Влияние хрома на свойства стали: Влияние примесей и лигирующих элементов на свойства сталей и сплавов

alexxlab | 21.11.1971 | 0 | Разное

Содержание

Влияние примесей и лигирующих элементов на свойства сталей и сплавов

Справочная информация

В компании ГП Стальмаш Вы можете купить круг, шестигранник, лист из наличия на складе (отгрузка от 1-3 рабочих дней в зависимости от вида металлопродукции и необходимости подготовки металла)

Сталь конструкционная, легированная, инструментальная, пружинная, подшипниковая, автоматная, нержавеющая, жаропрочная – более 260 марок стали в наличии | Круг. Лист. Полоса. Проволока. Шестигранник.

Оперативная и полная информация о наличии, ценах, условиях и сроках отгрузки по телефонам ГП Стальмаш:
+7 (343) 268-7815, +7 (950) 208-1282, +7 (904) 178-4756, +7 (902) 255-6262 WhatsApp и Viber, +7 (343) 213-1014

ЧАСЫ РАБОТЫ: Пн – Пт: с 06:00 до 16:00, время Московское, во внерабочее время отправляйте запрос на E-mail: [email protected] или через форму “Обратная связь”

Влияние примесей на стали и ее свойства

Углерод (( C ) – У) находится в стали обычно в виде химического соединения Fe3C, называемого цементитом.
С увеличением содержания углерода до 1,2% увеличивается твердость, прочность и упругость стали, понижается пластичность и сопротивление удару, ухудшается обрабатываемость и свариваемость.

Кремний (( Si ) – C), если он содержится в стали в небольшом количестве, особого влияния на ее свойства не оказывает.
При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость против окисления при высоких температурах.

Марганец (( Mn ) – Г), как и кремний, содержится в обыкновенной углеродистой стали в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства также не оказывает. Однако марганец образует с железом твердый раствор и несколько повышает

твердость и прочность стали, незначительно уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. При высоком содержании марганца сталь приобретает исключительно большую твердость и сопротивление износу.

Сера ((S)) является вредной примесью. Она находится в стали главным образом в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах, например при ковке, – свойство, которое называется красноломкостью. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допускается серы не более 0,06-0,07%.
Увеличение хрупкости стали при повышенном содержании серы используется иногда для улучшения обрабатываемости на станках, благодаря чему повышается производительность при обработке.

Фосфор (( P ) –

П) также является вредной примесью. Он образует с железом соединение Fe3P, которое растворяется в железе. Кристаллы этого химического соединения очень хрупки. Обычно они располагаются по границам зерен стали, резко ослабляя связь между ними, вследствие чего сталь приобретает очень высокую хрупкость в холодном состоянии (хладноломкость). Особенно сказывается отрицательное влияние фосфора при высоком содержании углерода. Обрабатываемость стали фосфор несколько улучшает, так как способствует отделению стружки.

Легирующие элементы и их влияние на свойства стали

Хром (( Cr ) – Х) – наиболее дешевый и распространенный элемент. Хром повышает твердость и прочность, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионную стойкость; содержание больших количеств хрома делает сталь нержавеющей и обеспечивает устойчивость магнитных сил.

Никель (( Ni ) – Н) придает стали коррозионную стойкость, высокую прочность и пластичность, увеличивает прокаливаемость, оказывает влияние на изменение коэффициента теплового расширения.

Вольфрам (( W ) – В) образует в стали очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует росту зерен при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий (( V ) – Ф) повышает твердость и прочность, измельчает зерно. Увеличивает плотность стали, так как является хорошим раскислителем.

Кремний (( Si ) – C) в количестве свыше 1% оказывает особое влияние на свойства стали: содержание 1-1,5% увеличивает прочность, при этом вязкость сохраняется. При большем содержании кремния увеличивается электросопротивление и магнитопроницаемость. Кремний

увеличивает также упругость, кислостойкость, окалиностойкость.

Марганец (( Mn ) – Г) при содержании свыше 1% увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок, не уменьшая пластичности.

Кобальт (( Co ) – К) повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает сопротивление удару.

Молибден (( Mo ) – М) увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, антикоррозионные свойства и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан (( Ti ) – Т) повышает прочность и плотность стали, способствует измельчению зерна, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и сопротивление коррозии.

Ниобий (( Nb) – Б) улучшает кислостойкость и способствует уменьшению коррозии в сварных конструкциях.

Алюминий (( Аl ) – Ю) повышает жаростойкость и окалиностойкость.

Медь (( Cu ) – Д) увеличивает антикоррозионные свойства, она вводится главным образом в строительную сталь.

Цирконий (( Zr ) – Ц) оказывает особое влияние на величину и рост зерна в стали, измельчает зерно и позволяет получать сталь с заранее заданной зернистостью.

Легирование – добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур.
В разных отраслях применяются разные технологии легирования.
В металлургии легирование
производится введением в расплав или шихту дополнительных элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия, титана), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции.

влияние хрома, никеля и молибдена – steel-guide.info

Хром, никель и молибден являются важнейшими легирующими элементами сталей. Их применяют в различных сочетаниях и получают различные категории легированных сталей: хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и тому подобные легированные стали.

Влияние хрома на свойства сталей

Стремление хром образовывать карбиды является средним среди других карбидообразующих легирующих элементов. При низком соотношении Cr/C содержания хрома по отношению к железу образуется только цементит вида (Fe,Cr)3C. С увеличением отношения содержания хрома и углерода в стали Cr/C появляются хромистые карбиды вида (Cr,Fe)7C3 или (Cr,Fe)23C6 или оба. Хром повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах, а также повышает сопротивление абразивному износу высокоуглеродистых сталей.

Карбиды хрома являются и износостойкими. Именно они обеспечивают стойкость стальным лезвиям – не зря из хромистых сталей изготавливают лезвия ножей. Сложные хроможелезистые карбиды входят в твердый раствор аустенита очень медленно – поэтому при нагреве таких сталей под закалку требуется более длительная выдержка при температуре нагрева. Хром по праву считается самым важным легирующим элементом в сталях. Добавление хрома в стали побуждает примеси, такие как фосфор, олово, сурьма и мышьяк сегрегировать к границам зерен, что может вызвать в сталях отпускную хрупкость.

Влияние никеля на свойства сталей

Никель не образует в сталях карбидов. В сталях он является элементом, способствующим образованию и сохранению аустенита. Никель повышает упрочняемость сталей. В комбинации с хромом и молибденом никель еще больше повышает способность сталей к термическому упрочнению, способствует повышению вязкости и усталостной прочности сталей. Растворяясь  в феррите никель повышает его вязкость. Никель увеличивает сопротивление коррозии хромоникелевых аустенитных сталей в неокисляющих кислотных растворах.

Влияние молибдена на свойства сталей

Молибден с готовностью образует в сталях карбиды. Он растворяется в цементите только немного. Молибден образует карбиды молибдена, как только содержание углерода в стали становится достаточно высоким. Молибден способен обеспечивать дополнительное термическое упрочнение в ходе отпуска закаленных сталей. Он повышает сопротивление сталей ползучести низколегированных при высоких температурах.

Добавки молибдена способствуют измельчению зерна сталей, повышают упрочняемость сталей термической обработкой, увеличивают усталостную прочность сталей. Легированные стали с содержанием молибдена 0,20-0,40 % или такое же количество ванадия замедляют возникновение отпускной хрупкости, но не устраняют ее полностью. Молибден повышает коррозионную стойкость сталей и поэтому широко применяется в высоколегированных ферритных нержавеющих сталях и в хромоникелевых аустенитных нержавеющих сталях. Высокое содержание молибдена снижает склонность нержавеющей стали к точечной (питтинговой) коррозии. Молибден оказывает очень сильное упрочнение твердого раствора аустенитных сталей, которые применяются при повышенных температурах.    

Источник: Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, ed. G. E. Totten, 2006

 

Влияние состава стали на ее свойства:

Углерод – неотъемлемая часть любой стали, так как сталь это сплав углерода с железом. Процентное содержание углерода определяет механические свойства стали. С увеличением содержания углерода в составе стали, твердость, прочность и упругость стали увеличиваются, но пластичность и сопротивление удару понижаются, а обрабатываемость и свариваемость ухудшается.

 

Кремний – незначительное его содержание в составе стали особого влияния на ее свойства не оказывает. При повышении содержания кремния значительно улучшаются упругие свойства, магнитопроницаемость, сопротивление коррозии и стойкость к окислению при высоких температурах.

