Высоколегированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов: Высоколегированные стали имеют суммарное содержание легирующих элементов

alexxlab | 03.09.1989 | 0 | Разное

Содержание

Laboratornaia rabota №5

Московский Энергетический Институт

(технический университет)

Кафедра Технологии Металлов

Лаборатория Металловедения

Лабораторная работа №5

МИКРОСТРУКТУРА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

Группа:

Студент:

Преподаватель:

К работе допущен:

Дата выполнения:

Работу сделал:

Работу сдал:

МОСКВА 2003

1. Определение понятия «легированная сталь»

Легированная сталь – это сталь, в которой помимо железа и углерода содержится специально введенные легирующие элементы (хром, ванадий, вольфрам, молибден, титан и др.), которые заметно изменяют свойства сталей.

Элементы

Cr

Ni

Mo

W

Ti

Zr

Mn

Cu

Al

N

Si

V

Русское обозначение

Х

Н

М

В

Т

Ц

Г

Д

Ю

А

С

Ф

2. Классификация легированных сталей (примеры)

  1. по назначению

  • Конструкционные: 40Х, 15ХСНД

  • Инструментальные: 7ХФ, Р6М5

  • Стали с особыми свойствами (теплоустойчивые, жаропрочные, нержавеющие и т.д.): ОТХ13, ОТХ18Т1

  • по степени легированности

    • низколегированные – суммарное содержание легирующих элементов меньше 2,5%

    • среднелегированные – суммарное содержание легирующих компонентов от 2,5% до 10%

    • высоколегированные – суммарное содержание легирующих элементов более 10%

  • по числу компонентов

  • по микроструктуре после нормализации

    Нормализация – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше критической температуры (А3) и последующем медленном охлаждении.

      • Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита сталей перлитного класса. При охлаждении происходит распад аустенита с образованием смеси феррита и цементита. Это низколегированные стали.

      • Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита сталей мартенситного класса. При охлаждении происходит превращение аустенита в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. К этому классу обычно относятся среднелегированные стали, которые после нормализации имеют структуру мартенсита.

      • Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита сталей аустенитного класса. При охлаждении происходит образование зерен легированного аустенита. К аустентному классу относятся высоколегированные стали.

      • Карбидный (ледобуридный) класс – содержание углерода больше 0,7%, присутствует хром, молибден, вольфрам, ванадий. В структуре стали присутствует ледобуридная эвтектика, которая состоит из перлита и карбида.

      • Ферритный класс – характерно низкое содержание углерода и большое наличие легирующих элементов (хром, кремний, вольфрам и т.д.), которые расширяют область α-железа на диаграмме состояния. Это незакаливающаяся сталь, т.к.не происходит никаких превращений при ее нагреве.

      3. Марки и классы сталей и их структура после окончания термической обработки.

      Марка стали

      Состояние сплава

      Микроструктура

      Класс стали

      3,1

      15ХМ

      Нормализация

      П+Ф

      Перлитный

      3,2

      18ХН4ВА

      Нормализация

      Мартенсит игольчатый

      Мартенситный

      3,3

      12Х18НЮТ

      Нормализация

      Аустенит с двостками скольжения

      Аустенитный

      3,4

      Р18 – хромовольфрамованадиевая

      Литая

      Тростит, остаточный А, карбидосложные

      Ледебуридный (карбидный)

      3,5

      Р18 – хромовольфрамованадиевая

      Кованная: закалка – 1260°С, отпуск- 560°С

      Мартенсит отпуска, карбиды раздробленные

      Карбидный

      3,6

      Э4 (электротехническая)

      отжиг

      феррит

      ферритный

      4. Выводы по работе

    1. Классификация сталей – Сварка металлов


      Классификация сталей

      Категория:

      Сварка металлов



      Классификация сталей

      Низкоуглеродистые стали хорошо свариваются любыми методами сварки. Сварка сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей обычно сопряжена с некоторыми дополнительными трудностями по сравнению со сваркой низкоуглеродистых сталей. Эти дополнительные трудности выражаются в явлениях закалки с повышением твердости и снижением пластичности, в образовании трещин, в недопустимых изменениях химического состава и физических свойств металла в зоне сварки.

      К низкоуглеродистым сталям в сварочной технике обычно относят стали с содержанием углерода не свыше 0,25% при умеренном содержании марганца (не свыше 0,9%) и кремния (не свыше 0,4%). К углеродистым относят стали с содержанием свыше 0,25% С при умеренном содержании легирующих элементов. Легированные, или специальные стали содержат специальные легирующие элементы, например хром, вольфрам, никель, молибден, не вводимые в углеродистые стали, или же увеличенные количества марганца и кремния, содержащиеся и в углеродистых сталях.

      В низколегированных сталях содержание легирующих элементов не превышает 5 % содержание углерода, как правило незначительно и примерно соответствует содержанию его в низкоуглеродистых сталях. Низколегированные стали применяются преимущественно как конструкционные стали повышенной прочности. В средне-легированных сталях суммарное содержание легирующих элементов 5—10%. В высоколегированных сталях содержание легирующих элементов может доходить до 20—30% и более. Содержание углерода может меняться в широких пределах. Высоколегированные стали часто обладают особыми физическими свойствами, определяющими применение этих сталей.

      О сталях, сваривающихся хорошо, дающих качественное сварное соединение при нормальных приемах сварки, говорят, что они обладают хорошей свариваемостью. О сталях же, которые могут быть удовлетворительно сварены лишь с использованием сложных технических приемов, говорят, что они обладают плохой свариваемостью. На свариваемость, помимо химического состава стали, влияет ее структура, способ получения, термическая и механическая обработка, которую сталь прошла перед сваркой, и т. д. Для оценки свариваемости сталей в различных отраслях промышленности существуют различные пробы на свариваемость. Образец сваривают определенным образом в особо жестких условиях и затем обследуют на трещины, на твердость металла зоны влияния и т. д.

      Пробы на свариваемость имеют весьма условный характер и дают разные результаты для различных методов сварки, различных толщин металла и т. д., поэтому и не существует единой общепринятой пробы на свариваемость, и имеются отдельные пробы, пригодные лишь для определенных производств. Любая оценка свариваемости стали имеет условный характер, и по мере развития сварочной техники многие стали из плохо сваривающихся становятся хорошо сваривающимися. Классификация легированных сталей по химическому составу затруднительна как по разнообразию и сложности применяемых составов, часто включающих три, четыре и более легирующих элементов, так и вследствие того, что стали с примерно одинаковыми физическими свойствами часто имеют различный химический состав. Для оценки свариваемости легированных сталей в большинстве случаев удобнее классифицировать их по структуре в нормализованном состоянии. По этому признаку стали могут быть разделены на пять основных классов: 1) перлитные, 2) мартенситные, 3) аустенитные, 4) карбидные, 5) ферритные. Существуют, кроме того, переходные и промежуточные типы сталей, по в общем деление легированных сталей на классы по указанной схеме оказывается полезным для °Ценки их свариваемости.

      Сталью называется сплав железа с углеродом, содержащий менее 2% углерода.

      По назначению стали разделяются на следующие группы: конструкционные, которые используются в машиностроении, строительстве, судостроении и т.490 МПа и относительным удлинением 6=23-г-26%. В качестве примера углеродистой качественной стали можно назвать сталь 20, содержащую 0,17—0,24% С, 0,35— 0,65% Мп, 0,17—0,37% Si, с пределом прочности ов =420 МПа и относительным удлинением 6=26%.

      Легированными называются стали, содержащие специально введенные элементы для придания стали определенных свойств и структуры.

      В зависимости от содержания легирующих элементов легированные конструкционные стали разделяют на следующие группы: – низколегированные, в которых содержание одного легирующего элемента не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих элементов менее 2,5—4%; – среднелегированные, в которых содержание одного легирующего элемента составляет 2—5%, при суммарном содержании 2,5—10%; – высоколегированные, в которых содержание легирующих элементов составляет более 10%.

      По назначению различают легированные стали: – конструкционные повышенной прочности, жаропрочные, жаростойкие, коррозийностойкие.

      В зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов различают стали марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемар-ганцевые, хромоникелевые и.т. д.

      По содержанию углерода легированные стали, как и углеродистые, могут быть низко-, средне- и высокоуглеродистыми. В зависимости от структуры сталей после охлаждения на воздухе с высоких температур различают стали перлитного, ферритного, аустенитного, мартенситного, карбидного и промежуточных классов.


      Реклама:

      Читать далее:
      Свариваемость сталей

      Статьи по теме:

      Классификация сталей — Немного о ремонте и строительстве

      Низкоуглеродистые стали прекрасно свариваются любыми способами сварки. Сварка сталей с повышенным содержанием углерода и легированных сталей в большинстве случаев сопряжена с некоторыми дополнительными трудностями по сравнению со сваркой низкоуглеродистых сталей.

      Эти дополнительные трудности выражаются в явлениях закалки с снижением пластичности и повышением твёрдости, в образовании трещин, в недопустимых трансформациях физических свойств и химического состава металла в зоне сварки.

      К низкоуглеродистым сталям в сварочной технике в большинстве случаев относят стали с содержанием углерода не более чем 0,25% при умеренном содержании марганца (не более чем 0,9%) и кремния (не более чем 0,4%). К углеродистым относят стали с содержанием более чем 0,25% С при умеренном содержании легирующих элементов.

      Легированные, либо особые стали содержат особые легирующие элементы, к примеру хром, вольфрам, никель, молибден, не вводимые в углеродистые стали, либо же увеличенные количества кремния и марганца, содержащиеся и в углеродистых сталях.

      В низколегированных сталях содержание легирующих элементов не превышает 5 % содержание углерода, в большинстве случаев незначительно и приблизительно соответствует содержанию его в низкоуглеродистых сталях. Низколегированные стали используются в основном как конструкционные стали повышенной прочности.

      В средне-легированных сталях суммарное содержание легирующих элементов 5—10%. В высоколегированных сталях содержание легирующих элементов может доходить до 20—30% и более. Содержание углерода может изменяться в широких пределах.

      Высоколегированные стали довольно часто владеют особенными физическими особенностями, определяющими использование этих сталей.

      О сталях, сваривающихся прекрасно, дающих качественное сварное соединение при обычных приемах сварки, говорят, что они владеют хорошей свариваемостью. О сталях же, каковые смогут быть удовлетворительно сварены только с применением сложных технических приемов, говорят, что они владеют нехорошей свариваемостью.

      На свариваемость, кроме состава стали, воздействует ее структура, метод получения, термическая и механическая обработка, которую сталь прошла перед сваркой, и т. д. Для оценки свариваемости сталей в разных отраслях индустрии существуют разные пробы на свариваемость. Пример сваривают в некотором роде в очень твёрдых условиях и после этого обследуют на трещины, на твердость металла территории влияния и т. д.

      Пробы на свариваемость имеют очень условный темперамент и дают различные результаты для разных способов сварки, разных толщин металла и т. д., исходя из этого и не существует единой общепринятой пробы на свариваемость, и имеются отдельные пробы, пригодные только для определенных производств. Каждая оценка свариваемости стали имеет условный темперамент, и по мере развития сварочной техники многие стали из не хорошо сваривающихся становятся прекрасно сваривающимися.

      Классификация легированных сталей по составу затруднительна как по сложности и разнообразию используемых составов, довольно часто включающих три, четыре и более легирующих элементов, так и потому, что стали с приблизительно однообразными физическими особенностями довольно часто имеют разный состав. Для оценки свариваемости легированных сталей как правило эргономичнее классифицировать их по структуре в нормализованном состоянии.

      По этому показателю стали смогут быть поделены на пять главных классов: 1) перлитные, 2) мартенситные, 3) аустенитные, 4) карбидные, 5) ферритные. Существуют, помимо этого, переходные и промежуточные типы сталей, по в общем деление легированных сталей на классы по указанной схеме выясняется нужным для °Ценки их свариваемости.490 МПа и относительным удлинением 6=23-г-26%. Как пример углеродистой качественной стали возможно назвать сталь 20, содержащую 0,17—0,24% С, 0,35— 0,65% Мп, 0,17—0,37% Si, с пределом прочности ов =420 МПа и относительным удлинением 6=26%.

      Легированными именуются стали, которые содержат намерено введенные элементы для придания стали определенных структуры и свойств.

      В зависимости от содержания легирующих элементов легированные конструкционные стали разделяют на следующие группы: – низколегированные, в которых содержание одного легирующего элемента не превышает 2%, а суммарное содержание легирующих элементов менее 2,5—4%; – среднелегированные, в которых содержание одного легирующего элемента образовывает 2—5%, при суммарном содержании 2,5—10%; – высоколегированные, в которых содержание легирующих элементов образовывает более 10%.

      По назначению различают легированные стали: – конструкционные повышенной прочности, жаропрочные, жаростойкие, коррозийностойкие.

      В зависимости от вводимых в сталь легирующих элементов различают стали марганцевые, кремнемарганцевые, хромокремнемар-ганцевые, хромоникелевые и.т. д.

      По содержанию углерода легированные стали, как и углеродистые, смогут быть низко-, средне- и высокоуглеродистыми. В зависимости от структуры сталей по окончании охлаждения на воздухе с больших температур различают стали перлитного, ферритного, аустенитного, мартенситного, карбидного и промежуточных классов.

      Лекция. чугуны и Углеродистые стали.


      Вы прочитали статью, но не прочитали журнал…

      Реферат по вопросам Инструментальные легированные стали. Маркировка инструментальных легированных сталей. Алмазная сталь


      С этим файлом связано 6 файл(ов). Среди них: Okonchtelno9.docx, Okonchtelno9.docx, Отчёт 7 лабораторка.docx, otchet_po_fizike_Domin_laba_6_optika__kopia.doc, Проект.docx, Most_Uitstona (1).docx.
      Показать все связанные файлы
      Подборка по базе: биоэтика реферат 1.docx, менедж реферат Задание к теме 4.docx, Чингиз Айтматов реферат.docx, Темы рефератов по Основам Защиты Информации (1).docx, 1КП реферат.docx, Гестоз Реферат Шамгулова Д.docx, ЭиУ-11, Насретдинова Динара, реферат по физ.культуре (1).docx, Титульный лист для реферата.docx, экоеномика реферат про рейтинг.docx, БУХ.ОТЧЕТ РЕФЕРАТ.docx

      Балтийский Государственный Технический Университет

      «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова
      Реферат по вопросам:

      Инструментальные легированные стали. Маркировка инструментальных легированных сталей. Алмазная сталь.
      Подготовила: КОЛИКОВ ИВАН

      Группа: ЗЕ491

      Проверил: Киреев О.Л.

      БГТУ Военмех им. Д. Ф. Устинова

      Дата: «___»______2021 г.
      Санкт-Петербург

      2021 г.

      Содержание


      Список литературы 13

      Введение

      Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами.

      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.

      Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механических свойств, называется легированной. Содержание некоторых элементов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) – 0,5%; марганца (Мп) – 0,8%; хрома (Сг) 0,3%; никеля (Ni) – 0,3%; меди (Си) -0,3%

      Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне-, и высоколегированные


      1. Легированные стали  

      .1 Определение

      Элементы, специально вводимые в сталь в определенных концентрациях с целью изменения ее строения и свойств, называются легирующими элементами, а стали – легированными. Легирующие элементы изменяют механические (прочность, пластичность), физические, эксплуатационные и химические свойства стали. В конструкционных сталях, которые мы будем рассматривать далее, легирование осуществляют с целью улучшения механических свойств – прочности, пластичности и т.д. Нужный комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура.

      Как правило, легирующие элементы существенно повышают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

      Легирующие элементы в стали по-разному взаимодействуют с железом и углеродом. Они образуют с железом как γ-, так и α – твердые растворы различной концентрации, то есть они могут входить в состав аустенита и феррита, упрочняя их. При этом легирующие элементы оказывают различное влияние на устойчивость аустенита: одни расширяют этот интервал (например, никель) и при достаточном содержании делают аустенит устойчивым даже при комнатной температуре. Такие стали называют аустенитными. Другие (например, хром), наоборот уменьшают устойчивость γ-железа и могут совсем устранить аустенитное превращение; при достаточном содержании таких элементов(например более 13% хрома), γ -железа не существует при всех температурах, вплоть до плавления, и сталь остается ферритной. Аустенитные и ферритные стали закалки не принимают, так как они не имеют практически фазовых превращений в твердом состоянии.

      По отношению к углероду легирующие элементы разделяются на две группы: ) элементы, образующие с углеродом устойчивые химические соединения – карбиды (хром, марганец, вольфрам, ванадий, титан, молибден) ) элементы, не образующие в стали карбидов и входящие в твердый раствор – феррит (никель, кремний, кобальт, алюминий, медь). Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах.

      Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия и других элементов более 0,1-0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, марганец или кремний, а их количество должно превышать 1 %. Существует несколько классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учетом ее свойств. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству и по назначению.  
      .2 Классификация легированной стали

      Классификация по структуре в отожженном состоянии.

      По структуре в отожженном состоянии стали делят на доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные и ледебуритные. К ледебуритному классу относятся стали с большим содержанием углерода и карбидообразующих элементов, в результате чего в их структуре имеются первичные карбиды – легированный ледебурит. Ледебуритная сталь, по существу, является хромовым белым чугуном, но хром настолько улучшает его свойства, что он удовлетворительно куется и в производстве заменяет сталь. На рис.1(см.приложение) приведена структурная диаграмма отожженной хромовой стали в зависимости от содержания углерода и хрома. Концентрация легированного эвтектоида для стали с различным содержанием хрома характеризуется линией I, а предельная концентрация углерода в легированной аустените линией II. Доэвтектоидная сталь состоит из легированного перлита и избыточного легированного феррита, заэвтектоидная – из легированного перлита и карбидов, а ледебуритная – из легированных ледебурита, перлита и карбидов. На диаграмме также указана область ферритной стали, полученной при большом содержании хрома и малом содержании углерода.
      Классификация стали по структуре в нормальном состоянии.

      По структуре после охлаждения на воздухе легированные стали разделяют на три основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный. Ранее было отмечено, что легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита в перлитной области и понижают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одинаковой скорости охлаждения до комнатных температур при разном содержании легирующих элементов и углерода получаются различные структуры. При меньшем содержании никеля и углерода мартенситная точка на диаграмме выше, так как мартенситное превращение проходит при более высокой температуре; охлажденная на воздухе до комнатной температуры сталь принимает структуру мартенсита. При небольшом содержании никеля и углерода скорость охлаждения на воздухе оказывается меньше критической скорости закалки и сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, имеет структуру троостита, сорбита и перлита. Заштрихованные участки диаграммы указывают состав стали, занимающий положение промежуточных классов: перлитно-мартенситного и мартенситно-аустенитного.

