Краткие теоретические сведения. Стали, в которые введены специальные элементы, заметно изменяющие их определенные свойства, называются легированными сталями

Стали, в которые введены специальные элементы, заметно изменяющие их определенные свойства, называются легированными сталями.

Свойства легированных сталей зависят от того, какие элементы вводятся в сталь, в каком количестве и в какие взаимодействия вступают легирующие элементы с железом и углеродом. С железом легирующие элементы образуют твердые растворы и интерметаллидные соединения.

По отношению к углероду легирующие элементы можно разделить на две группы:

1. не образующие карбидов – это никель, медь, алюминий, кремний;

2. карбидообразующие – марганец, хром, титан, тантал, цирконий, гафний, вольфрам, ванадий.

Легирующие элементы по влиянию на температурную область существования полиморфных модификаций железа можно разделить на две группы.

Рис. 23. Схемы влияния легирующих элементов на полиморфизм железа

К элементам первой группы относится никель и марганец, они понижают температуру точки А₃ и повышают температуру A₄. В результате этого на диаграмме состояния железо – легирующий элемент наблюдается расширение области g - фазы и сужение области существования a - фазы (рис. Рис. 23).

Как видно из диаграммы сплавы, имеющие концентрацию легирующего элемента больше указанной на рис. Рис. 23.а (точка «х») не испытывают a «g фазовых превращений и при всех температурах представляет собой твердый раствор легирующего элемента в g - железе. Такие сплавы называют аустенитными. Сплавы, частично претерпевающие превращение a «g, называют полуаустенитными.

Элементы второй группы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан и др.) понижают температуру критической точки А₄ и повышают температуру точки А₃. Это приводит к тому, что при определенной концентрации легирующих элементов (точка «у» на рис. Рис. 23.б) область g - фазы полностью замыкается и сплавы с концентрацией легирующих элементов больше, чем точка «у» при всех температурах состоят из твердого раствора легирующего элемента в a - железе. Такие сплавы называются ферритными, а сплавы, имеющие лишь частичное превращение – полуферритными.

Конструкционные легированные стали по структуре в нормализованном состоянии делятся на следующие классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный. Каждый из классов целесообразно связать с диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. Рис. 24). Для сталей перлитного класса кривая охлаждения пересекает диаграмму изотермического превращения аустенита и структура получается перлитной (рис. Рис. 24.а). Для сталей мартенситного класса скорость охлаждения выше критической и аустенит превращается в мартенсит (рис. Рис. 24.б).

Рис. 24. Диаграммы изотермического превращения аустенита для перлитного (а), мартенситного (б) и аустенитного (в) классов сталей (схема)

Для сталей аустенитного класса диаграмма сдвигается еще больше вправо, а температура начала мартенситного превращения M_Н лежит ниже нуля, поэтому при охлаждении на воздухе структурных превращений не происходит и сохраняется структура аустенита.

Стали, содержащие большое количество ферритообразующих элементов (Cr, Mo, W и др.) выделены в ферритный класс.

Для обозначения марок легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Буквами обозначают легирующие элементы: Хром – Х, кремний – С, Никель – Н, Титан – Т, Марганец – Г, Нниобий – Б, Медь – Д, алюминий – Ю, Молибден – М, Азот – А, Вольфрам – В, Бор – Р, Ванадий – Ф, Цирконий – Ц.

Эти буквы, сочетаясь с цифрами определяют состав легированной стали. Цифры впереди марки указывают на содержание углерода в стали: одна – в десятых долях процента (инструментальные стали), а две или три цифры – в сотых долях процента. Если впереди марки цифры нет, то это значит, что сталь содержит либо 1 % С, либо больше. Цифры, стоящие за буквами, указывают на среднее содержание данного легирующего элемента в процентах. Если за буквой цифра отсутствует, это значит, что данного элемента в стали менее 1 %, если стоит цифра 1 – около 1,5 %. Буква А в конце марки обозначает, что сталь этой марки является высококачественной, имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Жаростойкие (окалиностойкие) стали

Под действием окружающей среды может произойти разрушение металлов в результате коррозии. Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов и неэлектролитов, и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей, солей. Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими), а стали, устойчивые к газовой коррозии при высоких температурах, называют жаростойкими (окалиностойкими).