Марганец – в углеродистой стали содержится в небольшом количестве и особого влияния на ее свойства не оказывает. Однако он образует с железом твердое соединение повышающее твердость и прочность стали, несколько уменьшая ее пластичность. Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. Сталь в состав которой входит большое количество марганца приобретает существенную твердость и сопротивление износу.

Сера – является вредной примесью в составе стали, где она находится преимущественно в виде FeS. Это соединение придает стали хрупкость при высоких температурах – красноломкость. Сера увеличивает истираемость стали, понижает сопротивление усталости и уменьшает коррозионную стойкость.
В углеродистой стали допустимое содержание серы – не более 0,07%.

Фосфор
– также является вредной примесью в составе стали. Он образует с железом соединение Fe

3P. Кристаллы этого соединения очень хрупки, вследствие чего сталь приобретает высокую хрупкость в холодном состоянии – хладноломкость. Отрицательное влияние фосфора наибольшим образом сказывается при высоком содержании углерода.

Легирующие компоненты в составе стали и их влияние на свойства:

Алюминий – сталь, состав которой дополнен этим элементом, приобретает повышенную жаростойкость и окалиностойкость.

Кремний – увеличивает упругость, кислостойкость, окалиностойкость стали.

Марганец – увеличивает твердость, износоустойчивость, стойкость против ударных нагрузок при этом не уменьшает пластичности.

Медь –  улучшает коррозионностойкие свойства стали.

Хром – повышает твердость и прочность стали, незначительно уменьшая пластичность, увеличивает коррозионностойкость. Содержание больших количеств хрома в составе стали придает ей нержавеющие свойства.

Никель – также как и хром придает стали коррозионную стойкость, а также увеличивает прочность и пластичность.

Вольфрам – входя в состав стали, образует очень твердые химические соединения – карбиды, резко увеличивающие твердость и красностойкость. Вольфрам препятствует расширению стали при нагреве, способствует устранению хрупкости при отпуске.

Ванадий – повышает твердость и прочность стали, увеличивает плотность стали. Ванадий является хорошим раскислителем.

Кобальт – повышает жаропрочность, магнитные свойства, увеличивает стойкость против ударных нагрузок.

Молибден – увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение, улучшает антикоррозионные свойства стали и сопротивление окислению при высоких температурах.

Титан – повышает прочность и плотность стали, является хорошим раскислителем, улучшает обрабатываемость и увеличивает коррозионностойкость.

На нашей металлобазе Вы можете купить самые разнообразные виды металлопроката по оптовым ценам: арматуру, катанку, круг, листы г/к, листы х/к, листы рифленые, листы оцинкованные (оцинковка), листы с полимерным покрытием (полимер), проволоку Вр, проволоку ОК, проволоку оцинкованную, проволоку колючую, гвозди, канаты, метизы, угловой прокат, швеллер, двутавры, электроды, трубы профильные квадратные, трубы профильные прямоугольные, трубы круглые водогазопроводные и др. 1390 \ Семь 910 ′%1 Восемь& =-» (С) Двенадцать ’1′ Я Простите? _ 1510 ′ Икс м / 820 ′ Ноль шесть является Один —. Один б \ л * б ИГ ИУС это хорошая вещь. — \ \ В 70. В i860 ′ Y) / Сплав на основе Fe-Cr 135 Раствор 0,8% С стали. Здесь горизонтальная ось показывает общее

количество хрома в Стали, а вертикальная ось показывает содержание хрома в карбиде в процентах от общего количества. Людмила Фирмаль

Этот рисунок показывает, что чем больше содержание хрома в стали, тем сложнее она входит в состав карбидов. Например, при содержании 2% Cr стали около 15% ее общего объема составляет карбид, а в твердых растворах-около 2%. * Яв Установка. Диаграмма 62.Высокий хром х 10000 Сигма Вы также можете использовать его в качестве шаблона для вашего сайта. Cg X Диаграмма 63.Распределение hrosh между твердым раствором карбида и стали 0,8% C Если cr в 85% стали составляет 4%, то около 35%доступного хрома связывается с карбидами, а 65% — с твердым веществом solutions.при гораздо более высокой температуре, чем точка Ast. Карбиды Cr7C3 и Cr2zC6 образуются из Мартенситных и карбидных сталей.

  • Температура диссоциации этих карбидов составляет более 1200°.Карбид Cr3C2 главным образом наблюдается в высоких сплавах Хромия, феррохроме, Стеллите, etc. It является очень стабильным и поэтому полностью растворим только в жидком растворе хромистой стали 136 Таблица 26 Состав комплекса карбидов хрома карбид хрома Sg3S Sg7S3 Sg2zSv Sg3S2 Двойной карбид железа (Феррохром) СК (феррохром), Сз (феррохром) СК (феррохром) С2 Приблизительное соотношение железа и хрома в двойном карбиде 80%Фэ + 20%Хрома 40%Фэ + 60%СГ, 30%Фэ + 70%Хрома, 10%Кэ + 90%Пр В железоуглеродистых сплавах с высоким содержанием хрома очень трудно определить точный состав таких карбидов химическим анализом, так как одновременно могут существовать несколько типов карбидов, и результаты анализа фаз карбидных отложений часто очень различны.

В диаграмме состояния системы Fe-Cr, под влиянием углерода, область гамма-твердого раствора значительно увеличивается, близкая с более высоким содержанием, а не 12,8 кг, как двойные железо-хромовые сплавы. Это объясняется тем, что углерод действует противоположно хрому, то есть увеличивает точку А4, понижая точку L3, и даже в присутствии углерода часть хрома связывается с карбидами. Хром был истощен. 図 фиг, это диаграмма влияния углерода на область FET железо-хромового сплава. Schematic схематическое изображение фиг. Из этого рисунка видно, что при 0.3% C область FeT закрывается на 18% Cg, а при 0.4% C она закрывается только на 25% Cg. Влияние хрома на критическую точку железоуглеродистого сплава показано на рисунке. 65.На рисунке показано, что при увеличении содержания хрома точка L4 резко уменьшается, при этом 12%

Cr почти сливается с точкой Az. Феррит, без фазы 700. Рисунок 64. Людмила Фирмаль

Влияние углерода на расширение сплава Fe-Fe-Cr-137 Fe-Cr-Cr Преобразование. Под воздействием хрома точки Е и S увеличиваются и одновременно смещаются влево в сторону низкого содержания углерода. На рисунке 66 представлена структурная схема хромистой стали, которая показывает, что хром снижает концентрацию углерода в перлите и аустените.1 •- «-. В £• £00 0 0,2 а * С8 0.6 1.0 1.2 1.У 1.6 1.8 г.0 2.2 с% Диаграмма 65. Влияние хрома на диаграммы Fe-C Угол рисунка — это область Альфа-твердого раствора, не имеющая критической точки.

Правая сторона рисунка занята областью красного брикета или карбидной стали: в этом составе структура литой стали исчезает (ломается) после ковки, и в структуре кованой стали появляется большое количество избыточных карбидов. При изотермическом превращении аустенита хром значительно увеличивает инкубационный период и время полного разложения аустенита[71].

Кривая изотермического превращения аустенита хромистой стали, внешний вид которого составляет<0,5-0,8% Cr, практически не отличается от СОБР Кривая углеродистой стали и> 1,0%Cg, на рисунке показаны 2 минимальных значения аустенитной стабильности: 138 градусов Цельсия в диапазоне температур около 600 градусов на хромистую сталь Сталь красного Брита (карбида) и Sautectoid/сталь В температурном диапазоне образования игольчатых ферм превращение твердых тел составляет приблизительно 350°(рис.67). Основываясь на диаграмме изотермического превращения аустенита, перлит хромистой стали во время изотермического отжига, чтобы уменьшить время разложения аустенита, чтобы сфероидизировать карбид, он должен поддерживаться на уровне около 600°, затем 720-740°, чтобы уменьшить твердость.

Поскольку аустенит обладает наибольшей стабильностью при этой температуре, то при ступенчатом упрочнении эту сталь следует поддерживать на уровне 450°. Когда хромистая сталь нагревается, карбид хрома входит в твердый раствор при температуре выше, чем цементит, который ингибирует рост зерен аустенита. Поэтому хромистая сталь менее подвержена перегреву, чем простая углеродистая сталь. Из диаграммы системы Fe-Cr известно, что в чистых (двойных) железохромистых сплавах с повышенным содержанием хрома 7% критическая точка A3 уменьшается. Однако наличие в сплаве определенного количества углерода, то есть тройного сплава Fe_Cr_C, увеличивает критическую точку Ar даже при 1-2°/ocrr.

