Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2,14% называются сталями.
Легированными называются стали, в которые помимо углерода добавляются различные химические элементы.
Содержание легирующих элементов может изменяться в очень широких пределах: хром или никель – 1% и более процентов; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1… 0,5%; также кремний и марганец – более 1 %. При содержании легирующих элементов до 0,1 % – стали называются микролегированными.
В конструкционных сталях легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств (прочности, пластичности). Кроме того, меняются физические, химические, эксплуатационные свойства.
Легирующие элементы повышают стоимость стали, поэтому их использование должно быть строго обоснованно.
Достоинства легированных сталей:
- особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;
- улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям;
- легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;
- возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;
- повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.
Недостатки легированных сталей:
- подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;
- в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости;
- склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала, неоднородность, поэтому необходим диффузионный отжиг.
- склонны к образованию флокенов.
Влияние примесей на свойства стали
Постоянные примеси
В любой стали всегда присутствует ряд примесей, которые можно разделить на следующие группы.
Марганец. Содержание в стали 0,5…0,8 %. Марганец повышает прочность, не снижая при этом пластичности, и резко снижает красноломкость (повышение хрупкости стали при высокой температуре) стали, вызванную влиянием серы.
Кремний. Содержание в стали 0,35…0,4 %. Кремний дегазирует метал и тем самым повышает плотность слитка. Растворяется в феррите и повышает прочность и предел текучести стали. Наблюдается некоторое снижение пластичности.
Фосфор. Содержание в стали 0,025…0,045 %. Фосфор способен растворяться в феррите, и тем самым искажать кристаллическую решетку. Это приводит к увеличению предела прочности и предела текучести, но снижается пластичность и вязкость, вызывает хладоломкость (повышение хрупкости стали при низкой температуре).
Фосфор обладает склонностью к ликвации, поэтому в центре слитка отдельные участи имеют резко пониженную вязкость.
Сера. Содержание в стали 0,025…0,06 %. Сера – вредная примесь, попадает в сталь из чугуна.
При взаимодействии с железом образует сульфид железа FeS, который в свою очередь образует с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 988 оС. При нагреве эвтектика плавится и заготовка разрушается.
Сера значительно снижает механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, а также предел выносливости. Она ухудшает коррозионную стойкость.
Основным способом борьбы с влиянием серы, является добавление в металл марганца, который образует с серой сульфид марганца, что значительно снижает ее влияние на сталь.
Азот и кислород находятся в виде хрупких неметаллических включений: оксидов (FeO, SiO2, Al2O3), нитридов (Fe2N), в виде твердого раствора или в свободном состоянии. Они повышают порог хладоломкости и снижают сопротивление хрупкому разрушению. Могут значительно понизить предел выносливости и вязкости.
Очень вредным является растворенный в стали водород. Он приводит к образованию флокенов (тонких трещин овальной или круглой формы).
Водород из поверхностного слоя может быть удален в результате нагревания в вакууме до температуры 150…180 оС.
Легирующие примеси (Специальные)
Основным легирующим элементом для стали является хром. Его содержание 0,8…1,2 %. Он повышает прокаливаемость, способствует получению высокой и равномерной твердости стали. Снижает порог хладоломкости хромистых сталей -100…0 оС.
Бор, содержание в стали 0,003 %. Увеличивает прокаливаемость, но повышает порог хладоломкости до -60…+20 оС.
Титан, содержание в стали до 0,1 %. Вводят для измельчения зерна в хромомарганцевой стали.
Молибден, содержание в стали 0,15…0,45 %. Увеличивает прокаливаемость, снижает порог хладоломкости, до -20…-120 оС. Молибден увеличивает статическую, динамическую, усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Помимо этого, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости сталей, содержащих никель.
Никель значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладоломкости, но при этом повышает склонность к отпускной хрупкости. Хромоникелевые стали обладают наилучшим комплексом свойств. Однако дефицитность никеля ограничивает применение таких сталей.
Значительное количество никеля можно заменить кремнием. Это не приводит к снижению свойств стали.