Металловедение

191

Глава XI

УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Сталью называют сплав железа с углеродом и другими элементами с со-

держанием углерода до 2% (точнее до 2,14% - точка Е на диаграмме Fe - Fe3C,

см. рис. 65).

Если сталь имеет в своем составе железо и углерод и некоторое количест-

во так называемых постоянных примесей - таких элементов, как марганец (до

0,7%), кремний (до 0,4%), сера (до 0,06%), фосфор (до 0,07%), и газов, то такую сталь называют углеродистой.

Если в процессе выплавки углеродистой стали к ней добавляют так назы-

ваемые легирующие элементы - хром, никель, вольфрам, ванадий и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве, то такую сталь называют леги-

рованной.

Рассмотрим, как влияют на сталь углерод, постоянные примеси и леги-

рующие элементы.

§ 1. Влияние на сталь углерода и постоянных примесей

Углерод оказывает основное влияние на свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали повышается ее твердость и прочность, уменьша-

ется пластичность и вязкость (рис. 122).

Предел прочности σв достигает макси-

мального значения при содержании в стали приблизительно 0,9% С; при большем содержании углерода проч-

ность уменьшается, что объясняется по-

явлением в структуре вторичного це-

ментита и охрупчиванием стали.

Марганец и кремний являются по-

192

лезными примесями в стали. Их добавляют в сталь при ее выплавке для удале-

ния окислов железа. Они являются раскислителями

FeO + Mn=MnO + Fe; 2FeO + Si=Si02 + 2Fe

Положительное влияние марганца проявляется также в том, что он устра-

няет вредные сернистые соединения (об этом см. ниже). Марганец и кремний растворяются в феррите и повышают его твердость и прочность, однако пла-

стичность при этом снижается.

Сера попадает в сталь из чугуна, а в чугун из кокса и руды. Сера с желе-

зом образует сульфид железа FeS. Сульфид железа в стали находится в виде эв-

тектики Fe - FeS, располагающейся по границам зерен стали; температура ее плавления 985° С. При нагревании стали до 1000-1200° С для горячей обработ-

ки ее давлением эвтектика плавится, связь между зернами ослабляется и сталь может разрушиться при деформации. Это явление называется красно-

ломкостью.

Красноломкость стали устраняет марганец. При наличии в стали марган-

ца он соединяется с серой с образованием сернистого марганца MnS - сульфида марганца. При этом протекает следующая реакция

FeS + Mn=MnS + Fe

Сульфид марганца имеет температуру плавления 1620° С и при нагрева-

нии стали до температуры горячей обработки давлением не расплавляется.

Сульфид марганца пластичен и при горя-

чей обработке давле-

нием вытягивается в направлении деформа-

ции (рис. 123, а). При-

сутствие серы в виде включений MnS нежелательно. Эти включения, не оказывая значительного

193

влияния на статическую прочность стали, снижают динамическую и усталост-

ную прочность, а также износостойкость. Неблагоприятно влияние серы также и в том, что при затвердевании слитка она склонна скапливаться в отдельных участках (ликвировать). Поэтому содержание серы в стали строго ют в зависимости от качества стали (не более 0,025-0,06%).

Сера оказывает благоприятное влияние только в том случае, когда требу-

ется хорошая обрабатываемость стали режущими инструментами (см. ниже

«Автоматные стали»).

Фосфор, как и сера, попадает в сталь из руд. Фосфор растворяется в фер-

рите, повышает его твердость и прочность, но в сильной степени снижает пла-

стичность, поэтому сталь становится хрупкой при обычных температурах; это явление называется хладноломкостью. Фосфор, как и сера, ликвирует, образуя участки, сильно обогащенные фосфором. Содержание фосфора в зависимости от качества стали допускается не более 0,025-0,07%. Фосфор также улучшает обрабатываемость стали резанием (см. «Автоматные стали»).

Газы (кислород, азот, водород) частично растворены в стали, присутст-

вуют в виде неметаллических включений (окислы - соединения металла с ки-

слородом, нитриды - соединения металла с азотом) или располагаются в сво-

бодном виде в раковинах, трещинах и других несплошностях. Кислород в стали находится, главным образом, в виде оксидов Аl203, Si02 и др. Оксиды, в отличие от сульфидов, хрупки, при горячей обработке не деформируются, а крошатся,

разрыхляют металл и располагаются в виде прерывистой линии (рис. 123, б). В

присутствии большого количества водорода в стали возникает очень опасный дефект - внутренние надрывы в металле, так называемые флокены.