При термической обработке хромистой стали класса перлита хромом в каждой пропорции температура нагрева повышается на 20-25°по сравнению с обычной углеродистой сталью. Хром-проектированная сталь клонит облегчить хрупкость. Коэффициент чувствительности к скорости охлаждения при высокотемпературном отпуске закаленной хромистой стали достигает 1,5-2,0, поэтому для увеличения вязкости хромистую сталь после высокотемпературного отпуска следует быстро охлаждать (в масле). Фазовая диаграмма системы Fe-Cr показывает, что область Fe замкнута под воздействием хрома.

То есть хром является «ферритообразующим» элементом. Однако, например, в присутствии сложных сплавов с высоким содержанием углерода или легирующих элементов, расширяющих область FeT, хром значительно снижает скорость перехода Fe- » — Fea и повышает стабильность аустенита. То есть она способствует приобретению аустенитной организации. 1.6 2.0 г, и Диаграмма 66.Чертеж структуры хромовой стали. Сплавы серии Fe-Cr 139 При цементировании стали хром практически не влияет на глубину цементного слоя, но на поверхности цементных изделий из хромистой стали концентрация увеличивается.

Дао. Один Один / Один / Диаграмма 67. С изотермической конверсии 1.0% хромистых сталей™аустенита диаграммы. 2.3%СГ (а) и 0,5% с; 2.2%СГ(б) Содержание углерода и избыток эвтектоидного карбида выделяется, как правило, в виде отдельных шариков, затвердевшая твердая корочка хорошо прижимается к носу. При закалке стали хром резко увеличивает склонность к переохлаждению аустенита и значительно снижает скорость критического упрочнения (рис. 68).

Так, например, в изделиях диаметром 25-30 мм из машиностроения и инструмента хромистую сталь с содержанием хрома более 1% можно закалить не водой, а маслом. Снижая критическую скорость закалки, хром повышает прокаливаемость стали. На рисунке 69 показан график образца baked™диаметром 50 мм, изготовленного из хромистой стали 30х. Ага. 15 10 S OS s / I расстояние от центра, мм 69. 50X (U) хромистая сталь и 50 (2) углеродистая сталь 140 закаливаемость хромистой стали Из углеродистой стали 50: образцы из хромистой стали получат сквозное упрочнение, образцы из углеродистой стали только затвердеют на глубину 8-10 мм.

При упрочнении хромированной конструкционной стали в перлитном классе 0,3-0,5% с хром оказывает слабое влияние на положение и остаточное количество точки мартенсита Пятнадцать с х х / Рисунок 70. Влияние хрома на количество точечного ми и остаточного аустенита при закалке стали при 1,0% С 200. Куо г Cg.% Аустенит в структуре закаленной стали. Однако в хромистых инструментальных сталях, где Cr больше 1% 0,9-1,0% C, точка мартенсита уменьшается на 30-50°(в зависимости от температуры нагрева перед закалкой), уменьшая количество удерживаемого аустенита.

С увеличением содержания хрома, он непрерывно increasing. So, в Стали, где Cr составляет 12% , А C — 2%, после закалки при 1100-1150° вы обнаружите до 80% остаточного аустенита (остаточного мартенсита и карбидов). На рис. 70 приведена диаграмма влияния хрома на мартенситную точку превращения и количество остаточного аустенита в инструментальной стали, закаленной при 800-820°с-1,0%.

Смотрите также:

Материаловедение — решение задач с примерами

Влияние основных легирующих элементов на свойства нержавеющих сталей

Хром (Cr) :


– является основным элементом стали , определяющей её стойкость к окислению (коррозии), хром резко повышает коррозионную стойкость стали при увеличении его в сплаве выше 12,5%, начиная с этой концентрации на поверхности образуется плотная оксидная плёнка Cr2O3
(хром собственно и делает сталь нержавеющей, например стали 20Х13, 30Х13, 40Х13 и т.п)
– при содержании хрома в стали 12—14% теплопроводность стали в 2 раза меньше чистого железа, а электроопротивление возрастает в 3 раза
– обеспечивает повышенную прочность при повышенных температурах, добавка хрома повышает твёрдость и прочность стали, не снижая её пластичности
– снижает ударную вязкость стали

Никель (Ni) :

– основная функция никеля – стабилизация аустенитной структуры стали, такая структура является особо прочной и эластичной.
(минимальное количество никеля способное стабилизировать аустенитную структуру – 8%, именно столько никеля находится в наиболее распространённой импортной стали AISI 304 )
– наличие в стали от 8-10% никеля обеспечивает ей хорошую пластичность и хорошие формовочные свойства
– улучшает свариваемость стали и дополнительно увеличивает сопротивление стали  к окислению (коррозии) в районе сварного шва 
– никель увеличивает жаропрочность стали (в особенности по отношению к устойчивости к деформации)
– благодаря никелю нержавеющая сталь лучше полируется и более устойчива к царапинам, чем обычные стали
(шлифованные и зеркальные поверхности )

Молибден (Mo) :

– повышает сопротивление стали к окислению (коррозии) при высоких температурах, снижает стойкость сталей к точечной (питтинговой) коррозии
– увеличивает красностойкость, упругость, предел прочности на растяжение
– обеспечивает дополнительное термическое упрочнение

Титан (Ti) :

– повышает прочность стали
– титан добавляют в нержавеющие стали  для предотвращения межкристаллитной коррозии 

Углерод (C) :

– при увеличении углерода до 0,8% растёт твёрдость и прочность стали, однако приводит к увеличению порога хладноломкости
(например стали 40Х13 и 95Х18 используются для производства ножей)
– чем больше в стали углерода, то она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется и хуже сваривается
(так наиболее распространённые в продаже импортные стали 300-ой серии AISI304/321/316 имеют в своём составе 0,8% углерода, что даёт им большую область применения по сравнению с отечественной сталью 12х18н10т) )

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

Источник: ООО “Новьсталь”

 

Это интересно: производство бесшовных нержавеющих труб

Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов

Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов

При сварке металлов, имеющих различные легирующие элементы (Молибден, Кремний, Хром и др.) могут возникать различные проблемы, влияющие непосредственно на качество полученного сварного соединения (трещины, поры, непровары и т.д.). Для того, чтобы избежать трудностей и проблем, необходимо очень хорошо знать, как влияет тот или иной легирующий элемент на свариваемость изделия.

Знание влияния легирующих элементов на свариваемость различных сталей поспособствует лучшему пониманию процессов сварки.


Углерод
Один из самых значительных химических элементов в сталях.
Содержание углерода в сталях влияет на прочность, закаливаемость, вязкость, свариваемость.
У низкоуглеродистых сталей (углерода менее 0,25%) свариваемость практически не ухудшается.
При увеличении содержания углерода свариваемость резко ухудшается, так как в зонах ЗТВ (зонах термического влияния) возникает большое количество закалочных структур, которые вызывают трещины.

При высоком содержании углерода в присадочном материале увеличивается вероятность образования пор.


Марганец
Марганец является хорошим раскислителем. Электроды или проволоку необходимо применять при сварке в среде СО2. При содержании марганца в металле до 0,8 %, процесс сварки не усложняется. При увеличении содержания стали в металле (1,8%-2,5%) появляется опасность возникновения ХТ (холодных трещин), т.к. марганец способствует появлению хрупких структур (закалочных). При повышенном содержании марганца (11-16%) во время сварки происходит интенсивное выгорание данного вещества. Следовательно, необходимо применять специальные меры, например, использовать сварочные материалы с бОльшим содержанием марганца.

Кремний
Так же как и марганец является хорошим раскислителем. При малом количестве кремний (до 0,03%) на свариваемость не влияет. При содержании кремния 0,8-1,5% свариваемость ухудшается из-за повышенной жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния. При повышенном содержании кремния, из-за увеличенной жидкотекучести особенно опасно появление горячих трещин.

Хром
Содержание хрома в сталях способствует увеличению коррозионной стойкости. Но, при сварке сталей образуются карбиды хрома, которые увеличивают твердость в ЗТВ (зоне термического влияния). Также образуются тугоплавкие окислы, которые затрудняют процесс сварки, а значит ухудшают свариваемость.