      .3 Маркировка легированной стали

      Для обозначения легирующих элементов приняты следующие буквы: Х- хром, Н – никель, Г – марганец, С – кремний, В – вольфрам, М -молибден, Ф – ванадий, К -кобальт, Т – титан, Ю – алюминий, Д – медь, П – фосфор, Р – бор, Б – ниобий, А -азот, Е – селен, Ц – цирконий. Марка стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы – наличие соответствующих элементов, а цифры, следующие за буквами, – процентное содержание этих компонентов в стали. Если после какой-то буквы отсутствует цифра, то это значит, что сталь содержит данный элемент в количестве до 1,5 %., например, марка 35Х обозначает хромовую сталь, содержащую около 0,35% С и до 1,5 % Сr, марка 45Г2 обозначает марганцевую сталь, содержащую около 0,45%С и около 0,3%С, до 1,5% Сr и около 3%Ni и т.д. Нестандартные стали обозначают различным образом. Наиболее часто встречается обозначение буквами ЭИ и ЭП и номером. Такая маркировка показывает, что сталь выплавлена на заводе “Электросталь” (буква Э), сталь исследовательская (буква И) или пробная (буква П). Состав таких сталей приведен в справочниках (Ш – шарикоподшипниковая, Б – быстрорежущая, Е – магнитотвердая). Для обозначения высококачественной легированной стали в конце маркировки добавляют букву А, например, 30ХГСА, для обозначения особо высококачественной стали – букву Ш (через дефис), например30ХГС-Ш. Качественная легированная сталь содержит серы более 0,035%, высококачественная – не более 0, 025%, особо высококачественная – не более 0,015%. Для стали инструментальной легированной порядок маркировки по легирующим компонентам тот же, что и для конструкционной, но количество углерода указывается первой цифрой в десятых. Если цифра отсутствует, то сталь содержит около или более 1% углерода.  

      Дефекты легированных сталей

      Кроме дефектов, характерных для углеродистых сталей, в легированных сталях проявляются и специфические дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода.

      Дендритная ликвация. Наличие легирующих элементов увеличивает температурный интервал кристаллизации. Кроме того, диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленно. В результате увеличивается склонность таких сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Устраняется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

      Флокены. Как уже отмечалось, газы оказывают различное влияние газов на свойства сталей, указывалось на их нежелательное присутствие, так как свойства сталей ухудшаются, например, возникает один из дефектов легированных сталей-флокены (трещины, которые можно выявить при макротравлении).

      На изломах флокены имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся поверхностью трещин. Установлено, что флокены образуются при быстром охлаждении металла от 200 °С после ковки или прокатки вследствие присутствия в металле водорода, растворившегося в жидком металле при плавке. Выделяясь в деформированной стали из твердого раствора, он вызывает сильные внутренние напряжения, приводящие к образованию флокенов. Флокены чаще образуются в конструкционных сталях, содержащих хром и никель. Для предупреждения их образования после горячей пластической деформации металл в области 250-200 °С охлаждают медленно или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали.  
      1.5 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

      Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900°С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов; .

      перлитный; .

      мартенситный; .

      аустенитный; .

      ферритный; .

      карбидный,

      По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в интервале температур перлитного превращения возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается.

      Это схематично отражено на диаграмме распада аустенита (рис.1)

      Рис.1. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трёх классов (схема).

      В зависимости от содержания легирующих элементов и углерода при заданной скорости охлаждения (на воздухе) можно получить разную структуру. Стали перлитного класса характеризуются небольшим содержанием легирующих элементов (менее 5…7%). Для них, как и для углеродистых сталей, кривая скорости охлаждения при нормализации будет пересекать С-кривые перлитного распада.

      Следовательно, будут получаться структуры перлитного типа: перлит, сорбит, тростит. Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7… 15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу.

      Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 055 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита.

      Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость.

      При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру. Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5% кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур. К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродистые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении на в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

      Микроструктура сталей различных классов в нормализованном состоянии показана на рис.2.

      Риc. 2. Микроструктуры сталей различных классов в нормализованном состоянии, увеличение 100: а) перлит и феррит;

      б) мартенсит игольчатый;

      в) аустенит;

      г) феррит;

      д) бесструктурный мартенсит и карбиды.

      Рассмотренная классификация легированных сталей условна и относится к случаю охлаждения на воздухе образцов небольших сечений. Меняя условия охлаждения можно в одной и той же стали получать различные структуры и свойства.  

      6 Свойства и применение легированных сталей

      По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость. Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением.

      Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит, сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок. Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5…0,65 %С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность. К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5 %). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.

      Заключение

      Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.

      Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% – к легированным, и более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%). Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении – легированные стали. Легирующие элементы могут растворяться в феррите, аустените., цементите, образовывать специальные карбиды (карбиды легирующих элементов в отличии от карбида железа) или интерметаллидные соединения с железом и между собой, например, FeCr, FeV и т.д.

      Растворяясь в аустените или феррите, легирующие элементы упрочняют эти фазы, делают их более устойчивыми против распада при нагреве и охлаждении, изменяя температуры фазовых превращений и структуру сталей.

      Легированная сталь обладает ценнейшими свойствами, которых нет у углеродистой стали, и не имеет ее недостатков. Применение легированной стали повышает долговечность изделий, экономит металл, увеличивает производительность, упрощает проектирование и потому в прогрессивной технике приобретает решающее значение.

      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.  

      Список литературы

      1.      Технология металлов и конструирование материалы. В.М. Никифоров, Москва, 2008, Изд. “Высшая школа”. .        Гуляев А.П. Металловедение. .        Матюнин В.М. Карпман М.Г., Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов – Высшая школа Год: 2002 .        Фетисов Г.П. Материаловедение и технология металлов – Высшая школа, 2000 .        Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева «Материаловедение» «Технология металлов и материаловедение» под редакцией к.т.н. Л.Ф.Усовой.2004 .        Гуляев А.П. Металловедение.2006 .        Лахтин Ю.М. Материаловедение.2009 8.      Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М., 2000. .        Антикайн П.А. Металловедение. М., 2002. 11.    Технология металлов и сварка. Под ред. П.И. Полухина. М. Высшая школа. 2007. .        Строительные материалы. А.Г. Домокеев. М. Высшая школа. 2009 .        Большая советская энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М. изд. «Советская энциклопедия». 2004. .        Технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов. /Под ред. А.М. Дальского – М.: Машиностроение, 2004 .        Лахтин Ю.М., Леонтьева В.В. Материаловедение. Учебник для ВУЗов. – М.: 2000 .        Жадан В.Т., Гринберг Б.Г., Никонов В.В. Технология металлов и других конструкционных материалов. – М.: 2000 .        Лахтин Ю.М. Основы металловедения. – М.:2008 .        Евсеев Г.Б., Глизмененко Д.А. «Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов». М.: Машгиз, 2000. – 312с. .        Гельман А.С. «Основы сварки давленим». М.: Машиносроение, 2009. – 312 с. .        Лашко Н.С., Лашко С.В. Вопросы теории и технологии пайки. М.: Машгиз, 2005. – 328 с. .        Молодык Н. В., Зенкин А.С., Сварка деталей машин. Справочник. – М.: Машиностроение, 2009. – 480 с.: ил. .        Никифоров Н.И., Нешумова С.П., Антонов И.А. «Справочник газосварщика и газорезчика» М. «Академия», 2009. .        Николаев Г. А., Винокуров В. А., Сварные конструкции. Справочник технолога: Учебн. для вузов/Под ред. Г. А. Николаева. – М: Высш. шк., 2000. – 446с.: ил. .        Ольшанский Н.А., Николаев Г.А. «Специальные методы сварки». М.:Машиностроение, 2005. – 232 с. .        Соколов И.И. «Газовая сварка и резка металлов», М. «Высшая школа», 2001. .        Справочник по сварке. Т. I-IV. М.: Машгиз. 2000. – 416 стр. .        Теоретические основы сварки. М.: Высшая школа, 2009. 592с. .        Ширшов И.Г., Котиков В.Н. «Плазменная резка», М. «Машиностроение», 2009.

      КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ

      К специальным относятся, в первую очередь, высоколегированные стали, обладающие рядом специфических свойств: высокой жаростойкостью жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хладостойкостью т.п. К высоколегированным сталям относят сплавы, содержащие более 45% железа, суммар­ное количество легирующих элементов в которых составляет не менее 10% при содержании одного из элементов не менее 8%. Если суммарное содержание легирующих элементов в материале более 50% – материал называется уже не сталь, а сплав.

      КЛАССИФИКАЦИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ И НАЗНАЧЕНИЯ. В зависимости от основных свойств и назначения высоколегированные стали подразделяют на следующие группы:

      1. коррозионно-стойкие, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (влаж­ной атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.), в том числе против межкристаллитной коррозии под напряжением, питтинговой (точечной) коррозии и др.;

      2. жаростойкие (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения(коррозии) их поверхности в газовых средах (в том числе в сухой воздушной атмосфере) при температу­рах выше 550° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;

      3. жаропрочные, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного гарантированного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

      Все эти стали, как правило, коррозионностойки в атмосферных условиях, поэтому их часто на­зывают общим названием — нержавеющие.

      4. Самостоятельную группу, хотя и не предусмотренную стандартом, составляют хладостойкие высоколегированные стали и сплавы, сохраняющие на протяжении ограниченно или неограниченно длительного времени под напряжением достаточную пластичность и вязкость при температурах вплоть до – 269° С.

      ПРИМЕРЫ.

      Группу собственно нержавеющих в атмосферных условиях составляют стали, содержащие свыше 10% хрома. К коррозионностойким в различных агрессивных средах относятся стали, содержащие 15% и более хрома.

      Жаростойкими до температуры 900° С являются нержавеющие стали марок 12X17, 08X17Т, 15Х18СЮ; до температуры 1100° С — 15Х25Т, 15X28, 20Х25Н20С2 и другие; до температуры 1300° С — 15Х25Ю5 и др.

      Жаропрочными при температурах до +565 …+ 610° С являются стали с содержанием 11—12,5% хрома, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием; при температурах до 650° С — хромоникелевые стали типа 18-9 и 18-10, стабилизированные титаном; до 800° С — хромоникельмолибденовые аустенитные стали, сталь 15Х14Н14В2М и др.

      Весьма перспективными коррозионностойким и хладостойкими являются стали с низким со­держанием углерода и дополнительно легированные азотом (08Х21Н5АГ7 и др.). Последний целесооб­разно использовать как для частичной замены никеля, так и для повышения прочностных характери­стик стали. Как будет показано дальше, перспективность таких сталей с низким содержанием углерода и наличием азота основана на лучшей свариваемости и более высокой коррозионной стойкости.

      КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ.

      В зависимости от структуры, определяемой химическим составом, получаемой при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, высоколегированные стали подразделяют на следую­щие классы:

      1. мартенситный — стали с основной структурой мартенсита;

      2. мартенситно-ферритный — стали, содержащие в структуре, кроме мартенсита, не менее 5% феррита;

      3. ферритный — стали имеющие структуру феррита, не претерпевающие превращений;

      4. аустенитно-мартенситный — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широких пределах;

      5. аустенитно-ферритный (или ферритно-аустенитный) — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и феррита, количество последнего в которых составляет более 10%;

      6. аустенитный — стали, имеющие преимущественно однофазную аустенитную структуру.

      Отметим, что большинство выпускаемых отечественных аустенитно-ферритных сталей, кроме марки 08Х23Н1З и опытной перспективной 06Х21АН5 (и ей подобных), содержат 40% и более ферри­та, поэтому их правильнее называть ферритно-аустенитными в отличие от аустенитно-ферритных ста­лей зарубежных марок и сварных швов, содержащих от 3 до 20% феррита.

      КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ.

      По составу различают стали:

      1. хромистые,

      2. хромоникелевые,

      3. хромомарганцевые,

      4. хромоникельмарганцевые,

      5. перечисленные стали, дополнительно легированные азотом (сталь 08Х21Н5АГ7и т.п.), а также с добавками специальных легирующих элементов (молибдена, вольфрама и др.)и карбидообразующих (титана, ниобия, тантала), играющих роль стабилизаторов структуры и свойств(сталь 08Х18Н11М3Б, сталь 10Х17Н13М2Т и т.п.).

      Основные виды сталей по данной классификации приведены в таблице 1 с учетом условных обозначений легирующих элементов в марках сталей и сплавов (см табл. 2).

      Таблица 1. ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ СТАЛЕЙ НА ТИПЫ, КЛАССЫ

      Тип, класс стали Марка стали
      Углеродистый Ст.3, 10. 20, 15К, 16К, 18К, 20К, 22К, 20ЮЧ
      Низколегированный марганцовистый, марганцово-кремнистый 16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 10Г2СФ, 09Г2. 10Г2С1, 10Г2, 10Г2С1Д, 09Г2СЮЧ, 16ГМЮЧ, 09Г2СФБ
      Мартенситный* 15X5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ, 20Х13, Х9М, 12X13
      Ферритный 08X13, 08Х17Т, 15Х25Т
      Аустенитно-ферритный 08Х22Н6Т, 12X21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ
      Аустенитный 10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т, 08X18h22Б, 10XI7h23M2T, 08Х17Н15МЗТ, 03Х17Н14М3, 12Х18Н12Т, 02Х18Н11, 02Х8Н22С6, 0ЗХ19АГЗН10Т, 07ХГ3АГ20, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 03X21Н21М4ГБ
      Сплавы на железо-никелевой и никелевой основе 06Х28МДТ, 0ЗХ28МДТ, ХН32Т
      Низколегированный хромомолибденовый хромомолибденованадиевый 12МХ, 12ХМ, 15ЧМ, 10Х2М1, 10Х2Г3М. 12Х1МФ, 10Х2М1ФБ, 15Х2МФА, 18Х2МФА, 25Х2МФА, 25Х3МФА

      * Стали указанного типа и класса склонны к подкалке.

      Таблица 2. Условные обозначения основных легирующих элементов в марках легированных сталей

      Элемент Обозначение
      Марганец Г
      Кремний С
      Хром X
      Никель Н
      Молибден М
      Вольфрам В
      Ванадий Ф
      Алюминий Ю
      Титан Т
      Бор Р
      Медь Д
      Ниобий Б

      Достоинства легированных сталей, стр.3 – TopRef.ru

      Достоинства легированных сталей:

      1. особенности обнаруживаются в термически обработанном состоянии, поэтому изготовляются детали, подвергаемые термической обработке;

      2. улучшенные легированные стали обнаруживают более высокие показатели сопротивления пластическим деформациям ;

      3. легирующие элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных сталей выше;

      4. возможно использование более «мягких» охладителей (снижается брак по закалочным трещинам и короблению), так как тормозится распад аустенита;

      5. повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

      Недостатки:

      1. подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода;

      2. в высоколегированных сталях после закалки остается аустенит остаточный, который снижает твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

      3. склонны к дендритной ликвации, так как скорость диффузии легирующих элементов в железе мала. Дендриты обедняются, а границы – междендритный материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

      4. склонны к образованию флокенов.

      Флокены – светлые пятна в изломе в поперечном сечении – мелкие трещины с различной ориентацией. Причина их появления – выделение водорода, растворенного в стали.

      При быстром охлаждении от 200o водород остается в стали, выделяясь из твердого раствора, вызывает большое внутреннее давление, приводящее к образованию флокенов.

      Меры борьбы: уменьшение содержания водорода при выплавке и снижение скорости охлаждения в интервале флокенообразования.

      Легированные конструкционные стали

      Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.

      Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% – к легированным, и более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%).

      Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении – легированные стали.

      Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указыКонструкционные (машиностроительные) цементируемые (нитроцементуемые) легированные стали

      Для изготовления деталей, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

      Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое., чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика.

      Сталь 20Х – sв=800МПа, s0.2=650МПа, d=11%, y=40%.

      Хромованадиевые стали. Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.

      Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом

      Сталь 12Х2Н4А – sв=1150МПа, s0.2=950МПа, d=10%, y=50%.

      Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

      В автомобильной и тракторной промышленности, в станкостроении применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

      Сталь 25ХГМ – sв=1200МПв, s0.2=1100МПа, d=10%, y=45%.

      Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

      На ВАЗе широко применяют стали 20ХГНМ, 19ХГН и 14ХГН.

      После цементации эти стали имеют высокие механические свойства.

      Сталь 15ХГН2ТА – sв=950МПа, s0.2=750МПа, d=11%, y=55%.

      Стали, легированные бором. Бор увеличивает прокаливаемость стали, делает сталь чувствительной к перегреву.

      В промышленности для деталей, работающих в условиях износа при трении, применяют сталь 20ХГР, а также сталь 20ХГНР.

      Сталь 20ХГНР – sв=1300МПа, s0.2=1200МПа, d=10%, y=09%.

      Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые легированные стали

      Стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократном приложении нагрузок, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали обладают хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

      При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению – низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения К1с.

      Хромистые стали 30Х, 38Х, 40Х и 50Х применяют для средненагруженных деталей небольших размеров. С увеличением содержания углерода возрастает прочность, но снижаются пластичность и вязкость. Прокаливаемость хромистых сталей невелика.

      Сталь 30Х – sв=900МПа, s0.2=700МПа, d=12%, y=45%.

      Хромомарганцевые стали. Совместное легирование хромом (0.9-1.2%) и марганцем (0.9-1.2%) позволяет получить стали с достаточно высокой прочностью и прокаливаемостью (40ХГ). Однако хромомарганцевые стали имеют пониженную вязкость, повышенный порог хладноломкости (от 20 до -60°С), склонность к отпускной хрупкости и росту зерна аустенита при нагреве.

      Сталь 40ХГТР – sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

      Хромокремнемарганцевые стали. Высоким комплексом свойств обладают хромокремнемарганцевые стали (хромансил). Стали 20ХГС, 25ХГС и 30ХГС обладают высокой прочностью и хорошей свариваемостью. Стали хромансил применяют также в виде листов и труб для ответственных сварных конструкций (самолетостроение). Стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве.

      Сталь 30ХГС – sв=1100МПа, s0.2=850МПа, d=10%, y=45%.

      Хромоникелевые стали обладают высокой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Они применяются для изготовления крупных изделий сложной конфигурации, работающих при динамических и вибрационных нагрузках.

      Сталь 40ХН – sв=1000МПа, s0.2=800МПа, d=11%, y=45%.

      Хромоникелемолибденовые стали. Хромоникелевые стали обладают склонностью к обратимой отпускной хрупкостью, для устранения которой многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали в воде для устранения этого дефекта стали дополнительно легируют молибденом (40ХН2МА) или вольфрамом.

      Сталь 40ХН2МА – sв=1100МПа, s0.2=950МПа, d=12%, y=50%.

      Хромоникелемолибденованадиевые стали обладают высокой прочностью, пластичностью и вязкостью и низким порогом хладноломкости. Этому способствует высокое содержание никеля. Недостатками сталей являются трудность их обработки резанием и большая склонность к образованию флокенов. Стали применяют для изготовления наиболее ответственных деталей турбин и компрессорных машин.

      Сталь 38ХН3МФА – sв=1200МПа, s0.2=1100МПа, d=12%, y=50%.

      Особенности лазерной сварки конструкционных низколегированных и низкоуглеродистых сталей

      Для получения сварных конструкций нередко используются низкоуглеродистые стали, где концентрация углерода не превышает  0,25 %. Также часто используются низколегированные стали, где отмечается содержание углерода на уровне в 0,25 %, а общее содержание легирующих элементов не превышает 4,0%.