§ 2. Легирующие элементы в стали

Легирующие элементы оказывают различное влияние на аллотропические превращения в железе, на карбидную фазу, на фазовые превращения в ста-

ли.

194

По влиянию на аллотропические превращения в железе легирующие эле-

менты разделяют на элементы, дающие открытую область γ-фазы (Mo, Ni, Со,

Си) и замкнутую область γ-фазы (Сr, V, W, Mo, Si, Ti и др.) (рис. 124).

Элементы, расширяющие γ-область, повышают точку А4 и понижают точку А3. Элементы, сужающие γ-

область, понижают точку А4 и повышают точку А3.

Легирующие элементы в стали могут находиться в карбидной фазе и в твердом растворе в железе (феррите или аустените). К элементам, способным образовывать карбиды, относятся: Mn, Cr, W, V, Mo, Ti и др.

При небольшом содержании карбидообразующие элементы растворяются в цементите с образованием так называемого легированного цементита по общей формуле (Fe, М)3С, где М -

легирующий элемент.

Например, если в цементите растворен Мn, образуется карбид (Fe, Мn)3С,

если растворен Сr, то образуется карбид (Fe, Сr)3С и т. д.

При увеличении содержания карбидообразующего элемента образуются самостоятельные карбиды данного элемента с углеродом, так называемые спе-

циальные карбиды, например Cr7C3, Мо2С, W2C, VC, TiC и др.

В стали специальные карбиды содержат в растворе железо, и тогда их на-

зывают сложными карбидами, например (Cr, Fe)7 С3 (Cr, Fe)23C6 и др.

Вольфрам и молибден при их количестве, превышающем предел насыще-

ния цементита, образуют двойные карбиды

Fe3W3C (Fe2W2C) и Fe3Mo3C (Fe2Mo2C)

Карбиды легирующих элементов обладают более высокой твердостью,

чем карбид железа Fe3C.

Элементы, не образующие карбидов в стали, Ni, Si, Со, находятся в ней главным образом в твердом растворе- в феррите или аустените. Карбидообра-

195

зующие элементы тоже способны частично растворяться в аустените и феррите.

При растворении в феррите происходит замещение атомов железа атомами ле-

гирующего элемента.

Легирующие элементы по-разному влияют на механические свойства феррита. Марганец и кремний, значительно повышая твердость, одновременно резко снижают вязкость феррита. Вольфрам и молибден незначительно повы-

шают твердость, но снижают вязкость феррита. Хром в очень малой степени влияет на твердость и вязкость феррита. Никель оказывает наиболее благопри-

ятное влияние на феррит; достаточно интенсивно повышает твердость, не сни-

жая при этом вязкости.

Легирующие элементы оказывают влияние па эвтектоидную температуру

(положение критической точки А1), на содержание углерода в эвтектоиде (точ-

ка S на диаграмме железо - цементит, см. рис. 65) и на максимально возможное содержание углерода в аустените (точка Е на диаграмме железоцементит).

Элементы, сужающие γ-область, повышают, а элементы, расширяющие γ-

область, понижают критическую точку А1. Точка S при наличии в стали любого из легирующих элементов сдвигается влево, что приводит к уменьшению со-

держания углерода в легированном перлите. Точку Е легирующие элементы тоже сдвигают влево, но особенно сильно этот сдвиг наблюдается в сталях, ле-

гированных элементами, сужающими область γ-фазы.

Легирующие элементы очень большое влияние оказывают на изотерми-

ческий распад аустенита. Все элементы, за исключением кобальта, замедляют процесс изотермического распада аустенита. Но в зависимости от способности образовывать карбиды легирующие элементы оказывают принципиально раз-

личное влияние на изотермический распад аустенита. Элементы, не образую-

щие карбидов (Ni и др.), а также Мn, увеличивая устойчивость аустенита, не влияют на характер изотермической кривой, которая остается такой же С-

196

образной, как и для углеродистой стали, только располагается правее от оси ор-

динат (рис. 125, а), за исключением Со, сдвигающего диаграмму влево.