Никель
Содержание никеля в сталях способствует увеличению ударной вязкости, которая особенно важная при работе сталей при низких температурах. Также никель способствует увеличению пластичности, прочности стали и измельчению зерна. При этом свариваемость стали не ухудшается. Но, из-за высокой цены данного легирующего элемента, применение ограничено экономическими соображениями.

Молибден
Содержание молибдена в сталях увеличивает несущую способность при высоких температурах и ударных нагрузках, измельчает зерно.
С другой стороны, молибден способствует образованию трещин в ЗТВ и наплавленном металле шва.
Во время сварке окисляется и выгорает. Следовательно, необходимо использовать специальные меры.

Вольфрам
Содержание вольфрама в сталях резко увеличивает твердость стали и ее работоспособность при высоких температурах (красностойкость).
С другой стороны, вольфрам затрудняет процесс сварки и активно окисляется.

Ванадий
Содержание ванадия в сталях резко увеличивает закаливаемость стали. Из-за закаливаемости, а также из-за окисления ванадия и его выгорания, ухудшается свариваемость сталей.

Титан
Использование титана как легирующий элемент обусловлено его высокой коррозионной стойкостью.

Ниобий
Использование ниобия, аналогично титану, обусловлено его высокой коррозионной стойкостью. При сварке сталей ниобий способствует образованию горячих трещин.

Первичное влияние легирующих элементов на свойства металла

В некоторые металлы часто добавляют легирующие элементы для достижения определенных характеристик, требуемых для конкретного применения. Включение определенных веществ может изменить многие свойства, от прочности до цвета и теплопроводности. Это может значительно упростить изготовление деталей и часто увеличивает срок службы продукта. Однако важно иметь некоторую предысторию того, как это работает, поскольку добавление различных элементов может повлиять на множество различных свойств.Давайте посмотрим поближе.

Хром

Мы только что увеличили содержание хрома в вашем сплаве. Также увеличилась коррозионная стойкость. Большинство нержавеющих сталей содержат около 18 процентов хрома, что обеспечивает хорошую стартовую коррозионную стойкость. Увеличение содержания хрома будет постоянно увеличивать коррозионную стойкость сплава, особенно при высоких температурах.


Никель

А теперь давайте начнем рецепт и добавим немного никеля.Никель может оказывать множество эффектов на сплав, например, слегка повышенную коррозионную стойкость (не так сильно, как хром) и повышенную прочность при высоких температурах. Однако наиболее значительным результатом является повышенная формуемость в результате повышенного содержания никеля. Большинство нержавеющих сталей имеют процентное содержание никеля в диапазоне 8-10 процентов. По мере увеличения этого процента формуемость материала также улучшается.


Углерод

По сравнению с некоторыми другими элементами, содержание углерода в нержавеющей стали относительно низкое, обычно менее 0.2 процента. Увеличение содержания углерода будет иметь множество эффектов. Он увеличивает твердость и прочность, а также улучшает закаливаемость. Тем не менее, он также может иметь некоторые эффекты, которые производители деталей не ищут. Он увеличивает хрупкость и может снизить как свариваемость, так и коррозию из-за его склонности к образованию мартенсита.


Азот

Азот прибыл на место происшествия. Добавление этого элемента окажет большое влияние на сплав. Он также увеличивает коррозионную стойкость, но на более локальном уровне, чем хром.Он значительно повышает стойкость к питтингу и трещинам, а также к межкристаллитной коррозии. Азот также может повышать прочность, и его типичное содержание в нержавеющей стали составляет менее 0,1 процента.


Молибден

Добавление молибдена в нержавеющую сталь улучшает стойкость к питтингу и коррозии. Нержавеющая сталь 316 обычно имеет повышенное содержание этого элемента и известна своей коррозионной стойкостью. Кроме того, молибден улучшает прочность при повышенных температурах, что делает его часто полезным компонентом в аэрокосмической отрасли, такой как теплообменники или выхлопные системы.


Марганец

Марганец – еще один легирующий элемент, используемый для достижения определенных свойств. Помимо улучшения стабильности азота в металле, этот элемент увеличивает прокаливаемость и прочность на разрыв, но не в такой степени, как углерод.


Кремний

Кремний, помимо повышения прочности и твердости, может быть ключевым фактором повышения стойкости к окислению при увеличении содержания в нержавеющей стали.Кремний, как стабилизатор феррита, является отличным раскислителем, а также может улучшить коррозионную стойкость.


Медь

В случае нержавеющей стали обычно присутствует остаточное количество меди, но в некоторых случаях ее добавляют специально, например, 304Cu. Целью этих марок является повышение коррозионной стойкости, особенно в условиях океана, а также обеспечение свойств твердения от атмосферных осадков.


Алюминий

Алюминий, который может иметь высокую стойкость к окислению и коррозии благодаря своему пассивирующему слою, обычно присутствует в ферритных нержавеющих сталях (серия 400) по другой причине.Дополнительное содержание алюминия в серии 400 обеспечивает повышенную пластичность, а также устойчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением.


Титан

Титан – это элемент, который в первую очередь добавляется для связывания углерода, также известного как карбидная стабилизация. Это улучшает свариваемость, поскольку комбинация углерода и титана (карбиды титана) стабильны и трудно растворяются в стали. Это сводит к минимуму возникновение межкристаллитной коррозии.


Кобальт

Кобальт, как и титан, может помочь в стабилизации карбида и улучшить сварку.В ядерных приложениях необходимы ограничения по кобальту, поскольку этот элемент может стать очень радиоактивным при воздействии радиации.

Все эти элементы могут играть решающую роль в приложении. И производство, и жизненный цикл продукта зависят от того, какими элементами легирован металл. Как видите, существует множество вариантов легирования и много влияний на свойства этих легирующих элементов. Поскольку доступны все виды нержавеющей стали и специальных металлов, обычно есть идеальный вариант для вашего продукта.

Все еще не уверены, что вы предпочтете использовать в своем следующем проекте – 304L или 316L? Есть еще вопросы по металлургии? Обратитесь к специалисту, и мы будем рады помочь.

металлов | Бесплатный полнотекстовый | Влияние добавления хрома с низким содержанием хрома на коррозионное поведение двухфазной высокоуглеродистой стали

1. Введение

Использование высокоуглеродистой стали значительно расширилось в различных секторах, и она играет важную роль в производстве промышленного инструмента такие как высокопрочная проволока, ножи для резки и другие области применения в горнодобывающей и фармацевтической промышленности [1].Увеличение использования более агрессивных сред в промышленности для снижения стоимости производства увеличило эффект коррозии при выходе из строя этой марки стали. Добавление легирующих элементов, таких как хром (Cr), улучшило коррозионную стойкость высокоуглеродистой стали [2]. Однако очень важно понимать эффект добавления этих легирующих элементов в небольшом количестве для снижения связанных с этим производственных затрат. В недавнем исследовании авторов подробно исследован механизм коррозии двухфазной высокоуглеродистой стали [3,4].Это исследование продемонстрировало, что в двухфазной высокоуглеродистой стали аустенит имеет более высокий потенциал в качестве первой фазы, которая подвергается коррозии из-за разделения углерода от мартенситной фазы на аустенитную и его метастабильной природы [5]. С другой стороны, Rumana et al. исследовали влияние небольшой добавки Cr на стабильность остаточного аустенита и продемонстрировали, что небольшая добавка Cr повысит стабильность остаточного аустенита в двухфазных сталях [6,7]. Cr является одним из основных легирующих элементов, используемых в составе стали, чтобы минимизировать окисление и улучшить свойства коррозионной стойкости [7].Тем не менее, чтобы приобрести доступные по цене компоненты из высокоуглеродистой стали с их превосходными свойствами для многих применений в промышленности, необходимо изучить присутствие Cr и его влияние на каждую микроструктуру в двухфазных высокоуглеродистых сталях. Потенциодинамический поляризационный анализ был использован в этом исследовании для анализа и оценки влияния Cr на стабильность аустенита на скорость коррозии. Хотя электрохимический тест смог предоставить ценную количественную и химическую информацию для исследования коррозии [8], он не смог проследить топографическую эволюцию поверхности во время процесса коррозии.Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) предлагает изображения с высокой степенью восстановления с использованием целевого пучка электронов на поверхности образца, но он не может выполнять измерения на месте. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) [9,10] не является распространенным методом изучения коррозионного поведения, но использование этого метода для исследования коррозии на месте все чаще демонстрируется [11,12,13]. Этот AFM используется для исследования коррозии таким образом, что изменил традиционную технику наблюдения и анализа возникновения коррозии в широком диапазоне металлических материалов с различными коррозионными средами в высокоточных измерениях с реконструкцией в наномасштабе [13].Предыдущее исследование группы Альварес-Асенсио доказало, что использование атомно-силовой микроскопии (АСМ) для исследования коррозии низкоуглеродистой стали, содержащей 0,2% C и 21,2% Cr [14], является более эффективным и точным при построении изображений и картировании по сравнению с традиционными методами. Другое исследование коррозии, проведенное группой Янга, использовало АСМ для изучения возникновения пассивации в дуплексной нержавеющей стали, содержащей 0,5% C и 22,2% Cr [15].