      Про указанные виды стали можно сказать то, что они характеризуются хорошей свариваемостью. А полученные сварные соединения дают такой же уровень прочности, как и основной металл. В плюсы лазерной сварки также можно отнести и высокие скорости охлаждения кристаллизующегоcя металла шва и OШЗ при высоких температурах. За счет этого размеры зерна являются минимальными.  При работе с термически упрочненной сталью разупрочнения на участке отпуска не происходит – все благодаря малой протяженности зоны термического влияния, а также жесткого термического цикла.

      Готовое сварное соединение, которое образуется в процесс лазерной сварки низколегированных или низкоуглеродистых сталей, имеет высокие механические свойства. Тут можно назвать одинаковую прочность основного металла и сварного шва. Также остаются высокими значения пластичности и ударной вязкости. Указанные показатели достигаются не только при выполнении сварки встык металла с небольшой толщиной. Выполнение лазерной сварки стали 17ГС с толщиной до 20 мм за один проход  дает прочность шва аналогичную прочности основного металла. А значение ударной вязкости остается высоким.

      Характерные особенности средне- и высокоуглеродистой, а также легированной стали

      Для изготовления различных сварных конструкций зачастую используются среднеуглеродистые марки стали, где содержание углерода находится в пределе от 0,26 до 0,45%. Сюда не подходят высокоуглеродистые стали, где есть от 0,46 до 0,75% углерода. Такие виды стали характеризуются плохой свариваемостью. Про легированные стали нужно знать то, что суммарное содержание легирующих элементов там находится в промежутке от 2,5 до 10%.

      В процессе сварки легированная сталь получает шов с закалочными структурами, также они есть и в зоне термического влияния. Подобные структуры имеют склонность к хрупким разрушениям, и появлениям холодных и горячих трещин в сварном соединении. Чтобы минимизировать вероятность появления указанных дефектов, при сварке выполняется подогрев, также нужно термически обрабатывать материал или изделие уже после сварки. 

      Использование лазерной сварки, где есть высококонцентрированный луч энергии, обеспечивает одинаковое качество работы с разными марками стали. В отличие от дуговой сварки, лазерная сварка позволяет металлу давать высокую сопротивляемость появлению горячих трещин. Если при лазерной сварке происходит благоприятное изменение структуры, то сварное соединение имеет высокую сопротивляемость и к появлению холодных трещин.

       

      При использовании легированных и углеродистых закаливающихся сталей, сварное соединение имеет шов с химическим составом и литой структурой, которая сильно отличается от основного материала. Механические свойства отдельных областей сварного соединения могут меняться, на что влияет выбранный режим сварки, последующая термическая обработка, химический состав присадочной проволоки, а также исходная структура самого материала. Минимальный предел прочности сварного соединения определяется следующими факторами:

      1. При сварке стали в состоянии отжига предел прочного сварного соединения будет аналогичен прочности основного материала.

      2. Если речь идет о сварке предварительно упрочненной закалкой стали, то минимальный предел прочности будет соответствовать прочности зоны отпуска.

      3. Если после сварки стали будет выполняться упрочняющая термообработка соединения, то минимальный предел прочности сварного соединения будет определяться прочностью металла шва.

      В плюс лазерной сварки идет минимальное разупрочнение в ОЩШ термоупрочненных сталей. Для примера можно рассмотреть сварные соединения из термоупрочненных сталей 12Х2Н4А, 18ХГT, выполненных лазером. Там предел прочности сварных соединений на 15% выше, чем при выполнении дуговой сварки.

      Такая высокая прочность напрямую связана с эффектом упрочнения «мягкой прослойки». Контактное упрочнение мягкой прослойки наиболее вероятно при деформации соединений, полученных в процессе лазерной сварки. Сравнительно небольшой размер мягкой отожженой зоны заметно упрочняется в процессе деформирования. Поэтому процесс разрушения проходит по основному металлу соединения, который не подвергался разупрочнению.

      Показатель ударной вязкости полученных сварных соединений стали марки 12Х2Н4А в зонe шва, нa линии оплавления и в зонe закалки, при выполнении лазерной сварки, намного выше, чем при выполнении дуговой сварки. Превышает ударная вязкость сварного соединения и показатели основного материала. Если рассматривать ударную вязкость в зоне отпуска, то тут и дуговые и лазерные сварные соединения имеют примерно одинаковые показатели. Такие характеристики сварных соединений, включая их пластические свойства, определяются существенным измельчением вторичной структуры металла шва и ОШЗ. Но упомянуть также стоит и дегазацию переплавленного металла, а также металлургическую очистку.

      Характерные особенности высоколегированных марок стали

      Отличительной чертой выступает наличие более 10% легирующих элементов. Если говорить про сварные конструкции, то там большее распространение имеют аустенитные высоколегированные стали и сплавы, где содержание хрома меньше 18%, а никеля – меньше 10%. Общая концентрация легирующих элементов может достигать 55%. Из-за формирования крупнозернистой структуры тут образуются горячие трещины как в шве, так и в ОШЗ. Чтобы не допустить образование горячих трещин, нужно выполнить следующие мероприятия:

      1. Получение к структуре швов определенного количества феррита.

      2. Использование отдельных методов сварки, при которых кристаллы будут измельчаться, а также устраняться столбчатая структура.

      3. Значительное понижение концентрации примесей в швах, которые образуют легко плавкие эвтектики.

      Для реализации указанных мероприятий подходит лазерная сварка. В этом случае структура шва будет отличаться мелкодисперностью, а фазовый состав шва будет иметь до 20% феррита. Также нужно отметить пониженную концентрацию вредных примесей в составе шва. Сравнить прочность сварного соединения из указанной марки стали можно с прочностью самого материала. При этом пластичность будет заметно выше из-за того, что концентрация неметаллических соединений является минимальной.

      Если стоит задача создания наиболее важных сварных конструкций с повышенными требованиями по прочности, то этом случае используют мартенситностареющие коррозионностойкие марки стали. Сочетание прочности, пластичности и вязкости обеспечивается за счет формирования низкоуглеродистой мартенситной матрицы. Она будет упрочняться по мере дисперсионного твердения.

      Еще сварка мартенситно-стареющей стали имеет склонность к образованию холодных трещин, но это относится больше к дуговой сварке. Использование лазерной сварки обеспечивает сварным соединениям высокие механические характеристики.

      Разница между низколегированной сталью и высоколегированной сталью

      Сталь, легированная рядом элементов в общем количестве от 1,0 до 50 процентов по весу для улучшения ее механических свойств, известна как легированная сталь. Легированные стали делятся на две категории: высоколегированные стали и низколегированные стали.

      Низколегированные стали имеют общее содержание легирующих элементов менее 5%.

      Высоколегированные стали – это стали, в которых общее количество легирующих элементов превышает 5%.

      Применение легированной стали

      Легированная сталь в основном используется в автомобильной промышленности и производстве оборудования. Легированная сталь может использоваться там, где углеродистая сталь имеет ограничения. Вот несколько примеров применения легированной стали:

      Трубы нагревателя

      и котельные трубы из легированной стали являются примерами высокотемпературных условий эксплуатации.

      Криогенное применение и другие низкотемпературные службы

      Паровой коллектор, например, очень высокая прижимная служба.

      Коленчатые, распределительные и карданные валы, среди прочего, используются в конструкции самолетов и большегрузных транспортных средств.

      Плесень и общее машиностроение являются основой.

      Что такое высоколегированная сталь и как она работает? Высоколегированная сталь

      представляет собой сплав железа с содержанием хрома 10,5 процента. Десятипроцентная комбинация сплавов также входит в состав высоколегированной стали. Скрытый слой представляет собой тонкий слой оксида, образованный хромом на поверхности стали.Это также дешевле, чем низколегированная сталь. В сталь добавляют большое количество углерода и марганца, чтобы придать ей аустенитный характер. Увеличение количества хрома обеспечивает повышенную стойкость к эрозии. Из-за высокого содержания хрома высоколегированная сталь может предотвратить потребление. Ограничения по марганцу, кремнию и углероду также присутствуют в высоколегированной стали. Он используется, чтобы помочь с чрезвычайно горячими газами и жидкостями на различных компонентах при высоких температурах. Молибден и никель, например, могут быть добавлены для обеспечения дополнительных преимуществ, таких как улучшенная формуемость и повышенная защита от износа.

      Классы :

      Трубы ASTM A335 Gr P1, P5, P11, P22, P9 и P91 ASTM A335 Gr P1, P5, P11, P22, P9 и P91 Трубы

      WP5, WP9 и WP11 Фитинги ASTM A234

      Поковка

      ASTM A182, фланцы и кованые фитинги (F5, F9, F11)

      Что такое низколегированная сталь и чем она отличается от других сталей?

      Низколегированная сталь — это тип стали, который имеет менее 10.5 процентов азота, хрома и других легирующих элементов. Низколегированная сталь имеет содержание хрома от 0,5 до 9% и содержание молибдена от 0,5 до 1%. Он имеет содержание углерода менее 0,20 процента, а благодаря свойствам сплава он обладает большей способностью к упрочнению и хорошей свариваемостью. Хром улучшает антиокислительную и коррозионную стойкость низколегированной стали, тогда как молибден повышает ее прочность при высоких температурах. Типичная сталь будет иметь более высокую прочность, но более низкую ударную вязкость и относительное удлинение в низкотемпературной среде, что увеличивает риск хрупкого разрушения.Низколегированная сталь изготавливается путем добавления никеля в углеродистую сталь в пропорции 2,5-3,5 процента для повышения ее ударной вязкости при низких температурах. Помимо нормализации низколегированных сталей в процессе производства для улучшения механических свойств применяют также закалку и отпуск.

      В чем разница между низколегированной и высоколегированной сталью? Углеродистая сталь

      имеет худшие характеристики, чем низколегированная и высоколегированная сталь. Низколегированные стали содержат менее 0,2% легирующих элементов, а высоколегированные стали содержат более 5% легирующих элементов.Низколегированная сталь содержит железо, углерод (менее 0,2 процента) и другие легирующие элементы, такие как Ni, Cr, Mo, V, B, W и Cu, тогда как высоколегированная сталь содержит железо, хром, никель, углерод, марганец и другие легирующие элементы.

      Сортировать по сплаву

      Тип сплава и его концентрация часто используются для классификации легированной стали. Вот несколько наиболее частых добавок из легированной стали:

      Сталь очищается от кислорода, серы и фосфора алюминием.

      Висмут улучшает обрабатываемость металлов.

      Износостойкость, твердость и ударная вязкость повышаются за счет хрома.

      Кобальт способствует образованию свободного графита и повышает его стабильность.

      Медь

      повышает коррозионную стойкость и твердость.

      Прокаливаемость, пластичность, износостойкость и жаропрочность улучшаются благодаря марганцу.

      Молибден снижает концентрацию углерода и повышает прочность при комнатной температуре.

      Никель

      повышает прочность, коррозионную стойкость и стойкость материала к окислению.

      Кремний улучшает прочность и магнетизм материала.

      Титан увеличивает твердость и прочность материала.

      Вольфрам — минерал, повышающий твердость и прочность.

      Прочность, прочность, коррозионная стойкость и ударопрочность повышаются благодаря ванадию.

      Функция легирующих элементов

      Качество следующих материалов зависит от количества присутствующих легирующих элементов:

      Стойкость к коррозии

      Прокаливаемость

      Обрабатываемость

      Стабильность при высоких и низких температурах

      Пластичность

      Прочность

      Повышена износостойкость.

      Улучшена свариваемость.

      Легированная сталь или углеродистая сталь более долговечны?

      Углеродистая сталь, которая классифицируется как легированная сталь, не является нержавеющей сталью. Благодаря применению термической обработки содержание углерода в стали повышается, что делает ее более твердой и прочной. С другой стороны, включение углерода делает сталь менее пластичной.

      Что означает «нелегированная сталь»?

      Эти стали отличаются прежде всего своими механическими качествами использования.Наиболее распространены нелегированные или легированные стали, содержащие бор, марганец, кремний, никель, хром, молибден или смесь этих металлов.

      Какие существуют типы легированных сталей?

      Однако «легированная сталь» — это обычное слово для сталей, в которые помимо углерода добавлены другие легирующие элементы. Марганец (наиболее распространенный сплав), никель, хром, молибден, ванадий, кремний и бор являются распространенными сплавами.

      Какова прочность легированной стали?

      Нержавеющая сталь — это металл, устойчивый к коррозии.Из сплава стали, хрома и марганца изготавливают коррозионностойкий металл с пределом текучести до 1560 МПа и пределом прочности при растяжении до 1600 МПа. Этот сплав, как и все разновидности стали, обладает высокой ударопрочностью и занимает среднее место по шкале Мооса.

      Легированная труба ASTM A335 P5, P9, P11, P22, P91

      Узнайте о спецификации труб из легированной стали ASTM A335, которая охватывает «хромомолибденовые» бесшовные трубы с замечательной устойчивостью к коррозии и хорошей прочностью на растяжение при высоких температурах .Как правило, трубы ASTM A335 P11, P22 и P91 используются в производстве электроэнергии и при переработке нефти и газа, марки P5 и P9 предназначены для нефтеперерабатывающих заводов.

      ТРУБА ИЗ СПЛАВА A335

      Как определить трубы из сплава?

      Трубы из сплава представляют собой трубы с более высоким процентным содержанием легирующих элементов, таких как молибден (Mo), хром (Cr), никель и т. д., чем стандартные трубы из углеродистой стали. которые имеют общее количество легирующих элементов ниже 5% .Добавление большего количества легирующих элементов (например, никеля и хрома) превращает сталь в более высоколегированные, такие как нержавеющая сталь, дуплекс, вплоть до сверхлегированных материалов, таких как инконель, хастеллой, монель и т. д.

      Трубы из легированной стали используются в энергетическая промышленность для работы при высоких и очень низких температурах (криогенные) или для приложений с очень высоким давлением.

      Трубы из легированной стали ASTM A335 подходят к фитингам для сварки встык серии ASTM A234 WPx (WP5, WP9, WP91) и кованым фитингам и фланцам A182 Fx (A182 F5, F9, F11, F22, F91).Все эти материалы имеют схожие химические и механические свойства и могут быть соединены или сварены.

      Легирующие элементы

      Добавление молибдена («Moly») повышает прочность стали и ее предел упругости, повышает износостойкость стали, ее ударные качества и прокаливаемость. Он также повышает устойчивость к размягчению, снижает склонность хромистой стали к охрупчиванию и предотвращает точечную коррозию.

      Хром, ключевой элемент также для сплавов нержавеющей стали, предотвращает окисление стали при повышенных температурах и повышает устойчивость стали к коррозии.Он улучшает свойства при растяжении, текучести и твердости низколегированных труб при комнатных температурах.

      Другие легирующие элементы, присутствующие в различных количествах в трубах всех марок:

      • Алюминий: снижает содержание кислорода при выплавке стали
      • Бор: используется для получения мелкозернистого зерна и повышения твердости стали
      • Кобальт: используется для улучшения нагрева стали и износостойкость
      • Марганец: улучшает прокаливаемость стали
      • Никель: повышает ударную вязкость, прокаливаемость и ударную вязкость при низких температурах
      • Кремний: уменьшает содержание кислорода, повышает прокаливаемость и ударную вязкость
      • Титан: предотвращает выделение карбида хрома
      • Вольфрам: уменьшает размер зерна стали и повышает твердость стали, особенно при высоких температурах
      • Ванадий: придает стали повышенную усталостную прочность

      Как уже упоминалось, низколегированные стали имеют общее количество легирующих элементов менее 5%; высоколегированная сталь имеет более высокий процент этих элементов.

      A335 СВОЙСТВА

      ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

      Типы легированной стали, указанные в спецификации ASTM A335 – ASME SA335, имеют префикс «P», от P5 до P92. Марки P11/P22 и P91/92 обычно используются на электростанциях, тогда как марки P5 и P9 чаще используются в нефтехимической промышленности. Марки P9, P91 в списке являются более дорогими (бесшовная труба P91 может стоить около 5 евро за кг).

      ASTM A335
      ASTM A335


      Equivilent C≤

      MN

      CR 9009 MO MO 0,44 ~ 0.65 P2 p5 P5B P11 P12 P91 P92 9002
      P≤ S≤ SI≤
      P1 K11522 9099 0.10 ~ 0.20 0.30 ~ 0.080209 0.025 0.025 0.025 0,10 ~ 0.50
      K11547 0,10 ~ 0,20 0,30 ~ 0.61 0,025 0.025 0.025 0,10 ~ 0.30 0.50 ~ 0.81 0.44 ~ 0.65
      k41545 0,15 0.30 ~ 0,60209 0,025 0,025 0.5 4 4.00 ~ 6.00 0,44 ~ 0.65
      K5B 0,1545 0.15 0.025 0.025 0,025 1.00 ~ 2,00 4,00 ~ 6.00 0,44 ~ 0,65
      K41245 K41245 0.30 ~ 0,60209 0.025 0.025 0.025 0.5 4,00 ~ 6.00 0,44 ~ 0.65
      P9 S50400 0 .15 0.30 ~ 0.0.09 0.025 0.025 0.025 0.025 0.50 ~ 10.00 8.00 ~ 10.00 0,44 ~ 0,65
      K11597 0,05 ~ 0,15 0.30 ~ 0,61 0,025 0.025 902 0.025 0.50 ~ 1.00 1.00 ~ 1.50 0,44 ~ 0.65
      K11562 0,05 ~ 0,15 0,05 ~ 0,60209 0,025 0,025 0.5 0,80 ~ 1.25 0,44 ~ 0.65
      P15 K11578 0,05 ~ 0,15 0.30 ~ 0,60209 0.025 0,025 0,025 1.15 ~ 1.65 0,44 ~ 0,65
      P21 K31545 0,05 ~ 0,15 0.025 0.025 0.025 0.025 0.55 2,65 ~ 3.35 0,80 ~ 1.60
      P22 K21590 K21590 K21590 0.05 ~ 0.15 0,15 ~ 0,60209 0.30 ~ 0.025 0.025 0.025 0.025 0.5 1,90 ~ 2,60209 0,87 ~ 1.13
      K 0,08 ~ 0,12 0.30 ~ 0,02 0,02 0.01 0.01 0.0.0 0.50 8.00 ~ 9.50 0.85 ~ 1.05
      K 0,07 ~ 0,13 0,07 ~ 0,60209 0,02 0,01 0.5 8020 ~ 9.50 9020 ~ 9.50 0.30 ~ 0.60209 0.30 ~ 0.60

      A335 Низкосплавная труба UNS NUBLE Урожайность доходности KSI Прочность на растяжение KSI P1 K11522 30 55 30204 – – P2 K11547 30 55 30 – – – P5 K41545 40 70 30 – 207 Max P9 S50400 30 60 30 – – – K11597 30 30 60204 – – P12 K11562 32 60204 – 30 – 174 Max P22 K21590 30 60204 30209 30 – – – – – P91 60209 60209 85 20 – –

      ТРЕБОВАНИЯ К ИСПЫТАНИЯМ

      • Поперечные/продольные: испытания на растяжение и сплющивание, твердость, изгиб – для материала, прошедшего термообработку в печах периодического действия, эти испытания должны проводиться на 5% труб от каждой партии плавки.Для небольших партий должна быть испытана как минимум одна труба
      • ASTM A335 Gr. P91 должен иметь твердость 250 HB / 265 HV (25 HRC). Труба A335 Более Менее NPS [DN] дюймов. мм 9009 в. в мм мм мм 1/8 до 1 1/2 / дн от 6 до 40 1/64 (0,015) 0,4 ​​ 1/64 (0,015) 0,4 ​​ более 1 1/2 до 4 / дн 40-100 1/32 (0,031) 0,79 1/32 (0,031) 0,79 более 4 до 8 / DN 100 до 200 1/16 (0,062) 1,59 1/32 (0,0.031) 0.79 более 8 к 12 / дн от 200 до 300 3/32 (0,093) 2.38 1/32 (0,031) 0,79 более 12 /> DN 300 +/- 1 % от указанного наружного диаметра

        ТОЛЩИНА СТЕНКИ

        Допуски по весу, в %, от указанного: ., все отношения t/D: более 20%, менее 12,5%

      • Более 2 1/2 [65], t/D < или = 5%: более 22.5 %, менее 12,5 %
      • Более 2 1/2 [65], t/D > 5 %: более 15 %, менее 12,5 %

      t = указанная толщина стенки; D = указанный внешний диаметр)

      сплава труба крест референс-таблица ASTM VS. EN Ordes

      Трубы Chrome Moly: Werkstoff VS EN VS ASTM
      RU ASTM
      1.5415 16Mo3 A335 Марка P1
      1.7335 13CRMO4-5 935-5 9335 класс P11, P12
      1,7380 10CRMO9-10 10CRMO9-10
      1.7362 X11CRMO5 A335 класс P5
      A335 класс P9
      1.4903 X10CRMOVNB9-1 A335 класс P91

      JFE Япония 9009
      Страна
      Jiangu Чэндэ Стальные Трубы Co Ltd.Ltd China
      Chomutov CZECH
      Eschweiller (Bentler) Германия
      Германия, Франция, и Бразилия
      Tenaris Италия, Мексика, и Аргентина

      9

      Япония
      Продукты TUBOULES Испания
      TUBOS REUNIDOS Испания
      Wyman Gordon USA
      Michigan Бесшовные USA

      4 Rockwell Collins

      USA

      Мы рекомендуем приобрести спецификацию ASTM A335 от ASTM веб-сайт или IH S store, чтобы получить полное представление об этой теме.