Карбидообразующие элементы (Сr, W, Mo, V и др.) не только замедляют распад аустенита, но и изменяют характер кривой изотермического распада. Как вид-

но из кривых, приведенных на рис. 125, б,

при изотермическом распаде аустенита в сталях, легированных карбидообразующи-

ми элементами (в данном случае Сr), на-

блюдаются две зоны минимальной устой-

чивости аустенита и между ними зона мак-

симальной устойчивости аустенита.

Увеличивая устойчивость аустенита,

легирующие элементы (за исключением ко-

бальта) уменьшают критическую скорость закалки и тем в большей степени,

чем дальше от оси ординат располагаются кривые изотермического превращения. Это имеет большое практическое

значение, так как чем меньше критическая скорость закалки, тем менее интен-

сивный охладитель можно применять при закалке. Поэтому легированные ста-

ли при закалке охлаждают в масле.

С устойчивостью аустенита и критической скоростью закалки связана и прокаливаемость. Чем больше устойчивость аустенита и меньше критическая скорость закалки, тем глубже прокаливаемость. Поэтому все элементы (за ис-

ключением кобальта) увеличивают прокаливаемость.

Большинство элементов (Мn, Сr, Ni и др.) вызывают снижение точки Мн

(начало мартенситного превращения) и увеличение количества остаточного ау-

стенита. Элементы Со и А1 повышают положение мартенситной точки Мн. Ес-

ли точка Мн снижается до нуля, то аустенит при закалке не распадается, и, сле-

197

довательно, такая сталь при комнатной температуре имеет аустенитную струк-

туру.

Легирующие элементы оказывают также влияние на рост зерна аустенита при нагреве. Все легирующие элементы, за исключением марганца, уменьшают склонность аустенитного зерна к росту. Марганец, наоборот, способствует рос-

ту зерна. Элементы, не образующие карбидов в стали (Ni и др.), мало влияют на уменьшение склонности аустенитного зерна к росту. В гораздо большей степе-

ни препятствуют росту аустенитного зерна карбидообразующие элементы (Сr, Mo, V, W, Ti), что объясняется чисто механическим препятствием, которое ока-

зывают карбиды росту зерна. Кроме тормозящего действия карбидов, на уменьшение скорости роста аустенитного зерна влияют также оксиды: окись алюминия (Аl2O3), окись титана (ТiO2) и др.

Легирующие элементы оказывают влияние на диффузионные пре-

вращения, связанные с выделением и коагуляцией карбидов, происходящие при отпуске закаленной стали. Большинство легирующих элементов (Сr, Мо и др.)

замедляют процесс распада мартенсита. Выделение из твердого раствора леги-

рованного цементита и последующая его коагуляция происходят более затруд-

ненно, и для этого требуется более высокая температура по сравнению с темпе-

ратурой, при которой происходит выделение и коагуляция цементита углероди-

стой стали при отпуске. Это объясняется тем, что в углеродистой стали проис-

ходит диффузия только углерода, а в легированной стали диффундируют и уг-

лерод и легирующий элемент.

Характерным явлением, наблюдаемым в марганцовистых, хромистых,

хромомар-ганцовистых, хромоникеле-вых и некоторых других сталях, является так называемая отпускная хрупкость. Как видно из кривой изменения ударной вязкости хромонике-левой стали (рис. 126), в зависимости от температуры от-

пуска наблюдаются две температурных зоны хрупкости: первая -при 250-400° С

и вторая - при 500-600° С. Хрупкость в первой зоне есть результат неравномер-

198

ного распада кристаллов мартенсита по их границам и в объеме, приводящего к возникновению объемно-напряженного состояния.

Хрупкость во второй зоне, как это видно из кривой ударной вязкости,

проявляется только в том случае, если сталь с температуры отпуска охлаждает-

ся медленно. При быстром охлаждении ударная вязкость с повышением темпе-

ратуры непрерывно повышается, и хрупкости не наблюдается.

Хрупкость при медленном охлаждении с температуры высокого отпуска возникает вследствие обогащения приграничных зон зерен фосфором. Харак-

терной особенностью отпускной хрупкости второй зоны является ее обрати-

мость. Если хрупкую сталь вновь нагреть до температуры 500-600° С и быстро охладить, то сталь станет вязкой.