Целью данного исследования является изучение влияния добавления небольшого количества Cr на коррозионное поведение двухфазной высокоуглеродистой стали.Используя АСМ на месте, было показано, что скорость коррозии остаточного аустенита в высокоуглеродистой стали была снижена за счет увеличения содержания Cr, что явно соответствует увеличению стабильности остаточного аустенита. Эти результаты показывают, что добавление небольшого количества хрома улучшает коррозионную стойкость высокоуглеродистой стали и снижает зависимость легирующих элементов при использовании этих марок стали в более агрессивной среде и открывает новые области применения.

3. Результаты и обсуждение

СЭМ-изображения микроструктуры трех различных образцов в том виде, в котором они были получены и после погружения в 0,1 М раствор NaCl в течение разного времени, суммированы на Рисунке 1. Из микроструктуры образцов в разное время важно отметить, что аустенитная фаза присоединяется к раствору вначале. Хотя все топографические изображения были отполированы до зеркального блеска и слегка протравлены, топографии поверхности были огрублены из-за фазовой дифференциации в агрессивных средах.Для каждого образца было выполнено увеличение ~ 5000 × в режиме вторичных электронов с низкой энергией (SE). Можно видеть, что когда t = 0 ч, различная форма, размер, ориентация и объемная доля каждой фазы были четко видны при микроструктурном анализе. Образец А имел группы аустенитных фаз с длиной и большей частью по размеру мартенситной фазы, так как он имел самое низкое содержание Cr и остаточный аустенит. С другой стороны, образец B был больше по форме, размеру и распределению остаточного аустенита (48–53%) с более узкими и более короткими мартенситными фазами.Кроме того, образец C имел блочную и прочную аустенитную фазу с меньшим разбросом более мелкой мартенситной фазы, поскольку она преобладала по значению содержания Cr. Различные явления произошли в результате воздействия микроструктур, которые различались по форме, размеру и распределению каждой фазы. Образец A показывает преимущественное воздействие на аустенитную фазу на Рисунке 1b. Это явление происходило до момента времени t = 2 ч на рисунке 1c, с небольшой деградацией мартенситной фазы на этой стадии. По сравнению с образцом B он показал аналогичное поведение из-за небольшого увеличения содержания Cr.Однако образец C был способен противостоять более сильному коррозионному воздействию, так как остаточный аустенит оставался почти неизменным с умеренным повреждением мартенситной фазы при t = 2 часа, как показано на рисунке 1i. Можно сказать, что добавление химического элемента Cr в небольшом количестве может привести к повышению стабильности фазы остаточного аустенита, а также к снижению зернограничной коррозии, которая произошла на границе раздела обеих фаз, вдоль и внутри нее. Сводная информация об эволюции микроструктуры в зависимости от времени процесса коррозии представлена ​​в Таблице 2 ниже.Дальнейшие исследования были проведены, чтобы доказать снижение скорости коррозии, поскольку увеличение Cr описано в потерях веса и электрохимических измерениях. Сравнение коррозионного поведения этих образцов было доказано на основе различных характеристик устойчивости и граничных структур остаточного аустенита, в котором блочные аустенитные зерна имеют более низкую граничную плотность [16]. Предыдущие исследования влияния размера двухфазного зерна на коррозионное поведение показали, что он не только снижает окисление железа, которое может привести к механизму реакции коррозии, но также снижает общую скорость коррозии [16].Дальнейшие данные из предыдущего исследования влияния добавления Cr на стабильность остаточного аустенита показали, что повышение критического процентного содержания Cr было достаточным для обеспечения значительного преимущества стабилизации аустенитной фазы без изменения присутствия легирующих элементов [6]. Как следствие, коррозионно-стойкие свойства высокоуглеродистой стали были улучшены по мере увеличения содержания Cr, с восстановлением формы, размера и распределения аустенитной фазы, что позволило улучшить стабильность аустенитной фазы и, следовательно, снизить коррозию границ зерен и скорость коррозии. .Исследование на месте проводилось с разрешением до наномасштаба для подтверждения доказательств с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ). Созданные трехмерные карты образцов из высокоуглеродистой стали непрерывно записывались для наблюдения за эволюцией поверхности в течение определенного периода времени. Весь рисунок 2 (i) соответствует первому сканированию (t = 0 мин) непосредственно перед тем, как он был приведен в контакт с раствором NaCl. Видны открытые царапины от полировки и двухфазная микроструктура в виде пиков и впадин, что означает, что на поверхность повлиял коррозионный раствор.Все Фиг.2 (ii) демонстрируют эпитаксиальный рост оксидных продуктов, которые занимают шероховатую поверхность; царапины на этом этапе были едва заметны. Кроме того, при t = 60 мин (5-е сканирование) на образце A можно наблюдать, что область сканирования была наложена на мартенситную фазу, в то время как образцы B и C имели плоскую поверхность (в виде мартенсита) с четким разделением (в виде зерна граница) и долина (в виде аустенита). Кроме того, плоская область считалась мартенситной фазой, поскольку большое число на шкале оси y приводило к перекрытию мелкомасштабной микроструктуры мартенсита.Чтобы доказать это явление, область увеличения трехмерных изображений была представлена ​​на рис. 2 (iii) на образцах B и C, как существующая корродированная кристаллическая структура мартенсита. АСМ способен записывать в реальном времени информацию об эволюции поверхности в процессе коррозии при наномасштабной реконструкции. Важно обеспечить анализ профиля строчной развертки, чтобы предотвратить искажение при наблюдении под определенными углами и цветами на трехмерных изображениях. Эволюция всех модификаций поверхности с сериями пиков и впадин под влиянием 0.1 M раствор NaCl представлен в виде профиля линейной развертки, как показано на рисунке 3. Преимущественное воздействие на аустенит на ранней стадии было связано с разной потенциальной энергией на границе зерен между границами раздела мартенсит-аустенит. Это явление можно увидеть, поскольку мартенсит оставался на более возвышенной поверхности, чем остаточный аустенит при t = 60 мин на протяжении всего конца эксперимента при t = 105 мин. Кроме того, это предпочтительное воздействие на микроструктуру аустенита было связано с различным содержанием Cr, которое влияло на форму, размер и распределение каждой границы раздела зерен.Другой аспект, который необходимо учитывать, – это возможное существование обедненной хромом зоны вдоль границ зерен мартенсит-аустенит, поскольку она имеет гораздо более низкую коррозионную стойкость, чем другие области [17]. Кроме того, локальное обеднение Cr обычно вызывается твердым осаждением осадка, обогащенного Cr, что может привести к потере коррозионно-стойких свойств [17]. При седьмом сканировании или t = 105 мин морфология всей поверхности образца оставалась незначительной, поскольку Скорость коррозии постепенно снижалась, поскольку Cr действовал, повышая стойкость к окислению, улучшая стабильность остаточного аустенита и уменьшая растворение атомов железа, которое вызвало механизмы коррозии.Мартенсит обладает более высокой твердостью, чем аустенит, но аустенит отвечает за коррозионную стойкость этой двухфазной высокоуглеродистой стали. Добавление небольшого количества Cr увеличило стабилизацию остаточного аустенита, улучшив общую коррозионную стойкость, а также увеличив высокую твердость мартенситной структуры [18]. Хотя углерод вряд ли будет рассматриваться с точки зрения коррозии, исследование доказало, что пересыщенный углерод в аустенитной структуре может обладать очень высокой твердостью, а также иметь благоприятные свойства для устойчивости к коррозии в двухфазной высокоуглеродистой стали [17, 19].Эффект добавления небольшого количества Cr снижает интенсивность коррозии границ зерен, тем самым улучшая стабильность остаточного аустенита, что соответственно снижает скорость коррозии. Другие влияния повышенного содержания Cr на остаточный аустенит обеспечивают более крупные и более прочные границы зерен и исключительное повышение их стабильности, что приводит к улучшению свойств коррозионной стойкости, поскольку скорость коррозии снижается [20]. Стабильность аустенитной структуры была улучшена, поскольку ее зернограничная плотность уменьшилась, а зернограничная структура стала существенной вдоль границ раздела мартенсит-аустенит [21].Последовательно, образец C имеет самую низкую энергию границы зерен рассогласования решеток, потому что добавление небольшого количества Cr вызвало повышение стабильности аустенита; следовательно, он имеет меньшую склонность к электрохимической реакции и распространению коррозии, чем образцы A и B.