      Влияние всего 48 легирующих элементов на сталь (полный список)

      Элемент 1: H (водород)

      H является наиболее вредным элементом в стали, и растворение водорода в стали может вызвать водородное охрупчивание и белые пятна стали.

      Подобно кислороду и азоту, растворимость водорода в твердой стали очень низкая. При смешивании с жидкой сталью при высокой температуре он не может своевременно выйти перед охлаждением и накапливается в организации, образуя мелкие поры под высоким давлением, что резко снижает пластичность, ударную вязкость и усталостную прочность стали или даже вызывает серьезные трещины и хрупкое разрушение.

      «Водородное охрупчивание» в основном проявляется в мартенситной стали, не очень заметно в ферритной стали и обычно увеличивается вместе с твердостью и содержанием углерода.

      С другой стороны, H может улучшить магнитную проводимость стали, но также увеличивает коэрцитивную силу и потери в железе (коэрцитивная сила может быть увеличена в 0,5 ~ 2 раза после добавления H).

      Элемент 2:(Бор)

      Основная функция В в стали состоит в том, чтобы увеличить прокаливаемость стали, сохраняя, таким образом, другие относительно редкие металлы, такие как никель, хром, молибден и т. д.

      Для этой цели его содержание обычно устанавливается в пределах 0,001% ~ 0,005%. Он может заменить 1,6% никеля, 0,3% хрома или 0,2% молибдена.

      Когда B используется для замены молибдена, следует обратить внимание на то, что молибден может предотвратить или уменьшить отпускную хрупкость, но B имеет небольшую тенденцию способствовать отпускной хрупкости, молибден не может быть полностью заменен B.

      Добавление B в углеродистую сталь может улучшить прокаливаемость, что может значительно улучшить характеристики стали толщиной более 20 мм, поэтому сталь 40B и 40 MNB может заменить 40 Cr, сталь 20Mn2TiB может заменить науглероживающую сталь 20 crmnti.

      Однако из-за того, что влияние бора ослабевает, даже исчезает, с увеличением содержания углерода в стали, при выборе борсодержащей стали следует учитывать, что после науглероживания деталей прокаливаемость науглероженного слоя будет ниже чем прокаливаемость сердечника.

      Пружинная сталь обычно должна быть полностью закалена. Учитывая небольшую площадь пружины, хорошим выбором будет борсодержащая сталь.

      Влияние бора на пружинную сталь с высоким содержанием кремния более непостоянно, поэтому его не следует использовать.

      Бор, азот и кислород имеют сильное сродство. Добавление 0,007% бора в кромочную сталь может предотвратить старение стали.

      Элемент 3: C (углерод)

      C является основным элементом после железа, который непосредственно влияет на прочность, пластичность, ударную вязкость и сварочные свойства стали.

      Когда содержание углерода в стали ниже 0,8%, прочность и твердость стали увеличиваются при добавлении содержания углерода, а пластичность и ударная вязкость снижаются.

      Но когда содержание углерода выше 1,0%, по мере увеличения содержания углерода прочность стали снижается.

      С увеличением содержания углерода снижаются сварочные характеристики стали (при содержании углерода в стали более 0,3 % значительно снижается ее свариваемость), повышаются хладноломкость и чувствительность к старению, снижается атмосферная коррозионная стойкость .

      Элемент 4: N (азот)

      Влияние N на характеристики стали аналогично влиянию углерода и фосфора.С увеличением содержания азота он позволяет значительно повысить прочность стали, снизить ее пластичность, особенно ударную вязкость и свариваемость, при одновременном повышении ее хладноломкости;

      Между тем, тенденция к старению, хладноломкость и горячеломкость добавляются, а свойства сварки и холодного изгиба стали повреждаются.

      Поэтому содержание азота в стали должно быть сведено к минимуму и ограничено. Содержание азота должно быть не выше 0,018%.

      В сочетании с алюминием, ниобием, ванадием и другими элементами азот может уменьшить неблагоприятное воздействие на сталь и улучшить ее характеристики.

      Азот можно использовать в качестве легирующих элементов низколегированной стали.

      Некоторая нержавеющая сталь с соответствующим содержанием азота может сократить использование Cr и, таким образом, эффективно снизить стоимость.

      Элемент 5: O (Кислород)

      O является вредным элементом для стали. Он естественным образом превращается в сталь в процессе производства стали, и его невозможно полностью удалить, даже если в конце процесса добавить марганец, кремний, железо и алюминий.

      Во время затвердевания расплавленной стали реакции кислорода и углерода в растворе приводят к образованию монооксида углерода, который может вызывать появление пузырей.

      В стали кислород в основном существует в форме FeO, MnO, SiO2, Al2O3, что снижает прочность и пластичность стали, в частности серьезно влияет на усталостную прочность и ударную вязкость.

      Кислород увеличивает потери железа в кремнистой стали, ослабляет магнитную проводимость и интенсивность магнитной индукции, а также усиливает эффект магнитного старения.

      Элемент 6: Mg (магний)

      Mg может уменьшить количество включений в стали, уменьшить размер, сделать распределение более равномерным и улучшить форму.

      Следы магния могут улучшить размер карбида и его распределение в подшипниковой стали.

      При содержании магния от 0,002% до 0,003% предел прочности при растяжении и предел текучести увеличиваются более чем на 5%, в то время как пластичность в основном остается неизменной.

      Элемент 7: Al (алюминий)

      Алюминий, добавленный в сталь в качестве раскислителя или легирующего элемента, намного прочнее кремния и марганца с точки зрения раскисления.

      Основная роль алюминия в стали заключается в измельчении зерна и стабилизации азота в стали, что значительно повышает ударную вязкость стали и снижает склонность к хладноломкости и старению.

      В случае углеродистой конструкционной стали марки Д содержание кислоторастворимого алюминия в стали не менее 0,015%, а содержание кислоторастворимого алюминия в стали 0,015%-0,065% для глубокой штамповки с холоднокатаным прокатом лист 08АЛ.

      Алюминий также может улучшить коррозионную стойкость стали, особенно в сочетании с молибденом, медью, кремнием, хромом и другими элементами.

      Хромомолибденовая сталь и хромистая сталь содержат алюминий для повышения износостойкости.

      Присутствие Al в высокоуглеродистой инструментальной стали может придавать хрупкость при закалке. Недостатком алюминия является то, что он может повлиять на свойства термической обработки, характеристики сварки и резки стали.

      Элемент 8: Si (кремний)

      Si является важным восстановителем и раскислителем в процессе производства стали.

      Многие углеродные материалы содержат менее 0.5% Si, и такой Si обычно вводят в процесс производства стали в качестве восстановителя и раскислителя.

      Кремний можно растворить в феррите и аустените для повышения твердости и прочности стали, которая уступает только фосфору и прочнее марганца, никеля, хрома, вольфрама, молибдена и ванадия.

      Однако, когда содержание кремния превышает 3%, пластичность и ударная вязкость стали значительно снижаются.

      Кремний может улучшить предел упругости, предел текучести и коэффициент текучести стали (Os/Ob), а также усталостную прочность и коэффициент усталости (σ-1/σb) и т. д.

      По этой причине кремнистая или кремниймарганцевая сталь может использоваться в качестве пружинной стали.

      Кремний может снижать плотность, теплопроводность и электропроводность стали.

      Может способствовать укрупнению зерен феррита, снижению коэрцитивной силы.

      Он имеет тенденцию уменьшать анизотропию кристалла, облегчая намагничивание и уменьшая магнитное сопротивление, которое можно использовать для производства электротехнической стали, поэтому потери магнитного блока листа кремнистой стали низки.

      Кремний может улучшить магнитную проницаемость феррита, так что стальной лист имеет более высокую магнитную напряженность в более слабом магнитном поле.

      Но в сильном магнитном поле кремний снижает магнитную напряженность стали. Кремний обладает сильным раскисляющим действием, что снижает эффект магнитного старения железа.

      Когда кремнистая сталь нагревается в окислительной атмосфере, образуется слой пленки SiO2 для улучшения стойкости стали к окислению при высокой температуре.

      Кремний может способствовать росту столбчатых кристаллов в литой стали и снижать пластичность.

      Если кремнистая сталь быстро остывает при нагревании, из-за низкой теплопроводности внутренняя и внешняя разница температур стали велика, что легко может привести к ее разрушению.

      Кремний может снизить качество сварки стали.

      Поскольку кремний легче окисляется кислородом, чем железо, во время сварки легко образуется силикат с низкой температурой плавления, который может увеличить текучесть шлака и расплавленного металла, вызвать разбрызгивание и повлиять на качество сварки.

      Кремний является хорошим раскислителем.

      При раскислении алюминия может быть добавлено определенное количество кремния, что позволяет значительно повысить скорость раскисления.

      Кремний имеет определенный остаток в стали, который вводится в сталь в качестве сырья. В кромкооблицовочной стали содержание кремния ограничено до <0,07%, и, при необходимости, в производство стали добавляют сплав кремний-железо.

      Элемент 9: (Фосфор)

      Р входит в сталь с рудой, которая обычно считается вредным элементом.Хотя фосфор может увеличить прочность и твердость стали, он вызывает значительное снижение пластичности и ударной вязкости.

      Особенно при низких температурах сталь становится очень хрупкой, что называется «хладноломкостью».

      Холодная хрупкость ухудшает способность стали к холодной обработке и свариваемость. Чем выше содержание фосфора, тем больше хладноломкость, поэтому содержание фосфора в стали строго контролируется.

      Высококачественная сталь: P < 0.025%; Качественная сталь: P < 0,04%; Обычная сталь: P <0,085%.

      P хорошо упрочняется твердым раствором и твердеет при охлаждении.

      В сочетании с медью он может улучшить атмосферную коррозионную стойкость высокопрочной низколегированной стали при одновременном снижении ее характеристик холодной штамповки; в сочетании с серой, марганцем, P может улучшить обрабатываемость стали, отпускную хрупкость и чувствительность к хладноломкости.

      Фосфор может улучшить коэффициент сопротивления и может уменьшить коэрцитивную силу и потери на вихревые токи из-за крупного зерна.

      Что касается магнитной индукции, магнитная индукция стали с более высоким содержанием фосфора будет улучшаться в слабом магнитном поле.

      Горячая обработка кремнистой стали, содержащей фосфор, несложна, но поскольку фосфор может сделать кремнистую сталь хладноломкой, его содержание должно составлять ≯ 0,15% (например, в холоднокатаной электротехнической кремнистой стали содержание фосфора составляет 0,07 ~ 0,10). %).

      Фосфор является самым мощным элементом феррита. (влияние Р на температуру рекристаллизации кремнистой стали и рост зерна в 4-5 раз больше, чем у кремния с тем же содержанием.)

      Элемент 10: S (сера)

      Сера получается из руды и топливного кокса, изготовленного из стали. Это вредный элемент для стали. Сера присутствует в стали в форме FeS. FeS и Fe образуют соединение при низкой температуре плавления (985 ℃).

      Температура горячей обработки стали обычно составляет 1150 ~ 1150 ℃ выше, поэтому при проведении горячей обработки стали заготовка ломается из-за раннего плавления соединений FeS, и это явление называется «горячая хрупкость».

      Снижает пластичность и ударную вязкость стали, вызывая трещины при ковке и прокатке.

      Сера также плохо влияет на качество сварки, снижая коррозионную стойкость.

      Высококачественная сталь: S < 0,02% ~ 0,03%; Качественная сталь: S < 0,03% ~ 0,045%; Обычная сталь: S <0,055% ~ 0,7%.

      Из-за хрупкости стружки и очень блестящей поверхности его можно использовать для производства стальных деталей, для которых требуется низкая производительность и более высокий блеск поверхности (так называемая быстрорежущая сталь), например, Cr14 намеренно добавляет небольшое количество серы (= 0.2 ~ 0,4%).

      Некоторые быстрорежущие и инструментальные стали используют S для обработки поверхности.

      Элемент 11 и 12: K/Na (калий / натрий)

      K/Na можно использовать в качестве модификатора для придания сферической формы карбидам в белом чугуне, так что ударная вязкость белого чугуна (и лестенитной стали) может быть улучшена в два раза, когда твердость остается прежней.

      Они могут улучшать структуру ковкого чугуна и стабилизировать процесс обработки вермикулярного чугуна.

      Они являются сильными элементами, способствующими аустенитизации, например, они могут снизить соотношение марганец/углерод в аустенитной марганцевой стали с 10:1~13:1 до 4:1-5:1.

      Элемент 13: Ca (кальций)

      Добавление кальция в сталь может уменьшить зерно, частично обессерить и изменить состав, количество и форму неметаллических включений, аналогично добавлению редкоземельных элементов в сталь.

      Улучшает коррозионную стойкость, износостойкость, высокотемпературные и низкотемпературные характеристики стали;

      Кроме того, он может улучшить ударную вязкость, усталостную прочность, пластичность и сварочные свойства стали.

      Может улучшить холодную высадку, ударопрочность, твердость и контактную прочность стали.

      Добавление кальция в литейную сталь увеличивает подвижность расплавленной стали. Улучшается поверхность отливки, устраняется анизотропия организаций при отливке.

      Повысились литейные характеристики, стойкость к термическому растрескиванию, механические свойства и производительность обработки.

      Добавление кальция в сталь может улучшить характеристики защиты от водородных трещин и пластинчатого разрыва, а также продлить срок службы оборудования и инструментов.

      Кальций добавляют к маточному сплаву в качестве раскислителя, модификатора и микролегирования.

      Элемент 14: Ti (титан)

      Титан имеет сильное сродство с азотом, кислородом и углеродом, а также более сильное сродство с S, чем железо, которое является хорошим эффективным элементом в качестве раскислителя и фиксации азота и углерода.

      Хотя титан является сильным карбидообразующим элементом, он не соединяется с другими элементами с образованием соединений.

      Карбид титана обладает сильной связующей силой, стабилен, плохо разлагается и может медленно растворяться в стали только при температуре выше 1000 ℃.

      До инсоляции частицы карбида титана препятствуют росту зерна.

      Из-за того, что сродство между титаном и углеродом больше, чем сродство между хромом и углеродом, титан обычно используется в нержавеющей стали для фиксации углерода, для удаления растворения хрома на границе зерен, чтобы устранить или уменьшить межкристаллитную коррозию стали .

      Титан также является одним из элементов образования сильного феррита, который значительно повышает температуру стали A1 и A3.

      Титан может улучшить пластичность и ударную вязкость обычной низколегированной стали. Поскольку титан связывает азот и серу и образует карбид титана, он увеличивает прочность стали.

      Образующиеся путем нормализации измельчения зерна, дисперсные карбиды могут значительно улучшить пластичность и ударную вязкость стали.

      Легированная конструкционная сталь, содержащая титан, обладает хорошими механическими свойствами и технологическими характеристиками, но ее основным недостатком является низкая прокаливаемость.

      В нержавеющей стали с высоким содержанием хрома содержание титана обычно в 5 раз больше, чем углерода, что может не только улучшить коррозионную стойкость стали (в основном против межкристаллитной коррозии) и ударную вязкость, но также способствует росту зерна стали при высоких температурах и улучшить сварочные свойства стали.

      Элемент 15: V (ванадий)

      Ванадий имеет сильное сродство с углеродом, аммиаком и кислородом и образует с ними устойчивые соединения.

      Ванадий в основном находится в форме карбидов в стали.

      Его основной функцией является улучшение структуры и зерна стали, а также снижение прочности и ударной вязкости стали.

      Когда твердый раствор растворяется при высокой температуре, он может повысить прокаливаемость. И наоборот, если он существует в виде карбидов, прокаливаемость снижается.

      Ванадий повышает отпускостойкость закаленной стали и производит эффект вторичной закалки.

      Содержание ванадия в стали не более 0,5 %, кроме быстрорежущей инструментальной стали.

      Ванадий может измельчать зерно в обычной низкоуглеродистой легированной стали, улучшать прочность и коэффициент текучести, а также низкотемпературные свойства стали после нормального горения, а также улучшать сварочные свойства стали.

      В легированной конструкционной стали ванадий может снижать прокаливаемость при обычной термической обработке.

      Поэтому он используется в сочетании с марганцем, хромом, молибденом и вольфрамом в конструкционной стали.

      Ванадий в основном используется для повышения прочности и коэффициента текучести стали, измельчения зерна и повышения чувствительности к перегреву.

      В случае науглероживания стали закалка может производиться сразу после науглероживания, без вторичной закалки.

      Ванадий может увеличить прочность и коэффициент текучести пружинной и подшипниковой стали, особенно увеличить предел прочности и предел упругости, снизить чувствительность к углероду во время термообработки, тем самым улучшая качество поверхности.