Повышение жаростойкости достигается введением в сталь, главным образом, хрома, а также алюминия или кремния. Эти элементы, обладая большим сродством к кислороду, чем железо, в процессе нагрева образуют защитные плотные пленки оксидов (Cr, Fe)₂O₃, (Al,Fe)₂O₃.

Жаростойкость зависит от химического состава стали, а не от ее структуры. Введение в сталь 5-8 % Cr повышает жаростойкость до 700-750 °С, увеличение содержания хрома до 15-17 % делает сталь жаростойкой до 950-1000 °С. При одинаковом содержании хрома жаростойкость и ферритных и аустенитных сталей одинакова.

Рис. 25. Микроструктура стали 15Х25Т – легированной феррит

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные стали, например – 12Х17, 15Х25Т, и аустенитные, например – 20Х23Н13, 15Х25Н16Г7АР.

Сталь 15Х25Т, содержит, в среднем, углерода 0,15 %, хрома 24-27 %, титана £0,9 %. Благодаря высокому содержанию хрома сталь относится к ферритному классу. В качестве термической обработки применяется отжиг при температуре 760 – 780 °С, структура – феррит (рис. Рис. 25). Сталь применяют для изготовления малонагруженных деталей печей; температура эксплуатации 800 – 1000 °С.

Сталь 20Х23Н18, содержащая, в среднем, углерода 0,2 %, хрома 22-25 %, никеля 17-20 %, кремния 1 %, относится к аустенитному классу; сталь подвергают закалке с температуры 1020 °С, структура – легированный аустенит (рис. Рис. 26). Сталь применяют для изготовления муфелей печей, направляющих, деталей вентиляторов, жаростойкость сохраняется до 800 – 1000 °С.

Рис. 26. Микроструктура стали 20Х23Н18 – легированной аустенит

Сплав Х20Н80 (20 % хрома, 80 % никеля) используют как жаростойкий с повышенным электросопротивлением для электронагревателей печей. Жаростойкость 1050 – 1100 °С.

Для изготовления электронагревателей печей используют жаростойкие стали, легированные дополнительно алюминием: Х13Ю4, Х23Ю5Т - структура близка к представленной на рис. Рис. 25.

Жаропрочные стали

Жаропрочными называют, стали и сплавы, способные работать под напряжением при высоких температурах в течение определенного времени и обладающие при этом достаточной жаростойкостью.

Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то он в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести, развитие которой со временем может привести к разрушению металла. Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью.

Жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца. Предел ползучести обозначают s с числовыми индексами, например - предел ползучести при допуске на деформацию 0,2 % за 100 ч испытания при температуре 700 °С.

Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла за определенное время при постоянной температуре. Предел длительной прочности обозначается s с двумя числовыми индексами, например - предел длительной прочности за 1000 ч при температуре 700 °С.

Жаропрочность стали зависят от величины сил межатомной связи, а также от структуры. Повышение жаропрочности стали достигается легированием твердого раствора (феррита или аустенита), приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего задерживается процесс диффузии, а температура рекристаллизации возрастает. Жаропрочные стали должны иметь специальную структуру, состоящую из твердого раствора и вкрапленных в него и расположенных по границам зерен дисперсных карбидов и интерметаллидных фаз. Такая структура получается в результате закалки с высоких температур и последующего высокотемпературного длительного отпуска (старения). Различают жаропрочные стали перлитного, мартенситного и аустенитного классов.

Стали перлитного класса применяют для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих длительное время (10000 – 200000 ч) при температурах не выше 500-580 °С и сравнительно мало нагруженных.

Для паропроводных и пароперегревательных труб с рабочей температурой 600 °С применяют низколегированные стали, содержащие Cr, V, Mo, Nb: 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 12Х2МФСР.