На основании этих микроструктурных характеристик коррозия на границах зерен и распределение ямок роста были уменьшены в результате увеличения процентного содержания Cr и преимущественного повреждения одного из двойных образцов. За фазой высокоуглеродистой стали, аустенита, следовала мартенситная фаза.Погружение образца из двухфазной высокоуглеродистой стали в среду 0,1 М NaCl во время АСМ, выполненного на ранней стадии инициации коррозии, и непрерывного сканирования области предоставило оперативную информацию об изменениях поверхности в целевой области. Предполагая, что мартенсит не изменился в результате эволюции поверхности стали на ранней стадии, любые изменения шероховатости поверхности могут быть связаны с растворением и преимущественным разрушением аустенитной микроструктуры, а общие потери стали можно просто определить.

Полученный график был получен в результате анализа потери веса на высокоточных аналитических весах, и можно было определить скорость коррозии как функцию времени, представленную на рисунке 4. Эти ценные данные были скомпилированы и подогнаны к полиномиальному выражению второго порядка для получения функция скорости коррозии от ее первого дифференцирования. Быстрая потеря веса наблюдалась с первых двух часов процесса коррозии; по истечении этого времени скорость коррозии снизилась. Это было связано с тем, что аустенитная фаза начала корродировать, после чего последовало незначительное изменение мартенситной фазы, поскольку в стали было больше содержания Cr, что увеличивало стабильность остаточного аустенита; таким образом, потеря веса уменьшилась.

Каждый результат скорости коррозии был извлечен из спроектированного графика с использованием вывода полинома следующим образом:

Для образца A:

y = −0,0231×2 + 0,8232x + 1,0649y ′ = – 0,0462x + 0,8232

Для образца B:

y = −0,0133×2 + 0,5054x + 0,4302y ′ = – 0,0266x + 0,5054

Для образца C:

y = -0,0016×2 + 0,0585x + 0,0422y ′ = – 0,0032x + 0,0585

Эти результаты утверждали, что доказательства скорости коррозии чрезвычайно высоки в образце A, за ней следует средняя скорость в образце B и более низкая скорость в образце C, на которую влияет самый низкий процент Cr.Было высказано предположение, что интенсивность коррозии увеличивалась, особенно на границах границ зерен и вдоль них, поскольку объемная доля остаточного аустенита уменьшалась и микроструктура аустенита улучшалась. Скорость коррозии может быть получена из построенного графика средней потери веса в зависимости от времени и% / час; x относится к эволюции на поверхности образца с течением времени в часах. Скорость коррозии может быть определена с использованием других методов, основанных на законе Фарадея, независимо от корреляции потерь материалов с функцией времени [22] и электрохимических экспериментов, таких как потенциодинамические поляризационные кривые, что является очень эффективным инструментом анализа для испытаний на коррозию. .Механизм возникновения процесса инициирования питтинга как причины преимущественной атаки на одну из двухфазных структур широко известен как теория питтинга Хосе Родольво Гальвеле о разнонаправленной атаке [23]. Кроме того, концепция гласит, что по мере увеличения глубины ямы скорость коррозионного воздействия снижается; следовательно, это удовлетворено результатами этого исследования на месте с использованием АСМ в режиме прямой записи эволюции поверхности на двухфазных высокоуглеродистых сталях с помощью раствора NaCl в течение нескольких часов.Были предоставлены дополнительные доказательства, и было проведено исследование для подтверждения результатов скорости коррозии, которые были получены из анализа потери веса путем построения кривой поляризации Тафеля [24,25] с помощью прибора многоканального потенциостата, как показано на Рисунке 5 ниже: Экстраполяция кривых Тафеля представили комбинацию катодного наклона (левая сторона) и анодного наклона (правая сторона). Катодные кривые определялись контролем активации и выполнялись линейно в соответствии с зависимостью графика Тафеля, в то время как отклонение от анодных кривых способствовало пассивации, коррозии и деградации на поверхности анода образца [26,27,28,29,30, 31].Экстраполированные линии от каждой катодной и анодной тафелевских областей выстраивались параллельно, чтобы наилучшим образом соответствовать каждому линейному наклону. Точка пересечения между катодным и анодным током была объединена для определения плотности тока скорости коррозии (i corr ) и значений потенциала. Из этих потенциодинамических поляризационных кривых можно сделать вывод, что повышенное низкое количество Cr в двухфазных сталях улучшил стабильность остаточного аустенита, так как катодная и анодная кривые пересекались, уменьшая величины с точки зрения каждой плотности тока и потенциала, что означает снижение скорости коррозии.Кроме того, чтобы определить точный расчет проницаемости в миллиметрах в год (MPY) для каждого образца, который соответствует плотности тока скорости коррозии (i corr ) из графика, требуется расчет эквивалентного веса высокоуглеродистой стали (EW). на основе массового процента каждого отдельного элементного состава, который может быть определен по формуле [26,27] ниже:

Эквивалент Fe = вес.% × значение валентности Атомный вес

EW Fe = 100 Эквивалент Fe

Тогда проникновение в милы в год можно рассчитать по формуле [30,31]:

Проникновение в мил в год (MPY) = 0.13 × icorr × EWDensity

Все результаты представлены в таблице 3. Результаты MPY снизились с 4,857 до 2,954, поскольку свойства коррозионной стойкости высокоуглеродистой стали увеличились. По мере увеличения содержания Cr объемная доля остаточного аустенита увеличивалась, а его стабильность улучшалась, что сводило к минимуму коррозию границ зерен, поскольку перемещалось меньше атомов железа, что ускоряло реакцию коррозии, тем самым улучшая коррозионно-стойкие свойства.

5 Обычных легирующих элементов | Металлические супермаркеты

Легирующие элементы используются для изменения механических и химических свойств стали, что дает им преимущества по сравнению со стандартной углеродистой сталью.Хотя для достижения различных улучшенных свойств используется множество легирующих элементов, некоторые элементы встречаются гораздо чаще, чем другие. Это 5 распространенных легирующих элементов:

  1. Хром
  2. молибден
  3. Ванадий
  4. Марганец
  5. Никель

Хром

Хром

Хром, добавленный к углеродистой стали в процентах, обычно превышающих 11%, создает нержавеющую сталь. При этом процентном содержании и более коррозионная стойкость стали значительно увеличивается, а окисление железа предотвращается во многих условиях.Железо не окисляется, потому что сначала окисляется хром и образует защитный слой над сталью. Хром также помогает улучшить механические свойства, даже в небольших количествах. Это повысит прочность, твердость и способность стали подвергаться термообработке.

Обычные стали с высоким содержанием хрома включают нержавеющие стали марок 439, 309, 2205. Инструментальная сталь марки D2 также содержит значительное количество хрома.

молибден

Молибден

Молибден, как и хром, влияет на коррозионную стойкость стали.Молибден также может повысить прокаливаемость, ударную вязкость и предел прочности стали. Он увеличивает прокаливаемость за счет снижения требуемой скорости закалки в процессе термообработки для получения прочной и твердой стали. Молибден также может снизить риск точечной коррозии стали, поскольку он повышает стойкость к коррозии, вызванной хлоридом. Эквивалент сопротивления питтингу, или PRE, фактически рассчитывается путем умножения количества молибдена, хрома и никеля на коэффициенты, а затем сложения значений вместе.

Обычные марки стали с высоким содержанием молибдена – это инструментальные стали группы «А», мартенситностареющие стали, такие как марка 250, и многие нержавеющие стали.

Ванадий

Ванадий

Ванадий используется, чтобы контролировать размер зерна стали, делая его маленьким. Размер зерна остается небольшим, поскольку карбиды ванадия, образующиеся при добавлении ванадия в сталь, блокируют образование зерен. Это препятствует тому, чтобы зерна вырастали до таких размеров, какими они были бы без добавления ванадия.Эта более мелкозернистая структура помогает повысить пластичность. В некоторых сталях карбиды, образованные ванадием, могут повышать твердость и прочность стали.