      Сталь подшипниковая с ванадием хромсодержащая имеет высокую степень дисперсности и хорошие эксплуатационные характеристики.

      Ванадий используется в инструментальных сталях для измельчения зерна, снижения чувствительности к перегреву, повышения стабильности при отпуске и износостойкости, что продлевает срок службы инструментов.

      Элемент 16: Cr (хром)

      Хром может повысить прокаливаемость стали и имеет эффект вторичной закалки, а также может улучшить твердость и износостойкость углеродистой стали, не делая ее хрупкой.

      Когда содержание Cr превышает 12%, сталь обладает хорошей стойкостью к высокотемпературному окислению и коррозии, а также повышает ее жаропрочность.

      Хром является основным легирующим элементом нержавеющей, кислотостойкой и жаропрочной стали.

      Хром позволяет повысить прочность и твердость углеродистой стали при прокатке, уменьшить удлинение и усадку поперечного сечения.

      Когда содержание хрома превышает 15%, прочность и твердость уменьшаются, а относительное удлинение и усадка поперечного сечения соответственно увеличиваются. Путем шлифовки деталей из хромистой стали легко получить высокое качество поверхности.

      Основная функция хрома в структуре отпуска заключается в улучшении прокаливаемости, придании стали хороших всесторонних механических характеристик после закалочного отпуска, производстве карбида хрома в науглероживающей стали, чтобы улучшить износостойкость поверхности материала.

      Хромсодержащая пружинная сталь с трудом поддается обезуглероживанию при термообработке. Хром может улучшить износостойкость, твердость и красноту инструментальной стали, а также сделать ее более стабильной при отпуске.

      В электротермических сплавах хром может улучшить стойкость к окислению, сопротивление и прочность сплава.

      Элемент 17 :Mn (марганец)

      Mn может улучшить прочность стали: так как Mn относительно дешев и может быть связан с Fe, он мало влияет на пластичность при повышении прочности стали.Поэтому Mn широко используется для армирования стали.

      Можно сказать, что почти вся углеродистая сталь содержит Mn. Штамповочная мягкая сталь, двухфазная сталь (сталь DP), сталь с индуцированной переносом фазы пластичностью (сталь TR) и мартенситная сталь (сталь MS) содержат марганец.

      Как правило, содержание Mn в мягкой стали не превышает 0,5%. Содержание Mn в высокопрочной стали увеличивается с увеличением уровня напряженности, например, в мартенситной стали содержание Mn может достигать до 3%.

      Mn улучшает прокаливаемость стали и улучшает характеристики стали при термической обработке: типичным примером является 40Mn и No.40 стали.

      Mn может устранить влияние S (серы): Mn может образовывать MnS с высокой температурой плавления при выплавке стали, тем самым ослабляя и устраняя неблагоприятное воздействие S.

      Однако содержание Mn также является обоюдоострой меч. Содержание марганца не выше, тем лучше.

      Увеличение содержания марганца снижает пластические и сварочные свойства стали.

      Элемент 18 :Co (Кобальт)

      Co используется в специальных сталях и сплавах.быстрорежущая сталь, содержащая Co, обладает высокой жаропрочностью.

      Добавленный к мартенситной стареющей стали вместе с молибденом Co может придать стали высокую твердость и хорошие комплексные механические свойства.

      Кроме того, кобальт также является важным легирующим элементом в горячей стали и магнитных материалах.

      Кобальт может снизить прокаливаемость стали, поэтому он может снизить комплексные механические свойства углеродистой стали.

      Кобальт может укрепить феррит.При добавлении к углеродистой стали в условиях отжига или нормализации Co может улучшить твердость, предел текучести и предел прочности стали, но отрицательно влияет на удлинение стали и усадку поперечного сечения.

      При увеличении содержания Со ударная вязкость стали снижается.

      Поскольку кобальт обладает антиоксидантными свойствами, он используется в жаропрочных сталях и жаропрочных сплавах, особенно в газовых турбинах из сплавов на основе кобальта.

      Элемент 19 :Ni (никель)

      Никель обладает следующими полезными свойствами: высокая прочность, высокая ударная вязкость, хорошая прокаливаемость, высокое сопротивление и высокая коррозионная стойкость.

      С одной стороны, он может значительно повысить прочность стали, а с другой стороны, сохранить чрезвычайно высокую ударную вязкость железа.

      Его хрупкая температура чрезвычайно низка. (при содержании никеля < 0,3% температура хрупкости ниже -100 ℃; когда содержание Со увеличивается примерно до 4 ~ 5%, температура хрупкости может упасть до -180 ℃.

      Таким образом, он может улучшить прочность и пластичность закаленных сталь

      С Ni=3,5%, никакая Cr сталь не может быть закалена, а Cr сталь с содержанием Ni=8% может быть преобразована в тип M при очень малой холодной скорости.

      Постоянная решетки Ni аналогична решетке γ-Fe, поэтому он может представлять собой непрерывный твердый раствор.

      Способствует повышению закалки стали. Ni может снизить критическую точку и повысить стабильность аустенита, поэтому температура закалки может быть снижена, а закалка хорошая.

      Как правило, тяжелые детали больших сечений изготавливаются из никелевой стали.

      В сочетании с Cr, W или Cr и Mo можно увеличить прокаливаемость. Никель-молибденовая сталь также имеет высокий предел выносливости.(Ni-сталь обладает хорошей стойкостью к термической усталости, способна работать как в горячем, так и в холодном состоянии.)

      В нержавеющей стали Ni используется для придания стали однородности А для повышения коррозионной стойкости.

      Ni-сталь, как правило, не легко перегревается, поэтому она может предотвратить рост зерна при высокой температуре и при этом сохранять мелкозернистую структуру.

      Элемент 20 :Cu (медь)

      Выдающаяся роль меди в стали заключается в улучшении стойкости к атмосферной коррозии обычной низколегированной стали, особенно в смеси с фосфором, медь также может улучшить прочность и выход соотношение стали, и не оказывает отрицательного влияния на производительность сварки.

      Стальная рельсовая сталь (U-Cu), содержащая 0,20–0,50% Cu, имеет период коррозионной стойкости в 2–5 раз больше, чем у обычной углеродистой стали.

      Когда содержание Cu превышает 0,75%, эффект старения может быть получен после обработки твердым раствором и старения.

      При низком содержании действует подобно никелю, но слабее. Когда содержание высокое, это не подходит для обработки термической деформацией, что приводит к хрупкости меди.

      2 ~ 3% меди в аустенитной нержавеющей стали может повысить коррозионную стойкость к серной, фосфорной и соляной кислотам, а также устойчивость к коррозии под напряжением.

      Элемент 21 :Ga (галлий)

      Ga — элемент в прилагаемом разделе γ. Микрогаллий растворяется в феррите и образует замещающий твердый раствор.

      Не является карбидообразующим элементом, но также не образует оксидов, нитридов и сульфидов.

      В двухфазных областях γ+a микрогаллий легко диффундирует из аустенита в феррит с высоким содержанием феррита.

      Влияние микрогаллия на механические свойства стали в основном заключается в упрочнении твердого раствора.Ga имеет небольшое улучшение коррозионной стойкости стали.

      Элемент 22 :As (мышьяк)

      Как и в руде, может быть удален только частично в процессе спекания. Его можно удалить хлоридирующим обжигом.

      As будет подмешиваться в чугун в процессе плавки в доменной печи.

      Когда содержание мышьяка в стали превышает 0,1%, это может увеличить хрупкость стали и снизить эффективность сварки.

      Содержание As в руде должно контролироваться, и количество As в руде не должно превышать 0.07%.

      Мышьяк имеет тенденцию повышать предел текучести σs и предел прочности σb низкоуглеродистой круглой стали при одновременном снижении ее удлинения.

      Также очевидно его влияние на снижение ударной вязкости Akv углеродистой круглой стали при нормальной температуре.

      Элемент 23 :Se (селен)

      Se может улучшить свойства обработки углеродистой стали, нержавеющей стали и меди, а также сделать поверхность деталей блестящей и чистой.

      Кремнистая сталь, ориентированная на высокую магнитную индукцию, часто использует MnSe2 в качестве ингибитора, хорошее включение которого, по сравнению с включением MnS, сильнее сдерживает рост зерен начальной рекристаллизации и в большей степени способствует выбранному росту зерен вторичной рекристаллизации, что позволяет получить высокие ориентация (110) [001] текстура.

      Элемент 24 :Zr (цирконий)

      Zr является сильным карбидообразующим элементом, и его роль в стали аналогична роли ниобия, тантала и ванадия.

      Добавление небольшого количества Zr оказывает влияние на дегазацию, очистку и измельчение зерна, что благоприятно сказывается на низкотемпературных характеристиках стали, улучшает характеристики штамповки.

      Часто используется в производстве газовых двигателей и сверхвысокопрочной стали и жаропрочных сплавов на основе никеля, необходимых для изготовления ракет.

      Элемент 25 :Nb (ниобий)

      Nb часто ассоциируется с танталом, и их роль в стали аналогична. Nb и тантал частично растворяются в твердом растворе и могут упрочнять твердый раствор.

      Закалка стали значительно улучшается при растворении аустенитного тела.

      Однако в виде частиц карбидов и оксидов он может измельчать зерно и снижать прокаливаемость стали.

      Повышает стойкость стали к отпуску и обладает эффектом вторичной закалки.Микрониобий может улучшить прочность стали, не влияя на пластичность или ударную вязкость стали.

      Поскольку он может измельчать зерно, он может улучшить ударную вязкость стали и снизить ее температуру хрупкого перехода.

      Когда содержание Zb более чем в 8 раз превышает содержание углерода, почти весь углерод в стали может быть связан, благодаря чему сталь обладает хорошими антиводородными характеристиками.

      В аустенитных сталях может предотвратить межкристаллитную коррозию стали окислительной средой.

      Благодаря фиксированному углероду и эффекту дисперсионного упрочнения он может улучшить высокотемпературные характеристики горячей стали, например, сопротивление ползучести.

      Ниобий может улучшить предел текучести и ударную вязкость обычной низколегированной стали, а также снизить температуру ее хрупкого перехода, что хорошо подходит для сварки.

      В конструкционной легированной стали с науглероживанием и отпуском он может повысить прокаливаемость при одновременном улучшении ударной вязкости и низкотемпературных характеристик стали.Это может уменьшить закалку низкоуглеродистой мартенситной нержавеющей стали на воздухе, избежать хрупкости при отпуске и увеличить сопротивление ползучести.

      Элемент 26 :Mo (молибден)

      Mo может улучшить прокаливаемость и теплоемкость стали, предотвратить отпускную хрупкость, увеличить остаточный магнетизм, коэрцитивную силу и сопротивление коррозии в некоторых средах.

      В закаленной и отпущенной стали Мо может повысить глубину закалки, упрочнение деталей с большим поперечным сечением, улучшить сопротивление вытягиванию или стабильность стали при отпуске, обеспечить отпуск деталей при высокой температуре и, таким образом, более эффективно устранить (или уменьшить) остаточные напряжения и повысить пластичность.

      В науглероженной стали, в дополнение к вышеупомянутым эффектам, Мо может снизить склонность карбида к образованию непрерывной сетки на границе зерен во время науглероженного слоя, уменьшить остаточный аустенит в науглероженном слое, относительно повысить износостойкость поверхности.

      В штамповой стали Mo также может поддерживать стабильную твердость стали и повышать ее сопротивление деформации, растрескиванию и истиранию.

      В нержавеющей кислотостойкой стали Mo может дополнительно улучшить коррозионную стойкость стали к органическим кислотам, таким как муравьиная кислота, уксусная кислота, щавелевая кислота и т. д.и перекись водорода, серная кислота, сернистая кислота, сульфат, кислотные красители и отбеливающий порошок или жидкость.

      В частности, благодаря добавлению Мо предотвращается склонность ионов хлора к коррозии.

      Быстрорежущая сталь W12Cr4V4Mo с содержанием молибдена около 1% обладает износостойкостью, твердостью при отпуске, красностойкостью и т.д.

      Влияет на качество стали, особенно на качество непрерывнолитой заготовки.

      Заставляет сталь проявлять горячеломкость, отпускную хрупкость, трещины и изломы, влияющие на сварочные характеристики стали, и является одним из «пяти зол» стали.

      Однако Sn играет важную роль в электротехнической стали, чугуне и легкообрабатываемой стали.

      Размер зерен кремнистой стали связан с сегрегацией Sn, а сегрегация Sn предотвращает рост зерна.

      Чем выше содержание Sn, тем больше осадка зерна, тем эффективнее оно препятствует росту зерна.

      Чем меньше размер зерна, тем меньше потери в железе. Sn может изменить магнитные свойства кремнистой стали и улучшить прочность благоприятной текстуры {100} в готовом изделии из ориентированной кремнистой стали, а интенсивность магнитной индукции, очевидно, увеличивается.

      Когда небольшое количество Sn содержится в чугуне, это может улучшить износостойкость стали и повлиять на текучесть расплавленного чугуна.

      Чугун для шаровой мельницы с перлитом обладает высокой прочностью и износостойкостью.

      Для получения литого перлита в раствор сплава при плавке добавляют Sn.

      Поскольку Sn является элементом, который блокирует сферизацию графита, необходимо контролировать количество добавляемого Sn, которое обычно составляет менее 0,1%.

      Легкорежущая сталь может быть разделена на сернистую, кальциевую, свинцовую и составную легкорежущую сталь.

      Sn имеет очевидную тенденцию собираться вокруг включений и дефектов. Sn не изменяет форму сульфидных включений в стали, но может улучшить хрупкость и режущие свойства стали за счет сегрегации границ зерен и границ фаз.

      При содержании Sn >0,05% сталь обладает хорошей режущей способностью.

      Элемент 28 :Sb (Стибий)

      После добавления Sb в кремнистую сталь с высокой магнитной ориентацией размер зерен первой рекристаллизации и вторичной рекристаллизации может быть уточнен, а вторая рекристаллизация будет более совершенной и магнетизм улучшится.

      После холодной прокатки и обезуглероживания сурьмянистой стали в ее текстурном составе будут усиливаться компоненты {110} < 115 > или {110} < 001 >, благоприятные для развития вторичной рекристаллизации, и количество вторичных кристаллических школ будет быть увеличена.

      При строительной сварке стали, содержащей Sb, при аустенитной температуре Sb выделяется вокруг включений MnS и вдоль исходной границы аустенитного зерна.

      Осаждение, обогащенное включением Mn S, может улучшить структуру стали и улучшить ее ударную вязкость.

      Элемент 29 :W (вольфрам)

      В стали W частично растворяется в железе, образуя твердый раствор, в дополнение к образованию карбида.

      Его эффект аналогичен действию Мо, и общий эффект не так значителен, как Мо, если рассчитывать по качеству.

      Основная роль W в стали заключается в повышении устойчивости к отпуску, красной твердости, теплоемкости и износостойкости за счет образования карбида.

      Поэтому он в основном используется для инструментальной стали, такой как быстрорежущая сталь, сталь горячей штамповки.

      W представляет собой тугоплавкий карбид из высококачественной пружинной стали, который может уменьшить процесс концентрации карбидов и сохранить жаропрочность при более высокой температуре.

      W также может снизить чувствительность стали к перегреву, повысить ее прокаливаемость и твердость.

      Воздушное охлаждение придает пружинной стали 65SiMnWA высокую твердость после горячей прокатки.

      сечением 50 мм2 пружинная сталь может закаляться в масле и выдерживать большие нагрузки, термостойкая (не более 350 ℃).

      30W4Cr2VA Высокопрочная жаропрочная высококачественная пружинная сталь имеет большую прокаливаемость, а ее предел прочности на растяжение может составлять 1470 ~ 1666 Па после закалки при 1050 ~ 1100 ℃ и отпуска при 550 ~ 650 ℃.

      В основном используется для изготовления пружин, которые используются при высокой температуре (500 ℃).

      Благодаря добавлению W он может значительно улучшить абразивные и режущие свойства стали, поэтому W является основным элементом легированной инструментальной стали.

      Элемент 30 :Pb (свинец)

      Pb может улучшить обрабатываемость стали. Режущая сталь Pb имеет хорошие механические свойства и термическую обработку. Из-за загрязнения окружающей среды и вредного воздействия в процессе переработки стальных отходов свинец постепенно заменяется.

      Pb трудно образует твердый раствор или соединения с Fe, вместо этого он легко собирается на границе зерен в виде глобулярных частиц, поэтому это является причиной того, что сталь становится хрупкой при 200 ~ 480 ℃ и образуются трещины при сварке.

      Элемент 31 :Bi (висмут)

      Характеристики резания стали можно улучшить, добавив 0,1-0,4 Bi в свободнорежущую сталь.

      Когда Bi равномерно распределен в стали, частицы Bi будут расплавляться после контакта с режущим инструментом, действуя как смазка, вызывая разрушение резания, чтобы избежать перегрева и увеличить скорость резания.

      В последнее время Bi стали добавлять во многие виды нержавеющей стали для улучшения режущих свойств нержавеющей стали.

      Bi существует в виде трех типов автоматических сталей: независимо в стальной матрице, обернутой сульфидом и между стальной матрицей и сульфидом.

      Скорость деформации включений MnS снижается с увеличением содержания Bi в слитках s-bi безрежущей стали.

      Биметалл в стали может сдерживать деформацию сульфида в процессе ковки стального слитка.

      Добавление 0,002-0,005% висмута к чугуну может улучшить литейные характеристики ковкого чугуна, увеличить склонность к побелению, сократить время отжига и оптимизировать характеристики удлинения деталей.

      Добавление 0,005% висмута в чугун с шаровидным графитом может улучшить его сейсмостойкость и прочность на растяжение.

      Добавление висмута в сталь довольно затруднительно, потому что виски при температуре 1500 ℃ будет в значительной степени летучим, и поэтому его трудно равномерно проникнуть в сталь.

      В настоящее время за границей Bi заменяется в качестве добавки пластиной из сплава Bi-Mn с температурой плавления 1050 ℃, но коэффициент использования Bi по-прежнему составляет около 20%.

      Nippon Steel & Sumitomo Metal, Posco, TYO и другие предприятия предположили, что добавление Bi может, очевидно, улучшить значение B8 ориентированной кремнистой стали.

      Согласно статистике, Nippon Steel & Sumitomo Metal и JFE разработали более ста высокомагнитных ориентированных кремнистых сталей с добавлением висмута.

      После добавления Bi магнитная индукция достигает 1,90 Тл, а максимум 1,99 Тл.

      Другой элемент 32-48 :Re (редкоземельные элементы)

      Редкоземельные элементы, обычно относящиеся к периодической таблице с атомным номером от 57 до 71 лантаноиды (лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций) плюс No.21 скандий и 39 иттрий, всего 17 элементов.

      Их природа близка, их нелегко разделить.

      Те нерасщепленные называются смешанными редкоземельными элементами, которые дешевле.

      Редкоземельные элементы могут раскислять, десульфурировать, микролегировать, а также могут изменять деформационную способность редкоземельных включений.

      В частности, они могут в определенной степени влиять на хрупкость Al2O3 и улучшать усталостные характеристики большинства типов стали.

