочные ПНП-стали относятся к классу аустенитных сталей. Одна из применяемых марок содержит, %: 0,3 С, 8-10 Сr; 8-10 Ni; 4 Мо; 1-2,5 Мn, до 2Si. После закалки от 1000 – 1100 °С и получения при комнатной температуре аустенитной структуры (точки Мд и Мн лежат ниже 0°С), сталь подвергают деформации при 450-600 °С. При деформации происходит наклеп аустенита, выделение из него углерода и легирующих элементов с образованием дисперсных карбидов (дисперсионное упрочнение). Благодаря обеднению аустенита этими элементами точка Мд смещается в область положительных температур, а точка Мн остается ниже комнатной температуры. В результате такой обработки ПНП-стали приобретают высокую прочность (в 1800 МПа, 0,2 1400 МПа) при высокой пластичности ( 30%).
Высокая пластичность обусловлена различием температурных уровней начала мартенситного превращения Мн и начала образования мартенсита деформации Мд. Так как ПНП-стали имеют точку Мн ниже, а точку Мд выше комнатной температуры, то при испытаниях на растяжение происходит локализация деформации, аустенит только на этом участке превращается в мартенсит и упрочняется, вследствие чего деформация сосредотачивается в соседних объемах. Превращение аустенита в мартенсит не дает локализоваться деформации, шейка в образце при испытаниях на растяжение не образуется, благодаря чему реализуется высокая пластичность стали.