Стальные сплавы с высоким содержанием ванадия включают инструментальные стали A3, A9, O1 и D2. Стали для лезвий, такие как M390 и VG 10, также содержат относительно высокое количество ванадия.

Марганец

Марганец

Марганец часто используется в сталях для облегчения процесса термообработки. Когда сталь нагревают и закаливают для увеличения твердости и прочности, закалка должна выполняться с высокой скоростью.Чем выше эта скорость, тем нестабильнее становится процесс. Марганец позволяет повысить твердость и прочность на такое же количество, но при более медленной скорости закалки. Это помогает снизить риск образования дефектов в процессе нагрева и закалки.

К сталям с высоким содержанием марганца относятся инструментальные стали A10, A4 и O2. 201 нержавеющая сталь также имеет относительно высокое количество марганца.

Никель

Никель

Никель используется для производства аустенитных нержавеющих сталей, поскольку он является промотором аустенита.Когда используется количество хрома около 18% или больше, а состав никеля превышает 8%, образуется аустенитная нержавеющая сталь. Эта комбинация чрезвычайно устойчива к коррозии, а аустенитные марки являются одними из наиболее широко используемых нержавеющих сталей. Никель также используется для улучшения механических свойств стали. Он используется для повышения ударной вязкости и ударной вязкости даже при более низких температурах.

К сталям с высоким содержанием никеля относятся все аустенитные нержавеющие стали.Легированные стали, такие как группы 23ХХ и 25ХХ, также содержат большое количество никеля.

Metal Supermarkets – крупнейший в мире поставщик мелкосерийного металла с более чем 85 обычными магазинами в США, Канаде и Великобритании. Мы эксперты по металлу и обеспечиваем качественное обслуживание клиентов и продукцию с 1985 года.

В Metal Supermarkets мы поставляем широкий ассортимент металлов для различных областей применения. В нашем ассортименте: нержавеющая сталь, легированная сталь, оцинкованная сталь, инструментальная сталь, алюминий, латунь, бронза и медь.

Наша горячекатаная и холоднокатаная сталь доступна в широком диапазоне форм, включая пруток, трубы, листы и пластины. Мы можем разрезать металл в точном соответствии с вашими требованиями.

Посетите одно из наших 80+ офисов в Северной Америке сегодня.

Влияние добавления хрома на текучесть, микроструктуру и механические свойства алюминиевого литого сплава lm6

Исследовательская статья

Влияние добавления хрома на текучесть, Микроструктура и механические свойства алюминиевого литого сплава ЛМ6

.

Ахмад R *

Кафедра производства и промышленной инженерии, Факультет машиностроения и машиностроения, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Batu Pahat, Джохор, Малайзия

* Автор, ответственный за переписку: Ahmad R , Департамент производства и промышленной инженерии, Факультет машиностроения и машиностроения, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Парит Раджа, Бату Пахат, Джохор, Малайзия, Телефон: +6074564103, Факс: +6074536080, Электронная почта: roslee @ uthm.edu.my

Поступила: 22.05.2018 г. Принято к печати: 26 мая 2018 г. Опубликован: 1 июня 2018 г.

Образец цитирования: Ахмад Р. Влияние добавления хрома на текучесть, микроструктуру и механические свойства литого алюминиевого сплава lm6. Int J Mater Sci Res. 2018; 1 (1): 32-35. DOI: 10.18689 / ijmsr-1000105

Авторское право: © 2018 Автор (ы). Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 Международная лицензия, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Скачать PDF

Аннотация

В данной статье исследуется влияние добавления Cr на микроструктуру, механические свойства и текучесть литого алюминиевого сплава (LM6). Наличие 0,05, 0,1 и 0,15 мас.% Cr добавляли в плавильную зелень и отливку LM6. Нет никакой связи между добавкой Cr и морфологией Si.Добавление Cr изменило интерметаллиды Fe до неправильной формы. Механические свойства, такие как прочность и твердость LM6 увеличивались с увеличением значения Cr. Β-фазы имеют наибольшее отношение поверхности к объему, следовательно, они имеют наибольшую межфазную область с расплавом и являются наиболее вредными интерметаллидами для текучести. Образование шлама и потребление Si и сдвиг местного химического состава расплава в сторону алюминия на фазовой диаграмме увеличиваются с добавлением Cr, который имеет более низкую текучесть, чем основной сплав.

Ключевые слова: Алюминиевые сплавы; Микроструктура; Сплав ЛМ6; Хромуим; Расплавленный металл.

Введение

Алюминиевые сплавы были основным материалом для конструктивных элементов авиационной и автомобильной промышленности примерно с 1930 года. Из-за их высокого отношения прочность к весу [1]. Отливки из алюминиевого сплава широко используются в автомобильной и авиакосмической промышленности и заменяют более тяжелую кованую сталь или чугун в более легких и более экономичных автомобилях.Производство бездефектных алюминиевых отливок становится все более важным. Алюминиевые сплавы широко используются из-за их высокого отношения прочности к весу, хорошей обрабатываемости, коррозионной стойкости, оптимальной обработки поверхности и высокой электрической и теплопроводности. Они характеризуются низким удельным весом, низкой температурой плавления, незначительной растворимостью газов (за исключением водорода), отличными литейными качествами и хорошей коррозионной стойкостью [2, 3]. Сплавы, содержащие 10-13 мас. % Si, эвтектические или близкие к эвтектическим составам имеют небольшой диапазон замерзания, и эта система сплавов широко используется в автомобильной промышленности для производства критических компонентов, таких как блоки двигателя, головки цилиндров, и эту группу сплавов иногда называют «поршневыми сплавами [3].Механические свойства отливки контролируются ее микроструктурой, на которую, в свою очередь, влияет химический состав сплава, а также наличие примесей, таких как железо, наличие дефектов литья (пористость, включения и т. Д.). В случае сплавов Al-Si это будет означать расстояние между ветвями дендритов a-Al (DAS), морфологию и размер эвтектических частиц Si, а также количество интерметаллидов и / или других составляющих второй фазы, присутствующих в микроструктуре. [4].Хром является одним из элементов, добавляемых к большинству групп Al-Mg-Si и Al-Mg-Zn, количество которого обычно не превышает 0,35% хрома для контроля структуры зерна, предотвращения роста зерна в сплавах Al-Mg и для предотвращения рекристаллизации в Al-Mg-Si во время термообработки или горячей обработки [5]. Известно, что хром усиливает коррозию и коррозионное растрескивание под напряжением сплавов на основе никеля в высокотемпературной воде. Chromuim может повысить твердость литого под давлением Al-9Si-Cu примерно на 8% путем добавления 0.057 до 0,15 мас.% [6]. Добавление Cr также проявляет поведение, подобное поведению Mn. О выделении α-фазы в виде крупных плотных частиц (шлама) в 339 сплавах, содержащих относительно высокое содержание Cr, сообщил Грейнджер [7]. Однако добавки Mn и Cr не значительно снижают вредное влияние Fe на вязкость разрушения, как сообщал Шабестари [8]. Ударная вязкость сплавов Al-Si в значительной степени определяется морфологией и размером частиц эвтектического Si, а также размером дендритов α-Al.Размер и морфология интерметаллических фаз, которые образуются в междендритных областях между алюминием и легирующими добавками, также оказывают сильное влияние на ударную вязкость Al-Si [9, 10]. Литейность / текучесть является важной характеристикой, поскольку она ограничивает толщину стенки, которую можно успешно заполнить. Количественно текучесть определяется путем измерения расстояния металла, протекающего через канал кристаллизатора с малым поперечным сечением. Спиральный тест широко используется, поскольку он компактен и портативен и, следовательно, может быть легко использован в литейном производстве [11].Образование шлама не только изменяет химический состав расплавленного металла, но также снижает литье расплавленного металла. Было показано, что образование шлама зависит от химического состава сплава, температуры плавления и выдержки, а также времени [6]. Гобрехт и Кэмпбелл [12] определили коэффициент осадка (SF) для сплавов Al – Si – Cu. Полезно определять содержание Fe, Mn и Cr, чтобы предотвратить образование осадка. Этот коэффициент рассчитывается по формуле, представленной в уравнении 1.

Очевидно, что Cr является наиболее вредным элементом для образования шлама, а также изменяет морфологию интерметаллических соединений.Основная цель этого исследования – изучить влияние добавления Cr на микроструктуру, механические свойства (ударную вязкость и твердость), и текучесть Al-Si (LM6).