      Редкоземельные элементы, такие как Ca, Ti, Zr, Mg и Be, являются наиболее эффективными деформирующими агентами для сульфидов.

      Добавление в сталь необходимого количества РЗМ может преобразовать включения оксидов и сульфидов в мелкие, рассеянные глобулярные включения и, таким образом, устранить вредное воздействие MnS и других включений.

      В производственной практике сера находится в стали в виде FeS и MnS.

      При высоком содержании Mn в стали более вероятно образование MnS.

      Хотя его температура плавления высока и позволяет избежать образования термической хрупкости, MnS при механической деформации может расширяться в направлении обработки и образовывать полосы, тогда пластичность, ударная вязкость и усталостная прочность стали будут значительно снижены , так что необходимо сделать деформационную обработку RE, чтобы добавить к стилу.

      Редкоземельные элементы также могут улучшать стойкость стали к окислению и коррозии.

      Их эффект стойкости к окислению больше, чем у кремния, алюминия и титана.

      Они могут улучшить текучесть стали, уменьшить неметаллические включения и сделать структуру стали плотной и чистой.

      Роль редкоземельных элементов в стали в основном заключается в очистке, метаморфизме и легировании.

      С постепенным контролем содержания серы в кислороде традиционная очистка расплавленной стали и метаморфизм постепенно ослабевают, в то время как новая технология очистки и эффект легирования совершенствуются.

      Редкоземельные элементы увеличивают антиоксидантную способность сплава феррохрома и алюминия, сохраняют мелкое зерно стали при высокой температуре и повышают их жаропрочность, что значительно увеличивает срок службы электротермического сплава.

      Легированная сталь | Machine Design


      Стали, которые содержат определенное количество легирующих элементов, кроме углерода и общепринятых количеств марганца, меди, кремния, серы и фосфора, известны как легированные стали.Легирующие элементы добавляются для изменения механических или физических свойств. Сталь считается сплавом, если максимальное содержание легирующих элементов превышает один или несколько следующих пределов: 1,65 % Mn, 0,60 % Si или 0,60 % Cu; или когда в пределах, признанных для конструкционных легированных сталей, указан или требуется определенный диапазон или минимальное количество любого из следующих элементов: алюминий, хром (до 3,99%), кобальт, колумбий, молибден, никель, титан, вольфрам, ванадий, добавление циркония или другого элемента для получения эффекта легирования.

      Таким образом, с технической точки зрения инструментальные и нержавеющие стали являются легированными сталями. Однако в этой главе термин «легированная сталь» зарезервирован для тех сталей, которые содержат небольшое количество легирующих элементов и которые обычно зависят от термической обработки для достижения определенных свойств. Например, при надлежащей термообработке предел прочности при растяжении некоторых легированных сталей может быть повышен примерно с 55 000 фунтов на квадратный дюйм до почти 300 000 фунтов на квадратный дюйм.

      Подразделы для большинства сталей этого семейства включают «прокаливаемые» и «науглероживающие» марки (плюс несколько специальных марок, таких как азотированные стали).Сплавы со сквозной закалкой, которые подвергаются термообработке путем закалки и отпуска, используются, когда максимальная твердость и прочность должны распространяться глубоко внутри детали. Науглероживающие марки используются там, где требуется прочная сердцевина и относительно неглубокая твердая поверхность. После поверхностной упрочняющей обработки, такой как науглероживание (или азотирование для азотирующих сплавов), эти стали подходят для деталей, которые должны выдерживать износ, а также высокие нагрузки. Литые стали, как правило, подвергаются сквозной закалке, а не поверхностной обработке.

      Содержание углерода и легирующих элементов влияют на общие характеристики обоих типов легированных сталей.Максимально достижимая поверхностная твердость зависит прежде всего от содержания углерода. Максимальная твердость и прочность в небольших участках увеличиваются с увеличением содержания углерода примерно до 0,7%. Однако содержание углерода более 0,3% может увеличить вероятность растрескивания во время закалки или сварки. Легирующие элементы в первую очередь влияют на прокаливаемость. Они также влияют на другие механические свойства и свойства изготовления, включая ударную вязкость и обрабатываемость.

      Добавки свинца (от 0,15 до 0,35%) существенно улучшают обрабатываемость легированных сталей быстрорежущими инструментальными сталями.Сообщается, что при обработке твердосплавными инструментами стали, обработанные кальцием, удваивают или утраивают срок службы инструмента в дополнение к улучшению качества поверхности.

      Существует несколько точных правил выбора марок легированной стали со сквозной или поверхностной закалкой. В большинстве случаев критически важные детали тестируются в полевых условиях для оценки их производительности. Детали большого сечения, например тяжелые поковки, часто изготавливаются из легированных сталей, прошедших вакуумную дегазацию. Находясь в расплавленном состоянии, эти стали подвергаются воздействию вакуума, который удаляет водород и, в меньшей степени, кислород и азот.

      Легированные стали часто используются, когда требуется высокая прочность в сечениях от средних до больших. Независимо от того, является ли предел прочности при растяжении или предел текучести основой конструкции, термически обработанные легированные стали обычно имеют высокое отношение прочности к весу. Для применений, требующих максимальной пластичности, сплавы с низким содержанием серы (

      Как правило, износостойкость можно повысить за счет увеличения твердости сплава, выбора сплава с более высоким содержанием углерода (без увеличения твердости) или за счет того и другого.Например, поверхность огнеупорной среднеуглеродистой стали, вероятно, будет иметь более низкую износостойкость, чем углеродистая поверхность науглероженной стали такой же твердости. Исключением являются азотированные детали, которые имеют лучшую износостойкость, чем можно было бы ожидать только от содержания углерода.

      Для любого сочетания легированной стали и термической обработки три фактора имеют тенденцию к снижению ударной вязкости: низкая рабочая температура, высокие скорости нагружения и концентрация напряжений или остаточное напряжение. Общие эффекты этих трех условий качественно схожи, поэтому испытания на удар при низких температурах (до -50°F) полезны для многих применений в качестве индикаторов ударной вязкости при различных условиях эксплуатации и температурах.

      Полностью закаленные и отпущенные низкоуглеродистые (от 0,10 до 0,30% С) легированные стали имеют хорошее сочетание прочности и ударной вязкости как при комнатной, так и при низких температурах. Однако при термической обработке некоторых марок легированной стали необходимо соблюдать осторожность, поскольку ударная вязкость может существенно снизиться из-за отпускной хрупкости — формы охрупчивания, возникающей при медленном охлаждении в диапазоне от 900 до 600°F, или при выдержке или отпуске. в этом диапазоне.

      Когда закалка в жидкости нецелесообразна (из-за опасности растрескивания или деформации или из-за стоимости), для низкотемпературной эксплуатации могут быть использованы различные низкоуглеродистые никелевые или никель-молибденовые стали в нормализованном и отпущенном состоянии.

      Деформируемые легированные стали (и углеродистые стали) классифицируются по серии номеров AISI и SAE, которые обозначают состав и тип сплава. Буквы, которые используются в дополнение к четырехзначным обозначениям, включают суффикс «Н», используемый для стали, произведенной до определенных пределов прокаливаемости (что позволяет расширить диапазоны состава для определенных легирующих элементов), и префикс «Е», который указывает сталь, выплавляемая основным электропечным способом. Другие спецификации, например, выпущенные ASTM, определяют минимальные свойства для критически важных конструкций, сосудов под давлением и ядерных применений.

      Спецификации ASTM классифицируют литые легированные стали, связывая сталь с механическими свойствами и предполагаемыми условиями эксплуатации. Химический анализ вторичен. Существуют спецификации ASTM для общего использования, такие как A27 или A148, когда механические свойства имеют решающее значение. Для работы при низких температурах рекомендуется использовать A352 или A757, когда важна ударная вязкость. Для свариваемости A216 указывается, когда изготовление имеет решающее значение, а для работы под давлением рекомендуется A217 или A389, когда важен ряд свойств.Для специальных применений доступны и другие легированные стали ASTM. Другие спецификации, такие как SAE J435, используются для литых сталей в автомобильной промышленности. Сводку спецификаций стального литья можно получить в Американском обществе основателей стали, Дес-Плейнс, Иллинойс. 2013 февраль; 14(1): 014205.

      Высший институт черной металлургии (GIFT) и CAAM, POSTECH San 31, Hyoja-dong, Pohang, Gyungbuk 790-784, Республика Корея

      Получено 20 ноября 2012 г.; Принято 18 января 2013 г.

      Copyright © 2013 Национальный институт материаловеденияЭта статья цитируется другими статьями в PMC.

      Abstract

      Добавление в сталь большого количества легких элементов, таких как алюминий, не является новой концепцией, учитывая, что несколько сплавов Fe-Al-Mn-C были запатентованы в 1950-х годах для замены никеля или хрома в коррозионно-стойких сталях. Тем не менее, недавно были пересмотрены так называемые легкие стали или стали с низкой плотностью, что обусловлено требованиями промышленности, где сталь служила основным конструкционным материалом.Упрочнение без потери пластичности стало триумфом в исследованиях стали, но снижение плотности стали за счет смешивания с легкими элементами станет еще одной перспективой, которая может поддержать конкурентоспособность по сравнению с появляющимися альтернативами, такими как магниевые сплавы. В этой статье мы рассматриваем недавние исследования легких сталей, уделяя особое внимание концепции дизайна сплава с точки зрения микроструктуры и механических свойств. Критически рассмотрено влияние легирующих элементов на фазовый состав, механические свойства и изменение плотности.Обсуждаются также механизмы деформации различных легких сталей. В этой статье приводится причина, по которой успех легких сталей сильно зависит от научных достижений, даже несмотря на то, что разработка сплавов тесно связана с промышленным применением. Наконец, мы суммируем некоторые из основных направлений будущих исследований, необходимых для оживления этой области интересов.

      Ключевые слова: 30.04, 30.05

      Ключевые слова: легкая сталь , κ-карбид, заказ, плоское скольжение, сталь TRIP, сталь TWIP

      1.Введение

      Разработка передовых сталей с высокой прочностью, хорошей пластичностью и ударной вязкостью велась давно. Типичные примеры этих сталей относятся к категории передовых высокопрочных сталей, включая двухфазные стали, стали с пластичностью, вызванной трансформацией (TRIP), и аустенитные стали с высоким содержанием марганца для автомобильных применений. В последние годы большое внимание привлекла еще одна концепция усовершенствованной стали, обусловленная необходимостью дальнейшего снижения веса автомобиля.Традиционно высокий уровень удельной прочности усовершенствованных сталей стремился достигать в основном за счет повышения прочности сталей [1–4]. Альтернативным способом повышения удельной прочности является изготовление сталей с более низкой плотностью путем легирования легких элементов, таких как Al (и/или Si), системой сплавов на основе Fe-Mn-C.

      Сплавы системы Fe–Al–Mn–C изучались по нескольким различным причинам, таким как (i) криогенное применение, (ii) применение стойкости к окислению при высоких температурах и (iii) применение коррозионной стойкости в качестве потенциальной замены более дорогие нержавеющие стали на основе Fe–Cr–Ni [5–11].В частности, исследования системы Fe–Al–Mn–C для замены нержавеющих сталей Fe–Cr–Ni–C [12] велись до 1980-х гг., когда замена Cr и Ni менее дорогими Al и Mn рассмотрены [13–15]. В течение последних двух десятилетий много усилий было направлено на разработку пластичных легких сталей с высокой прочностью и пониженной плотностью для конструкционных применений. Изучение системы Fe-Al-Mn-C для автомобильных применений активизировалось с начала 2000-х годов в Европе и Японии.

      В 2000-х годах Фроммейер и Брюкс [16] сообщили о высокопрочных легких сплавах Fe-Al-Mn-C с превосходной пластичностью, так называемых сталях TRIPLEX. Сталь TRIPLEX представляет собой разновидность многофазной стали, состоящей из трех основных фаз. Он состоит из аустенита в качестве матричной фазы с 5–15 об. % феррита и наноразмерных κ -карбидов менее 10 об. %, которые мелкодисперсны по всему аустениту. Диапазон составов этих сталей охватывает Fe–(18–28)Mn–(9–12)Al–(0,7–1,2)C (мас. %).Авторы [16] добавили Al до 12 % (здесь и далее все данные приведены в % по массе, если не указано иное) и сообщили о линейной зависимости, указывающей на снижение плотности на 1,5 % при добавлении 1 % по массе Al. Их типичный сплав Fe–28Mn–12Al–1C показывает предел текучести 730 МПа, предел прочности при растяжении 1000 МПа и общее удлинение 55% во время испытания на одноосное растяжение, проведенного при комнатной температуре при скорости деформации 10 − 4 с −1 . Сутоу и др. [17] недавно сообщили, что способность к холодной обработке сплавов Fe-20Mn-1C-Al сильно ухудшается при добавлении Al более 11 мас.%.Они продемонстрировали, что добавление Cr значительно улучшает способность к холодной обработке даже при более высоком содержании Al и C. С помощью Cr они могли получить сплав Fe-20Mn-13Al-1,3C-5Cr с плотностью 6,43 г см −3. (снижение плотности на 18,3 %), предел текучести 915 МПа, предел прочности при растяжении 1140 МПа и общее удлинение 22 % при испытании на одноосное растяжение при комнатной температуре со скоростью деформации 3,3 × 10 −4 с. −1 .

      Концепция легкой стали выглядит довольно просто, но лежащие в ее основе металлургические вопросы сложны.Это связано с тем, что легкая сталь может иметь ферритную, аустенитную или даже многофазную структуру в зависимости от содержания первичных легирующих элементов С, Mn или Al; это также усложняет механизм деформации. Исследования легких сталей были спорадическими, несмотря на то, что во многих случаях сообщалось о впечатляющих механических характеристиках, сопровождающихся значительным снижением плотности. Существует необходимость в своевременной оценке этих новых сталей с точки зрения влияния легирующих элементов на фазовые составляющие и механическое поведение, чтобы получить лучшее понимание и более широкую точку зрения на дальнейшее развитие сплава, что и было целью этого исследования.

      2. Фазовый состав

      Идентификация фаз в системе Fe–Al–Mn–C восходит к более ранней работе Костера и Тонна по фазовым равновесиям Fe–Al–Mn в 1933 г. [18]. После открытия Шматцем в 1959 г. образования β -марганца в богатых марганцем сплавах Fe-Al-Mn-C [19], изучение фазовых равновесий было продолжено Кривоноговым и др. [20], Ишидой и др. [20]. 21] и Аксельрад и др. [22]. В зависимости от химического состава и температуры в системе Fe–Al–Mn–C сообщается не менее чем о пяти равновесных фазах: γ -аустенит, α -феррит, κ -карбид, M 3 карбид C. ( θ ) и β -Mn. κ -карбид представляет собой ГЦК-карбид L12-упорядочения типа (Fe, Mn) 3 AlC [12]. В последнее время Чин et al. [23] и Lee et al. [24] построили термодинамическое описание типа CALPHAD для четырехкомпонентной системы Fe–Al–Mn–C, объединив недавно оцененное тройное описание Mn–Al–C и частично модифицированное Fe–Al–C с существующей термодинамической базой данных.

      Матричная фаза низкоплотных сталей на основе системы Fe–Al–Mn–C может представлять собой феррит, аустенит или смесь феррита и аустенита в зависимости от содержания стабилизирующих аустенит элементов C и Mn.Фазовые диаграммы для Fe–5Mn–(0–9)Al рассчитаны на основе подхода CALPHAD [23] и воспроизведены в зависимости от углерода при различных температурах от 500 до 1200 °C на рис. При 0 % Al, как показано на рисунке (а), аустенит имеет однофазную область в широком диапазоне C от 0 до 1,9 % при высокой температуре, но существует наряду с ферритом и цементитом ( θ ) при более низких температурах. Эвтектоидная реакция распада аустенита на пластинчатый феррит и микроструктуру цементита происходит примерно при 0.6% C. Фазовая диаграмма с 3% Al на рисунке (b) показывает однофазную область с восстановленным аустенитом; повышенное содержание Al повышает стабильность феррита и подавляет образование аустенитной однофазной области при низком содержании С ниже 0,16%. Однако при 3% Al карбид κ наблюдается при низкой температуре на стороне с высоким содержанием углерода. κ -карбид присутствует до 650 °C при 2,0% C. Увеличение содержания Al до 6% привело к дальнейшему снижению устойчивости аустенита к более высоким температурам и более высокому содержанию C на рисунке (c).Более высокое содержание Al также повысило устойчивость карбида κ к более высоким температурам и более низкому содержанию C за счет стабильности цементита. Эвтектоидная реакция распада аустенита на пластинчатый феррит и микроструктуру карбида κ происходит примерно при 1% C. Когда содержание Al увеличивается до 9 %, аустенитная область ограничивается более высокими концентрациями C и более высокими температурами, в то время как карбид κ стабильность увеличилась и заменила цементит во всем диапазоне C при низкой температуре, как показано на рисунке (d).

      Фазовые диаграммы сплавов Fe–5Mn–(0–9)Al–C, рассчитанные на основе подхода CALPHAD (адаптированные с использованием данных [23]). Границы фаз показывают γ -аустенит, α -феррит, θ -цементит и κ -карбид (при фиксированной концентрации Mn 5 %) в зависимости от содержания углерода при концентрациях Al (а) 0 %. , (б) 3%, (в) 6% и (г) 9%.

      Исида и др. [21] исследовали сплавы Fe–Al–Mn–C с содержанием Mn 20 %, которые были уравновешены при 900–1200 °C с использованием изотермической обработки до 210 часов.На рисунке представлены изотермы фазовых отношений в сплавах Fe–20Mn–Al–C при 900 и 1000 °С, рассчитанные по методу CALPHAD [23], в сравнении с экспериментальными результатами [21]. Хотя совпадение не идеальное, влияние содержания C и Al на составляющую фазу, в частности на стабильность карбида κ , воспроизводится достаточно хорошо. При 900 °C содержание C 0–2,3 % и содержание Al 0–9 % создают полностью аустенитную микроструктуру. Было замечено, что цементит стабилен при концентрации Al менее 5.6%. Вообще говоря, из рисунка видно, что аустенит стабилен при низких концентрациях Al и высоких концентрациях C, а стабильность карбида κ обеспечивается при высоких концентрациях C и Al. Цементит предпочтителен при высоком содержании углерода и низком содержании алюминия, а феррит стабилен при высоком содержании алюминия и низком содержании углерода.

      Фазовые отношения в сплавах Fe–20Mn–Al–C (а) при 900 °С и (б) 1200 °С, рассчитанные на основе подхода CALPHAD (адаптированные с использованием данных [23]), в сравнении с экспериментальной информацией [21 ].