Введение в сталь небольшого количества молибдена (0,2-0,3%) или вольфрама (0,5-0,7%) значительно уменьшает склонность к отпускной хрупко-

сти во второй зоне.

Легированием стали (различными элементами в разном количестве) и

применением соответствующей термиче-

ской обработки можно получить по срав-

нению с углеродистой сталью большую вязкость при одинаковой прочности,

большую прочность при одинаковой вяз-

кости и даже более высокие и прочность,

и вязкость.

Но преимущества легированных сталей по сравнению с углеродистыми за-

ключаются не только в более высоких ме-

ханических свойствах. Легированием можно изменить и физико-химические

199

свойства стали, получить сталь нержавеющую, кислотостойкую, жаропрочную,

немагнитную, магнитную, с особыми тепловыми и электрическими свойствами.

§ 3. Классификация сталей

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу,

способу производства, качеству, структуре, применению.

По химическому составу различают стали углеродистые и легированные.

В зависимости от наличия в легированных сталях тех или иных легирующих элементов стали называют хромистыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хро-

момарганцеванадие-выми и т. п. В зависимости от содержания легирующих элементов легированные стали делят на низколегированные (до 2,5%), сред-

нелегированные (от 2,5 до 10%) и высоколегированные (более 10%).

По способу производства различают стали конверторные, мартеновские,

электросталь (см. гл. V «Производство стали») и сталь особых методов выплав-

ки.

По качеству различают стали обыкновенного качества, качественные, вы-

сококачественные и особо высококачественные. При этом учитывается глав-

ным образом способ выплавки и содержание в сталях вредных примесей - серы и фосфора.

Стали обыкновенного качества- углеродистые стали с содержанием до

0,5% С; выплавляют в конверторах (с применением кислорода) и в мартенов-

ских печах; содержание фосфора до 0,07% и серы до 0,06%.

Стали качественные-углеродистые и легированные стали; выплавляются преимущественно в основных мартеновских печах; содержание серы и фосфора до 0,035-0,040% каждого.

Стали высококачественные-главным образом легированные стали; вы-

плавляются преимущественно в электропечах, а также в кислых мартеновских печах; содержание серы и фосфора до 0,025 % каждого.

200

Стали особо высококачественные- легированные стали; выплавляются в электропечах, электрошлаковым переплавом и другими совершенными мето-

дами; содержание серы и фосфора до 0,015% каждого.

По структуре подразделяют стали в отожженном и в нормализованном состояниях.

Стали в отожженном состоянии делят на классы: доэвтектоидный, эв-

тектоидный и заэвтектоидный, обычно объединяемые в один класс - перлитный

(для углеродистых и легированных сталей), ледебуритный или карбидный,

ферритный, полуферритный, аусте-нитный и полуаустенитный (только для ле-

гированных сталей).

Так как легирующие элементы сдвигают точку S (0,8% С) и точку Е

(2,14% С) диаграммы FeFe3C (рис. 65) влево, то в легированных сталях эвтек-

тоидная, заэвтектоидная и ледебуритная структура получаются по сравнению с образованием этих структур в углеродистых сталях при меньшем содержании углерода, и поэтому в некоторых сталях (например, в быстрорежущих) в струк-

туре имеется ледебурит (ледебуритный класс).

При небольшом содержании углерода и высоком содержании легирую-

щих элементов, сужающих область 7-фазы (Сr, W, V и др.), это фаза может час-

тично или полностью отсутствовать. Тогда в стали при нагреве может быть ли-

бо частичное α=γ превращение (сталь полуферритного класса), либо его не бу-

дет совсем и тогда стали при всех температурах будут иметь ферритную струк-

туру и соответственно они относятся к ферритному классу.

При высоком содержании легирующих элементов, расширяющих область

γ-фазы (Мn, Ni), эта фаза может полностью сохраниться при всех температурах

(аустенитный класс стали) или частично претерпевать α=γ превращение (полу-

аустенитный класс стали).

Стали в нормализованном состоянии по структуре делят на перлитный

(I), мартенситный (II) и аустенитный (III) классы (рис. 127). Образование стали