Произведено экспериментально

Подготовка материалов

Слиток сплава LM6 с химическим составом, показанным в таблице 1, был выплавлен в качестве основного материала. Другой сплав был приготовлен, соответствующие добавкам 0,05, 0,1 и 0,15 мас.% Cr и расплавленные в тигле из SiC в электрической печи сопротивления.После плавления слитков в расплав добавляли точное количество Cr при 720 ° С. Стальной стержень с керамическим покрытием перемешивал расплав в течение пяти минут для обеспечения растворения и однородности Cr в расплаве. Температуру расплава определяли с помощью термопары К-типа. Температура заливки в форму из зеленого песка составляла 670 ° C.

Анализ микроструктуры

Образцы были закреплены в смоле и заземлены с помощью ряда все более мелкой бумаги SiC размером от 250 до 4000.Затем образцы подвергали окончательной полировке суспензией Struers Silica OPS 0,5 мкм до получения зеркально гладкой поверхности. Кроме того, для выявления структуры кремния использовалось обычное травление 5% -ным раствором HF. Растровый электронный микроскоп (SEM / EDS) использовался для получения изображений микроструктуры и определения химического состава образующихся интерметаллидов.

Механические свойства

После литья образцы были обработаны с приданием им желаемой формы и размеров в соответствии со стандартом ASTM для испытания на ударную вязкость по Шарпи с надрезом.В данном исследовании испытание на удар по Шарпи было проведено с использованием ударной испытательной машины Impact Tester MT3016, Wolpert. Геометрия и размеры ударного образца показаны на рис. 1. Приведенные значения ударной вязкости представляют собой среднее значение четырех показаний для каждого образца в настоящей работе. Для определения твердости каждого сплава были проведены обширные измерения твердости по Викеру. Образцы для испытаний на твердость были слегка отполированы с использованием бумаги SiC. Прибор для определения твердости по Викеру (Matsuzawa DVK-2) с приложенной нагрузкой 5 Н.Приведенные значения твердости представляют собой среднее значение пяти показаний для каждого образца.

Испытание на текучесть

Расплав (при 670 ° C) разливали в спиральные формы для литья из сырого песка. Текучесть измеряется длиной потока расплавленного металла в полости для трех отливок для каждой концентрации. Результаты по текучести были измерены как среднее из трех значений длины потока металла для каждого сплава.

Результаты и обсуждение

Микроструктура

Очевидно, что добавление Cr не оказывает значительного влияния на морфологию Si, как показано на рисунке 2, что связано с образованием фазы и модифицированной фазы Fe, а также уменьшения количества [13].Частицы Si имеют форму игольчатой ​​пластины / чешуек эвтектической кремниевой фазы основного сплава и сплава с конусом хрома. Аналогичный результат был получен Тимелли и Бонолло [6].

Хорошо известно, что Cr может быть добавлен в литейные сплавы Al-Si для повышения термостойкости материалов путем образования интерметаллических соединений с высокой термической стабильностью, таких как α-AlCrSi, α-Al (Cr, Fe) Si. , фазы α-Al (Fe, Mn, Cr) Si [14]. Как показано на рисунке 3а, интерметаллид β-AlFeSi отображается китайским шрифтом.Рисунок 3b показывает, что добавление Cr привело к образованию интерметаллида с β-AlFeSi в Al-Si-Cr-Mn-Fe-Cu, и морфология изменилась на полиэдрические и неправильные фазы. Аналогичный результат был получен со сплавом AlSi9Cu3 [14].

Механические свойства

Наблюдается очевидное увеличение энергии удара при добавлении Cr, как показано на рис. 4. На рис. 4 показано соотношение между средней поглощенной энергией разрушения и состоянием образцов в виде необработанных (базовый сплав 0 мас.% Cr) и обработанных сплавов с концентрацией добавки Cr.Базовый сплав получил 1,01 Дж, в то время как энергия непрерывно увеличивается с увеличением количества добавляемого Cr. Как наблюдали, энергия увеличивалась до 1,37 Дж с 0,05 мас.% Cr и продолжала увеличиваться до 1,62 Дж и 1,88 Дж с 0,1 и 0,15 мас.% Cr соответственно. Это улучшение энергии разрушения происходит благодаря модификации интерметаллических соединений. Согласно Шабестари [8], добавление Cr до 0,1 мас.% Cr необходимо для превращения всех вредных фаз железных пластинок, которые обычно имеют игольчатую форму, в звездообразные интерметаллиды.Острые кончики интерметаллидов Fe, имеющие форму иглы, действуют как концентраторы напряжений, в целом снижая пластичность и предел прочности при растяжении. С другой стороны, увеличение содержания Cr в основном сплаве приводит к более широкому распределению соединений по размерам. Следовательно, добавление Cr улучшает ударную вязкость за счет двух механизмов. Во-первых, устранение вредных β-интерметаллидов, а во-вторых, обеспечение микроструктуры с более распространенными частицами [14].

Как показано на рисунке 4, значение твердости LM6 увеличиваются с увеличением количества добавляемого Cr.Базовый сплав 0 мас.% получено 46 HV и увеличено до 56 HV с 0,05 мас.% Cr, при этом значение твердости незначительно увеличивается до 62 при высоком уровне Cr 0,15 мас.%. Такое поведение можно отнести к удельной площади интерметаллидов, которая увеличивается с увеличением содержания Cr [14, 15].

Испытание на текучесть

Длина текучести алюминия LM6 и добавки хрома показана в таблице 2. В спиральной форме время текучести заметно сокращается за счет добавления хрома.В то время как длина текучести сплава LM6 постепенно уменьшается с увеличением значения Cr с 130,45 см до 84,5 см. Основная причина этого снижения – образование осадка. Согласно уравнению фактора сегрегации (SF), образование осадка зависит от химического состава сплава и особенно от Cr [16, 17]. Шлам может выпадать в осадок в качестве первичной фазы и препятствовать текучести расплавленного металла. Фактор сегрегации (SF) полезен для определения содержания Fe, Mn и Cr, чтобы предотвратить образование осадка [14].Cr, очевидно, является наиболее вредным элементом для образования осадка. В соответствии с уравнением 1 и химическим составом образцов рассчитывается коэффициент образования осадка как для основного металла (LM6), так и для материала с добавкой Cr.

Зависимость текучести каждого сплава от коэффициента образования осадка представлена ​​на рисунке 5. В системе сплава Al-Si Cr изменяет морфологию интерметаллической фазы с β-интерметаллидов на безвредную полиэдрическую морфологию (α-интерметаллиды). Sf оказал значительное влияние на текучесть основного сплава, в то время как увеличение добавления Cr приведет к увеличению Sf, что привело к снижению текучести.Коэффициент осадка (Sf) обратно пропорционален длине текучести, базовый сплав получил более низкий Sf 1,65. и длина текучести 130,45 см и продолжающееся уменьшение длины с увеличением Sf, как показано с высоким содержанием Cr 0,15 мас.% при длине текучести 2,1 Sf и 84,5 см. На текучесть расплава влияют как морфология, так и объемный процент интерметаллидов. Β-фазы имеют наибольшее отношение поверхности к объему, следовательно, они имеют наибольшую межфазную область с расплавом и являются наиболее вредными интерметаллидами для снижения текучести.В хромсодержащих сплавах эффект α-фаза менее вредна для текучести, чем β-фаза [17].

Заключение

Влияние добавки Cr на механические свойства, исследованы микроструктура и текучесть алюминиевого сплава (ЛМ6). На основании результатов, полученных в настоящем исследовании, Добавление Cr повысило ударную вязкость алюминиевых сплавов (LM6). Механизмы этого увеличения энергии разрушения перечислены ниже:

Добавка Cr приводит к образованию соединения с β (AlFeSi) в фазу Al-Si-Mn-Cr-Fe-Cu в форме блоков, что улучшает морфологию фазы Fe.

Таким образом, добавление Cr улучшает механические свойства, такие как ударная вязкость и твердость, которые увеличиваются на 46,8% прочности и 37,9% твердости.

Увеличение включений или первичных интерметаллидов в расплаве снижает критическую твердую фракцию на кончике потока и, следовательно, сокращает время истечения и длину текучести.

Список литературы

  1. Джайн С. Коррозия и защита гетерогенных литых сплавов Al-Si (356) и Al-Si-Cu-Fe (380) с помощью ингибиторов хромата и церия.Государственный университет Огайо. 2006.