      2.1. Классификация легких сплавов Fe–Al–Mn–C

      В зависимости от состава матричной фазы легкие сплавы Fe–Al–Mn–C можно разделить на три категории: (i) ферритные стали [25–27], ( ii) дуплексные стали [28–31] и (iii) аустенитные базовые стали [16, 17, 32–34], как указано в таблице . Ферритные сплавы низкой плотности на основе Fe–Al могут содержать средний Mn 6–8 % [35]. Этот тип сплава может иметь либо неупорядоченную A2 α -(Fe, Al), B2-упорядоченную FeAl или DO3-упорядоченную Fe 3 Al в качестве доминирующей фазы.Они имеют значительный потенциал в качестве конструкционных материалов для высокотемпературных применений. Но отсутствие пластичности при температуре окружающей среды при увеличении содержания Al выше 6–8 % ограничивает применимость из-за возникновения дальнего упорядочения между Fe и Al. Дальнейшее увеличение содержания Al приводит к образованию интерметаллидов на основе Fe–Al, таких как DO3-Fe 3 Al и B2-FeAl [36].

      Таблица 1.

      Составляющие микроструктуры легких сплавов (приблизительные диапазоны в мас.%).

      На основе феррита Дуплекс На основе аустенита
      (5–8)Al, (0–0,3)C, (0–8)Al9 902 0,1–0,7)C, (5–30)Mn (8–12)Al, (0,5–1,2C), (15–30)Mn
      Феррит+ κ -карбид ( κ -карбид выделяется при добавлении C и Mn) Аустенит+феррит+ κ -карбид Аустенит+ κ -карбид

      быть повышена за счет равномерного выделения κ -карбида при старении при температурах ниже 650 °С.Обработку раствора перед старением обычно проводят при температуре выше 1000 °С [12, 16, 20, 21, 37–40]. Закаленная микроструктура представляет собой либо аустенит, либо дуплексную микроструктуру аустенита и феррита. В деформируемых сплавах Fe–Al–Mn–C аустенит имеет равноосную зернистую структуру, содержащую двойники отжига [16]. В деформируемых дуплексных сплавах полосы ферритовых стрингеров появляются параллельно направлению прокатки [28].

      2.2. Карбидные осадки

      Обычной практикой дисперсионного твердения является изотермическая выдержка в течение 10–20 ч в интервале температур 500–650 °С [16, 37, 41].При оптимальной температуре старения 550 °С выделяются мелкодисперсные когерентные карбиды диаметром около 10 нм, устойчивые к укрупнению при этой температуре [20, 42]. Sato et al [40] показали, что осаждение κ -карбида требует диффузии как C, так и Al в аустените. На рисунке показано влияние химического состава на осаждение κ -карбида. Два сплава Fe-29Mn-4,9Al-0,98C и Fe-34Mn-7,1Al-0,5C не упрочнялись старением при временах старения до 2000 мин при 550 °C, а Fe-34Mn-11Al-0.Сплавы 98C и Fe–31Mn–7,8Al–0,88C с более высоким содержанием Al или C показали заметное старение. В первых сплавах не наблюдалось выделения κ -карбида, что означает, что химической движущей силы для выделения недостаточно при недостатке либо Al, либо C.

      Влияние химического состава на кривые твердости показано в виде функции время старения при 550 °С. Сплавы, содержащие наименьшее количество алюминия (Fe-29Mn-4,9Al-0,98C) и/или наименьшее количество углерода (Fe-34Mn-7.1Al–0,5C) не упрочняются при старении (адаптировано с использованием данных Sato и др. [40]).

      Согласно Ishida et al. [21], метастабильная полностью аустенитная микроструктура может быть получена в сплавах Fe–(25–30)Mn–Al–C после обработки на твердый раствор выше 900 °C с последующей закалкой до комнатной температуры в течение при содержании Al менее 10 % и концентрации C 0,8–1,4 %. Ishida et al [21] не обнаружили выделения κ -карбида в метастабильной аустенитной микроструктуре с помощью оптической микроскопии.Однако Бентли [42] наблюдал распад аустенита, демонстрирующий дифракционную картину упорядочения L12, используя просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ) в листах Fe-32Mn-11Al-(0,8-1,0)C, которые были обработаны на твердый раствор при 1000 °C и быстро охлаждены закалка в масле или закалка в рассоле. Дифракционная картина идентична наблюдаемой в хорошо развитых карбидах после старения. Он предположил, что начальная стадия распада аустенита в сплавах Fe–Al–Mn, содержащих 0,8–1 % С, происходит при закалке от температуры обработки на твердый раствор, а последующее выделение карбидов не является результатом зародышеобразования и роста при температуре старения.Идея выделения κ -карбида при охлаждении после обработки на твердый раствор также поддерживается Lin et al [43] и Sutou et al [17]. Sutou et al. наблюдали карбид κ в обработанных раствором сплавах Fe–20Mn–Al–C, когда содержание C и Al превышало 1,8 и 11% соответственно. Можно с уверенностью заключить, что κ -карбид может осаждаться даже при быстром охлаждении после обработки раствором при условии, что движущая сила для осаждения достаточна.Некоторые исследователи предполагают [39, 44], что спинодальная реакция вызывает модуляцию Al и C в аустените. Локализованный химический потенциал от модуляции может усиливать образование метастабильного преципитата L12, который затем трансформируется в карбид E21 κ за счет C-упорядочения. Однако в литературе не сообщалось о прямых доказательствах реакции предшественника L12.

      3. Влияние легирующих элементов на механические свойства

      Поскольку опубликован интенсивный обзор Howell et al. [45] по механическим свойствам упрочняющихся при старении сплавов Fe–Al–Mn–C, мы ограничили наше внимание вопросы механических свойств обработанных на твердый раствор и/или отожженных кованых листов, совместимых с условиями обработки автомобильной стали.На рисунке представлены механические свойства легких сплавов на основе Fe–Al–Mn–C с точки зрения предела прочности при растяжении и общего удлинения. Данные для ферритных сплавов системы Fe–Al [9, 16] приведены по результатам испытаний на растяжение при скоростях деформации от 10 −4 до 10 −2 с −1 . Все данные [9, 13, 16, 17, 29, 33, 46] относятся к образцам, обработанным на твердый раствор и закаленным в воде, за исключением высокоалюминиевых ТРИП-сталей [28, 30], которые были отожжены при температуре около 800 °С после холодная прокатка. В аустенитных и дуплексных сталях открытые символы означают охлаждение на воздухе после обработки на твердый раствор при температуре 1100 °С.Обработка растворов для всех данных проводилась в диапазоне температур от 1000 до 1100 °С. Время изотермической выдержки при 1000 и 1100 °С составило 1–2 ч и 10–15 мин соответственно. Испытание на растяжение проводили при скоростях деформации в диапазоне от 10 -4 до 10 -3 с -1 с при температуре окружающей среды.

      Полное удлинение при растяжении как функция предела прочности при растяжении в сплавах на основе Fe–Al–Mn–C. Все данные относятся к образцам, обработанным на твердый раствор и закаленным в воде, за исключением сталей TRIP с высоким содержанием алюминия, которые были отожжены при температуре около 800 °C после холодной прокатки, среди аустенитных и дуплексных сталей.Открытые символы означают охлаждение на воздухе после обработки раствора при температуре 1100 °С. (TS и TE означают предел прочности при растяжении и полное удлинение, соответственно.)

      Ферритные сплавы на основе Fe–Al демонстрируют более низкую прочность и меньшее общее удлинение по сравнению с аустенитными и дуплексными сталями. В аустенитных и дуплексных сталях однофазные аустенитные стали показывают более высокое общее удлинение, чем дуплексные стали, в то время как уровни прочности почти одинаковы. Аустенитные однофазные стали, подвергнутые закалке в воде после обработки на твердый раствор, характеризуются высокой пластичностью при растяжении.При воздушном охлаждении аустенитных и дуплексных сталей прочность увеличивается за счет пластичности. При образовании крупных κ -карбидов в аустенитной матрице сплавы не проявляли никакого удлинения при растяжении независимо от уровня прочности.

      3.1. Влияние содержания углерода

      Влияние содержания углерода на механические свойства сплавов Fe–Al–Mn–C представлено на рис. Перед закалкой в ​​масле или воде образцы обрабатывали раствором. На рисунке (а) показаны изменения механических свойств в Fe-(28-30)Mn-(8.5–9,4)сплавы Al–C [43, 46, 48]. Прочность сплавов увеличивается с увеличением содержания С. Интересно, что он нечувствителен к изменению составляющей фазы. Предел текучести увеличивается с большей скоростью, чем предел прочности при растяжении, что указывает на постепенное снижение потенциала деформационного упрочнения с увеличением содержания углерода. Общее удлинение увеличивается до тех пор, пока матрица не станет однофазной аустенитной, а затем быстро уменьшается с увеличением содержания С после максимального пика при 0,8% С. Резкое ухудшение пластичности может быть связано с выделением (или упорядочением) карбида κ при охлаждении. после обработки раствором.Как только получена единственная аустенитная фаза, избыток углерода может удобрять выделения κ -карбида во время охлаждения за счет увеличения движущей силы. На рис. (б) представлены механические свойства сплавов Fe–20Mn–(9–10)Al–C [17, 29] в зависимости от содержания С. Хотя содержание Mn значительно снижено до 20 %, общие тенденции механических свойств сравнимы со сплавами Fe–(28–30)Mn–(8,5–9,4)Al–C, за исключением того, что единая аустенитная матрица появляется при содержании C около 1 %. где появляется максимальное полное удлинение.Смещение положения пика от 0,8 до 1,0% C на рисунках (a) и (b) можно объяснить разницей в стабильности аустенита, возникающей из-за разного содержания Mn.

      Влияние содержания углерода на механические свойства сплавов Fe–Al–Mn–C. Сплавы обрабатывали на твердый раствор и быстро охлаждали закалкой в ​​масле или в воде. (а) сплавы Fe–(28–30)Mn–(8,5–9,4)Al–C [43, 46, 48], (б) сплавы Fe–20Mn–(9–10Al)–C [17, 29] и (c) сплавы на панелях (a) и (b). Цифры в символах означают содержание углерода в мас.%.(YS, TS и TE означают предел текучести, предел прочности при растяжении и общее удлинение, соответственно.)

      На рисунке (c) представлены механические свойства на рисунках (a) и (b). Цифры в символах означают содержание С в мас.%. По сравнению со сплавами Fe–20Mn–(9–10)Al–C сплавы Fe–(28–30)Mn–(8,5–9,4)Al–C демонстрируют лучшее общее удлинение при том же уровне прочности. Однако следует отметить, что сообщаемые значения общего удлинения очень чувствительны к уровню прочности. Например, сплав с более высоким содержанием Mn демонстрирует на 40% большее удлинение, чем сплав с более низким содержанием Mn, при пределе прочности при растяжении около 850 МПа.Но при небольшом увеличении предела прочности на растяжение на 50 МПа оба сплава показывают практически одинаковое полное удлинение при разном содержании Mn. В рассматриваемом диапазоне углерода общая тенденция указывает на то, что увеличение содержания Mn благотворно влияет на механический баланс, но считается необходимым более подробное исследование.

      3.2. Влияние содержания алюминия

      Влияние содержания Al на механические свойства сплавов Fe–Al–Mn–C показано на рисунке [13, 17, 25, 33].Все сплавы перед закалкой в ​​воду подвергались обработке на твердый раствор при температуре выше 1000 °С. Испытания на растяжение проводили при скоростях деформации от 3,3·10 -4 до 1·10 -3 с -1 с при комнатной температуре. На рис. (а) показано изменение механических свойств сплавов Fe–(20–22)Mn–0,6C–Al [17, 33] и ферритных сплавов Fe–Al [25] в зависимости от содержания Al. В бинарных ферритных сплавах Fe–Al увеличение содержания Al приводило к увеличению прочности за счет общего удлинения.В сплавах Fe–(20–22)Mn–0,6C–Al составляющая фаза изменилась с одиночного аустенита на дуплексную микроструктуру, состоящую из аустенита и феррита, при увеличении содержания Al более чем на 10%. Однако тенденция изменения механических свойств с содержанием Al не зависит от изменения входящей фазы. Добавление Al повышало прочность при одновременном снижении пластичности ферритных, аустенитных и дуплексных сталей при содержании Al от 3 до 13%. Резкое снижение предела прочности на растяжение при содержании Al 0–3 % объясняется подавлением механического двойникования, вызванного увеличением энергии дефекта упаковки.Прочность на растяжение в сплавах Fe–(20–22)Mn–0,6C–Al увеличивается с увеличением содержания Al более 3 %. Возможно, это связано с тем, что механизм деформации меняется с двойникования на плоскостное скольжение, возникающее в результате сдвига упорядоченных частиц. Это будет дополнительно обсуждаться в следующем разделе.

      Влияние содержания алюминия на механические свойства сплавов Fe–Al–Mn–C. а) сплавы Fe–(20–22)Mn–0,6C–Al [17, 33] и однофазные ферритные сплавы Fe–Al [25]. (б) Однофазный аустенитный Fe–(20, 30)Mn–(0.9, 1) сплавы C–Al [13, 17]. Сплавы Fe–Al–Mn–C подвергались обработке на твердый раствор при температуре выше 1000 °С и закалке в воде. Испытания на растяжение проводили при скоростях деформации от 3,3·10 -4 до 1·10 -3 с -1 с при комнатной температуре.

      На рис. (б) показано изменение механических свойств однофазных аустенитных сплавов Fe–30Mn–0,9C–Al и Fe–20Mn–1C–Al [13, 17] в зависимости от содержания Al. По сравнению со сплавами Fe–(20–22)Mn–0,6C–Al оба сплава, представленные на рис. (б), демонстрируют однофазную аустенитную матрицу во всем рассматриваемом диапазоне Al благодаря более высокому содержанию C и Mn.Интересно, что существует преемственность между механическим поведением сплавов Fe-30Mn-0,9C-Al и сплавов Fe-20Mn-1,0C-Al в отношении содержания Al, несмотря на заметную разницу в содержании Mn. Это кажется противоречащим рисунку (с), который указывает на благотворное влияние Mn на общее удлинение. Однако, как уже упоминалось, такое влияние Mn очень чувствительно к уровню прочности, поэтому прямое сравнение будет затруднено. Склонность механических свойств сравнима с Fe–(20–22)Mn–0.6C-Al, что указывает на то, что предел прочности при растяжении постепенно снижается до минимума, а затем увеличивается, хотя содержание Al с наименьшим пределом прочности при растяжении смещено по сравнению с рисунком (а). Между тем цифры и указывают на повышение прочности и ухудшение пластичности за пределами определенных уровней содержания С и А1. Это, возможно, означает важность контроля химической движущей силы осаждения карбида κ (или упорядочения), о котором упоминалось в предыдущем разделе, для конструкции материала с оптимальными механическими свойствами.

      3.3. Влияние содержания марганца

      Показано влияние содержания Mn на механические свойства сплавов Fe–10Al–1C–Mn (сплошные символы) [17, 48] и Fe–3Si–3Al–Mn (открытые символы) [4]. на рисунке. Все сплавы подвергались обработке на твердый раствор при температуре выше 1000 °С с последующей закалкой в ​​воде. Испытания на растяжение проводились при скоростях деформации в диапазоне от 1 × 10 -4 до 3,3 × 10 -4 с -1 с при комнатной температуре.

      Влияние содержания марганца на механические свойства Fe–10Al–1C–Mn (сплошные символы) [17, 48] и Fe–3Si–3Al–Mn (светлые символы) [4].Все сплавы подвергались обработке на твердый раствор при температуре выше 1000 °С и закалке в воде. Испытания на растяжение проводили при скоростях деформации от 1×10 -4 до 3,3×10 -4 с -1 с при комнатной температуре.

      Сплавы Fe–3Si–3Al–Mn (незакрашенные символы) и Fe–10Al–1C–Mn (сплошные символы) показали разное поведение с добавлением Mn. С увеличением содержания Mn в сплавах Fe–3Si–3Al–Mn (открытые символы) наблюдается повышение пластичности, сопровождающееся снижением прочности. Эти аустенитные сплавы демонстрируют переход от явлений TRIP к TWIP (пластичность, вызванная двойником) с увеличением содержания Mn из-за увеличения энергии дефекта упаковки, что приводит к высокой пластичности за счет предела текучести и скорости деформационного упрочнения.С увеличением содержания Mn от 20 до 29 % аустенитные сплавы Fe–10Al–1C–Mn (сплошные символы) практически не изменили механические свойства. Это означает, что Mn мало влияет на движущую силу образования карбида κ в аустенитных сплавах Fe–Al–Mn–C.

      3.4. Влияние добавки хрома

      Представлено влияние добавки Cr на механические свойства сплавов Fe–20Mn–11Al–1,8C (сплошные символы) [17] и Fe–20Mn–10Al–1,5C (светлые символы) [17]. на рисунке.Все сплавы были обработаны на твердый раствор при 1100 °С в течение 15 мин перед закалкой в ​​воде. Матричная фаза представляла собой аустенит. Испытания на растяжение проводились при скорости деформации 3,3 × 10 91 735 -4 91 736 с 91 735 -1 91 736 при комнатной температуре. Из рисунка совершенно очевидно, что добавление Cr к сплавам Fe-Al-Mn-C привело к увеличению пластичности и снижению прочности в обоих сплавах. Это связано с подавлением выделения κ -карбида добавлением Cr. Эта идея подтверждается микроструктурными наблюдениями Sutou et al. [17], которые показали, что фазовая граница аустенит/(аустенит + κ -карбид) сместилась в сторону высокого C при добавлении Cr.

      Влияние добавки хрома на механические свойства сплава Fe–20Mn–11Al–1,8C (сплошные символы) [17] и сплава Fe–20Mn–10Al–1,5C (открытые символы) [17]. Все сплавы подвергались обработке на твердый раствор при 1100 °С в течение 15 мин и закалке в воде. Испытания на растяжение проводились при 3,3 × 10 -4 с -1 при комнатной температуре.

      4. Влияние легирующих элементов на плотность аустенитных сталей

      Фроммейер и Брюкс [16] исследовали снижение плотности в зависимости от Al и Mn.В диапазоне содержания марганца от 14 до 28 % зафиксировано линейное снижение плотности в зависимости от концентрации алюминия. Общее снижение плотности сосуществующих аустенитных и ферритных твердых растворов Fe(Mn, Al) было проанализировано на основе комбинированного влияния расширения решетки и средней молекулярной массы сплавов. Они показали, что добавление Mn мало повлияло на плотность по сравнению с Al. В их статье вклад C не упоминается. Кроме того, снижение плотности в каждой фазе феррита или аустенита отдельно не анализировалось.

      В 1984 г. Чарльз и др. [49] систематически определили параметр аустенитной решетки сплавов Fe–Al–Mn–C с помощью рентгеновской дифракции в зависимости от химического состава. Для сплавов в диапазоне составов (20–40)% Mn, (0–5)% Al и (0–1)%C параметр аустенитной решетки был выбран как

      На основании приведенных выше экспериментальных данных мы оценили влияние каждого элемента на плотность аустенитных сталей. Результаты представлены на рисунках (а)–(в). Установлено, что количества Mn, C и Al имеют линейную зависимость от плотности.По наклону зависимости плотности от содержания сплава можно оценить эффективность каждого элемента в снижении плотности. Как сообщили Фроммейер и Брюкс [16], добавление марганца очень мало влияло на плотность по сравнению с алюминием (-0,0085 г см -3 на 1% Mn и -0,101 г см -3 на 1% алюминия). Однако из рисунка (b) было обнаружено, что С очень эффективно снижает плотность (-0,41 г см -3 на 1% С). Путем линейной комбинации влияний каждого элемента плотность аустенитных сплавов Fe–Al–Mn–C можно сформулировать как

      Плотность аустенитных сталей рассчитывали по уравнению (2) и сравнивали с экспериментальными данными на основе рентгеновской дифракции на рисунке (d).Оба показали довольно хорошее совпадение в широком диапазоне плотностей, подтверждая применимость уравнения (2).