Рис. 27. Микроструктура стали 15Х1М1Ф – сорбит

Сталь 15Х1М1Ф (углерод 0,1 – 0,16 %, хром 1,1 – 1,4 %, молибден 0,9 – 1,1 %, ванадий 0,2 – 0,25 %) относится к перлитному классу, подвергается закалке с температуры 1000 °С и высокому отпуску 660 – 700 °С, 2-3 часа. Структура – сорбит, состоящий из легированного феррита с равномерно распределенными частицами карбидов (рис. Рис. 27), предел длительной прочности . Сталь применяют для изготовления труб пароперегревателей, паропроводов и других деталей теплоэнергетических установок.

Стали мартенситного класса предназначены для изделий, работающих при температурах 450-600 °С и от перлитных сталей отличаются повышенной жаростойкостью в атмосфере пара или топочных газов. К ним относятся высокохромистые (8-13 % Cr) стали, добавочно легированные W, Mo, V, Nb и В – 15Х11МФ, 15Х5М, 11Х11Н2В2МФ и др.

Рис. 28. Микроструктура стали 15Х11М1Ф – сорбит

Для изготовления рабочих лопаток паровых турбин используется сталь 15Х11МФ (углерод 0,12 – 0,19 %, хром 10,0 – 11,5 %, молибден 0,6 – 0,8 %, ванадий 0,25 – 0,4 %), которую подвергают закалке на воздухе (масле) от 1050-1100 °С и отпуску 680-750 °С. Структура термически обработанной стали – сорбит, состоящий из смеси легированного феррита и мелких карбидов (рис. Рис. 28) обеспечивает необходимую жаропрочность ().

Стали аустенитного класса, по жаропрочности превосходят перлитные и мартенситные стали и используются при температуре выше 600 °С.

Аустенитные стали по способу упрочнения подразделяют на три группы:

1. твердые растворы, не упрочняемые старением;

2. твердые растворы с карбидным упрочнением;

3. твердые растворы с интерметаллидным упрочнением.

Наиболее высокими показателями жаропрочности обладают стали с карбидным или интерметаллидным упрочнением.

Рис. 29. Микроструктура стали 37Х12Н8Г8МХ – аустенит и карбиды

К сталям с карбидным упрочнением относятся, например, 45Х14Н14В2М, 37Х12Н8Г8МФБ, 40Х15Н7Г7Ф2МС. Их применяют в газотурбостроении.

Сталь 37Х12Н8Г8МФ (содержание углерода 0,34-0,4 %, хрома 11,5-13,5 %, никеля 7-9 %, марганца 7,5-9,5 %, молибдена 1,1-1,4 %, ниобия 0,25-0,45 %, ванадия 1,25-1,55 %) подвергают закалке с температуры 1170-1190 °С (вода, воздух) и старению 800 °С, 8-10 часов; . Структура стали состоит из легированного аустенита и карбидов (рис. Рис. 29).

Самыми жаропрочными являются аустенитные стали с интерметаллидным упрочнением, например, 10Х11Н20Т3Р, 10Х11Н23Т3МР.

Рис. 30. Микроструктура стали 10Х11Н20Т3Р – аустенит, интерметаллиды и карбиды

Для формирования выделений упрочняющей интерметаллидной фазы типа Ni₃(Al, Ti) в сталь вводят небольшие добавки алюминия (до 0,5 %). При старении возможно также образование карбидов TiC.

Сталь 10Х11Н20Т3Р (содержание углерода 0,1 %, хрома 10-12,5 %, никеля 18-21 %, титана 2,3-2,8 %, алюминия до 0,5 %, бора 0,008-0,02 %) упрочняют закалкой от 1060-1080 °С и старением при 700 °С (3-8 ч) (); ее применяют для изготовления деталей газотурбинных двигателей, работающих при температуре 650-700 °С.

Микроструктура этой стали представлена на рис. Рис. 30.