      Плотность аустенита, оцененная на основе параметра решетки, определенного Чарльзом и др. [49]. Влияние каждого легирующего элемента показано на панелях (а)–(в): (а) марганец, (б) углерод и (в) алюминий. Плотности из уравнения (2) сравнивают с плотностью из параметра решетки с использованием XRD (рентгеновской дифракции) на панели (d).

      Плотность в зависимости от содержания алюминия.(а) Плотность аустенита сплавов Fe–30Mn–1C–Al, рассчитанная по уравнению (2) при различном содержании алюминия (0–10 %). Нижняя линейная кривая представляет общее снижение плотности. Верхний показывает снижение плотности из-за расширения решетки аустенита. (б) Расчетная плотность аустенитных сплавов Fe–30Mn–1C–Al сравнивается с плотностью ферритных сплавов Fe–Al [16].

      Плотность аустенитных сплавов Fe–30Mn–1C–Al рассчитывали по уравнению (2) и отображали в зависимости от содержания Al на рисунке (а).Нижняя линейная кривая представляет общее снижение плотности. Верхний показывает снижение плотности из-за расширения решетки аустенита. На рис. (б) расчетная плотность аустенитного сплава Fe–30Mn–1C–Al сравнивается с измеренной плотностью ферритных сплавов Fe–Al [16]. Хотя плотность аустенитных сплавов Fe–30Mn–1C–Al значительно ниже плотности ферритных сплавов Fe–Al из-за значительного содержания C и Mn, эффективность Al в снижении плотности практически одинакова в ферритных и аустенитных сплавах. поскольку наклоны двух кривых для ферритных и аустенитных сплавов почти одинаковы.

      5. Деформационный механизм

      5.1. Аустенитные стали

      Деформационное поведение аустенитных сталей сильно зависит от энергии дефекта упаковки, как показано в таблице. Мартенситное превращение под действием деформации и механическое двойникование являются механизмами деформации, конкурирующими со скольжением дислокаций. Известно, что вызванное деформацией мартенситное превращение преобладает, когда энергия дефекта упаковки аустенита меньше примерно 20 мДж м -2 [50, 51]. Когда энергия дефекта упаковки увеличивается более чем на 20 мДж м -2 , механическое двойникование, вероятно, будет контролировать деформацию.

      Таблица 2.

      Деформационное поведение аустенитных сплавов.

      Укладка энергии неисправностей (MJ M -2 ) менее ~ 20 около 20-40 больше, чем ~ 30 больше, чем ~ 30
      Механизм первичного деформации Martensite Скольжение дислокаций (плоское скольжение наблюдается во многих высокоалюминиевых сталях)

      Frommeyer et al. содержание Mn от 15 до 25%.При концентрациях Mn 15–20 % сильный вклад вносило вызванное деформацией мартенситное превращение ( γ ГЦК ε ГПУ α ′). С увеличением содержания Mn до 22 % энергия дефекта упаковки возрастала, и основным механизмом деформации стало механическое двойникование. Лай и Ван [52] наблюдали уменьшение механического двойникования при добавлении 7% Al к сплавам Fe–(29,2–30,1)Mn–(0,81–0,95)C, что приводило к увеличению энергии дефекта упаковки.

      При энергии дефекта упаковки более 30–40 мДж·м −2 при деформации высокомарганцевых сплавов наблюдается образование дислокационной ячейки [53]. Дислокационная ячейка обычно наблюдается при деформации ГЦК-материалов с высокой энергией дефекта упаковки из-за активного поперечного скольжения. Когда ГЦК-материалы с низкой энергией дефекта упаковки деформируются, однородное распределение дислокаций обычно проявляется в виде плоского скольжения [54]. Однако многие аустенитные сплавы Fe–Al–Mn–C деформируются за счет плоского скольжения дислокаций, а не волнообразного скольжения, несмотря на высокую энергию дефекта упаковки [16, 32, 33, 46].В сплаве Fe–28Mn–12Al–1C, подвергнутом старению в течение 16 ч при 550 °С, обнаружены полосы сдвига по планарному скольжению даже при расчетной энергии дефекта упаковки 110 мДж м –2 [16]. Park et al. также сообщили, что сплав Fe–28Mn–9Al–0,8C, обработанный на твердый раствор, деформировался при скольжении плоских дислокаций, несмотря на расчетную энергию дефекта упаковки 85 мДж м –2 [46].

      Фроммейер и Брюкс [16] предположили, что возникновение плоского скольжения в сплаве Fe–Al–Mn–C с высокой энергией дефекта упаковки обусловлено наличием наноразмерных выделений κ -карбида.Парк и др. [33] и Парк [47] приписали плоскую скользящую моду деформации явлению смягчения скольжения, связанному с ближним упорядочением в состоянии твердого раствора. Недавно Choi et al. [32] показали, что плоскостное скольжение, наблюдаемое в аустенитном сплаве Fe–28Mn–9Al–0,8C, содержащем выделения κ -карбида, в основном связано со сдвигом выделений κ -карбида дислокациями. . На рисунке видно, что выделения κ -карбида сдвигаются полосами скольжения.

      Темнопольное изображение ПЭМ, показывающее сдвиг частиц карбида κ полосой скольжения [32] (воспроизведено с разрешения [32] © Elsevier, 2010).

      5.2. Дуплексные (

      α + γ ) стали

      Hwang и др. [29] недавно сообщили о деформационном поведении сплава Fe–20Mn–9Al–0,6C с дуплексной микроструктурой феррита и аустенита. Они показали, что плоскостное скольжение преимущественно происходит в аустените даже при относительно высокой энергии дефекта упаковки около 70 мДж м -2 .В аустените при деформации растяжением не происходит ни механического двойникования, ни деформационного мартенситного превращения. Феррит демонстрирует структуру дислокационных ячеек, которая обычно наблюдается при волнообразном скольжении дислокаций в материалах.

      5.3. Дуплексные (

      δ -феррит + γ ) TRIP-стали

      Так называемые легкие TRIP-стали имеют дуплексную микроструктуру, состоящую из δ -феррита и аустенита, благодаря низкому содержанию C (0,1–0,4%) и среднему содержанию Легирование Mn (3–6%) и Al (3–6%) (см. фазовую диаграмму на рисунке (c)).Отсутствие однофазной аустенитной области при высокой температуре приводит к тому, что стрингерная полоса феррита δ параллельна направлению первичной прокатки [28]. Оптимальным отжигом деформируемых сплавов при температуре около 800°С можно получить дуплексные легкие сплавы Fe-Mn-Al(Si)-C, имеющие бимодальную структуру, состоящую из сгруппированных частиц аустенита с крупной ферритовой стрингерной матрицей. Seo et al [30] исследовали деформационное поведение сплава Fe–3,5Mn–5,9Al–0,4C и обнаружили, что большая часть деформации приходится на феррит, в то время как сгруппированные аустенитные частицы подвергаются мартенситному превращению, вызванному деформацией.Однако некоторые из аустенитных частиц не проявляют мартенситного превращения, когда они имеют неблагоприятную ориентацию против деформации в направлении нагрузки. Деформационно-индуцированное мартенситное превращение аустенитных частиц привело к хорошему сочетанию свойств при растяжении (предел прочности при растяжении более 800 МПа и полное удлинение более 40%). Рю и др. [55] исследовали деформационное поведение сплава Fe–5,8Mn–3,1Al–0,47Si–0,12C. Они также сообщили о предпочтительном напряжении в грубой ферритовой матрице во время деформации растяжения.Было продемонстрировано, что разделение деформации на крупную ферритовую матрицу может ввести в заблуждение при анализе стабильности аустенита, если его оценивать на основе кажущейся деформации, приложенной к образцу. Другими словами, механическая стабильность аустенитных частиц, окруженных грубой ферритовой матрицей, может быть переоценена, если должным образом не учитывать предпочтительное приспособление к деформации в феррите.

      6. Заключение

      Легкие сплавы Fe–Al–Mn–C представляют собой систему сплавов с очень гибкими свойствами.Типичные составы находятся в диапазоне 3–30% Mn, 3–12% Al и 0,1–1,5% C с балансом Fe. Обработанные раствором сплавы имеют однофазную аустенитную матрицу или дуплексную матрицу, состоящую из феррита и аустенита в зависимости от относительного содержания C, Mn и Al. С дисперсией наноразмерных карбидов κ в аустенитной матрице эти сплавы обладают превосходной прочностью.

      • • Энергия дефекта упаковки сильно влияет на механические свойства полностью аустенитных сплавов с высоким содержанием Mn (>15%Mn) и низким содержанием Al (<3-6%Al).Однако, когда содержание Al выше, механические свойства также контролируются осаждением κ -карбида.
      • • Даже во время закалки водой при обработке на твердый раствор κ -карбиды могут выделяться при условии, что химическая движущая сила достаточно высока из-за большего содержания C и Al.
      • • Влияние легирующих элементов на плотность аустенитных сплавов Fe–Al–Mn–C критически проанализировано на основе литературы. С точки зрения снижения плотности на 1 мас.% добавки эффективность C примерно в четыре раза выше, чем у Al.
      • • Аустенитные сплавы Fe–Al–Mn–C, содержащие карбиды κ , деформируются в режиме плоского скольжения, связанного с разупрочнением плоскости скольжения, возникающим при сдвиге карбида κ дислокацией.

      Несмотря на то, что до сих пор было опубликовано множество исследований легких сплавов Fe-Al-Mn-C, все еще существует много стимулирующих и вдохновляющих задач, которые необходимо решить, чтобы оживить эту область интересов. Особое внимание будет уделено следующим видам деятельности:

      • • Контроль выделения карбида κ при непрерывном охлаждении в различных термических режимах:

        Большинство механических свойств, рассматриваемых в данной статье, были получены в условиях обработки на твердый раствор.Во избежание неконтролируемого осаждения карбидов κ большинство сплавов Fe–Al–Mn–C подвергались закалке в воде при температурах обработки на твердый раствор выше 1000 °C. Для проектирования легких сталей, которые могут быть совместимы с промышленными условиями, очень важно иметь меры по контролю выделения карбида κ ;

      • • более глубокий анализ взаимодействия дислокация-частица:

        фундаментальная причина, по которой легкие сплавы Fe–Al–Mn–C упрочняются за счет плоскостного скольжения, до сих пор неизвестна.Недавние исследования выявили сдвиг κ -карбидов дислокацией, ответственной за плоскостное скольжение. Тем не менее влияние размера и состава выделения на взаимодействие с дислокацией неизвестно. Дальнейший прогресс ожидается от динамики дислокаций в сочетании с наблюдением ПЭМ на месте и расчетами ab initio ;

      • • Меры по использованию DO3-Fe 3 Интерметаллиды Al и/или B2-FeAl в качестве вторых фаз в матрице сплава:

        В настоящее время максимальное содержание Al в сплавах Fe-Al-Mn-C составляет около 12 %.Дальнейшее увеличение содержания Al представляет интерес для получения более высокого снижения плотности, если можно избежать неконтролируемого образования κ -карбида. Одним из возможных путей повышения содержания Al является использование интерметаллидов Fe-Al в качестве второй фазы; это может пролить больше света на эту новую область.

      Ссылки

      • Bhadeshia H K D H. Proc. Р. Соц. Лонд. А. 2010; 466:3–18. doi: 10.1098/rspa.2009.0407. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Fan D W, Kim H S.и De Cooman BC Steel Res. Междунар. 2009; 80: 241–8. [Google Scholar]
      • Jang J H, Lee C H, Heo Y U. и Suh D W. Acta Mater. 2012;60:208–17. doi: 10.1016/j.actamat.2011.09.051. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Grässel O, Krüger L, Frommeyer G. and Meyer L W. Int. Дж. Пласт. 2000;16:1391–409. doi: 10.1016/S0749-6419(00)00015-2. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Lee P Y, Chiu C S, Gau Y J. and Wu J K. High Temp. Матер. проц. 1992; 10:141–4. [Google Scholar]
      • Ши С Т, Тай С Ю.и Пернг Т.П. Коррозия. 1993; 49:130–4. doi: 10.5006/1.3299207. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Saxena V K, Krishna M S G, Chhaunker P S. and Radhakrishnan V M. Int. Дж. Пресс. Сосуды Пип. 1994; 60: 151–7. doi: 10.1016/0308-0161(94)

        -3. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Zhu X M. и Zhang Y S. Коррозия. 1998; 54:3–12. doi: 10.5006/1.3284826. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Herrmann J, Inden G. и Sauthoff G. Acta Mater. 2003; 51: 2847–57. doi: 10.1016/S1359-6454(03)00089-2.[CrossRef] [Google Scholar]
      • Хамада А. С. и Карьялайнен Л. П. Кан. Металл. В. 2006; 45:41–8. doi: 10.1179/000844306794409020. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Моррис Д. Г., Муньос-Моррис М. А. и Рекехо Л. М. Acta Mater. 2006; 54: 2335–41. doi: 10.1016/j.actamat.2006.01.008. [CrossRef] [Google Scholar]
      • James P. J. Iron Steel Inst. 1969; 207: 54–7. [Google Scholar]
      • Lai H J. and Wan C M. J. Mater. науч. 1989; 24: 2449–53. doi: 10.1007/BF01174510. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Chen F C, Li P, Chu S L.и Чоу С.П. Scr. Металл. Матер. 1991; 25: 585–90. doi: 10.1016/0956-716X(91)

        -J. [CrossRef] [Google Scholar]

      • Kim Y G, Han J M. and Lee J S. Mater. науч. англ. А. 1989; 114:51–9. doi: 10.1016/0921-5093(89)-7. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Frommeyer G. and Brüx U. Steel Res. Междунар. 2006; 77: 627–33. [Google Scholar]
      • Sutou Y, Kamiya N, Umino R, Ohnuma L. and Ishida K. ISIJ Int. 2010;50:893–9. doi: 10.2355/isijinternational.50.893. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Koster W.и Тонн В. Арч Эйзенхюттенвес. 1933; 7: 365–6. [Google Scholar]
      • Schmatz D J. Trans. АЙМЕ. 1959; 215:121–3. [Google Scholar]
      • Кривоногов Г С, Алексеенко М Ф, Соловьева Г Г. Phys. Металлы Металл. 1975; 39: 86–92. [Google Scholar]
      • Исида К., Отани Х., Сато Н., Кайнума Р. и Нисидзава Т. ISIJ Int. 1990;30:680–6. doi: 10.2355/isijinternational.30.680. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Аксельрад О., Калашников И.С., Сильва Э.М., Симао Р.А., Ачете С.А. и Перейра Л.С.Металл. Матер. Транс. А. 2002; 33:3569–72. doi: 10.1007/s11661-002-0345-5. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Чин К. Г., Ли Х. Дж., Квак Дж. Х., Канг Дж. Ю. и Ли Б. Дж. Дж. Alloys Compounds. 2010;505:217–23. doi: 10.1016/j.jallcom.2010.06.032. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Lee H J, Sohn S S, Lee S, Kwak J H. and Lee B J. Scr. Матер. 2012 (http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.10.032) [Google Scholar]
      • Frommeyer G, Drewes E J. and Engl B. Rev. Metall. Ках. Инф. Тех. 2000;97:1245–53.[Google Scholar]
      • Фалат Л., Шнайдер А., Саутхофф Г. и Фроммейер Г. Интерметаллиды. 2005; 13:1256–62. doi: 10.1016/j.intermet.2004.05.010. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Rana R, Liu C. and Ray R K. Scr. Матер. 2012 (http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.10.004) [Google Scholar]
      • Suh DW, Park SJ, Lee TH, Oh CS и Kim SJ. Metall. Матер. Транс. А. 2010;41:397–408. doi: 10.1007/s11661-009-0124-7. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Hwang S W, Ji J H, Lee E G.и Парк К. Т. Матер. науч. англ. А. 2011;528:5196–203. doi: 10.1016/j.msea.2011.03.045. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Seo C H, Kwon K H, Choi K, Kim K H, Kwak J H, Lee S. and Kim N J. Scr. Матер. 2012;66:519–22. doi: 10.1016/j.scriptamat.2011.12.026. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Park S J, Hwang B, Lee K H, Lee TH, Suh D W. and Han H N. Scr. Матер. 2012 (http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.09.030) [Google Scholar]
      • Чхве К., Сео Ч., Ли Х., Ким С.К., Квак Дж.Х., Чин К.Г., Пак К.Т.и Ким Н. Дж. Скр. Матер. 2010;63:1028–31. doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.07.036. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Park K T, Jin K G, Han S H, Hwang S W, Choi K. and Lee C S. Mater. науч. англ. А. 2010;527:3651–61. doi: 10.1016/j.msea.2010.02.058. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Frommeyer G, Brüx U. and Neumann P. ISIJ Int. 2003; 43: 438–46. doi: 10.2355/isijinternational.43.438. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Heo Y U, Song Y Y, Park S J, Bhadeshia HK D H и Suh D W. Metall.Матер. Транс. А. 2012;43:1731–5. doi: 10.1007/s11661-012-1149-x. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Кубашевский О. Айрон — Бинарные фазовые диаграммы. Нью-Йорк: Спрингер; 1982. [Google Scholar]
      • Сторчак Н А., Драчинская А Г. Физ. Встретил Металл. 1977; 44: 123–30. [Google Scholar]
      • Сато К., Тагава К. и Иноуэ Ю. Скр. Металл. 1988; 22: 899–902. doi: 10.1016/S0036-9748(88)80071-1. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Хан К. Х. и Чу В. К. Металл. Транс. А. 1989; 20: 205–14.[Google Scholar]
      • Сато К., Тагава К. и Иноуэ Ю. Металл. Транс. А. 1990; 21:5–11. [Google Scholar]
      • Калашников И., Аксельрад О., Шалькевич А. и Перейра Л. C. J. Mater. англ. Выполнять. 2000; 9: 597–602. doi: 10.1361/105994

        0345430. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Bentley A P. J. Mater. науч. лат. 1986; 5: 907–8. doi: 10.1007/BF01729270. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Lin C L, Chao C G, Bor HY. and Liu TF. Mater. Транс. 2010;51:1084–8. doi: 10.2320/матертранс.М2010013. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Kimura Y, Hayashi K, Handa K. and Mishima Y. Mater. науч. англ. А. 2002; 329–331: 680–5. [Google Scholar]
      • Howell R A. and Van Aken D C. Iron Steel Technol. 2009; 6: 193–212. [Google Scholar]
      • Yoo J D. and Park K T. Mater. науч. англ. А. 2008;496:417–24. doi: 10.1016/j.msea.2008.05.042. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Park K T. Scr. Матер. 2012 (http://dx.doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.10.004) [Google Scholar]
      • Chang SC, Hsiau Y H.и Ян М.Т.Дж. Матер. науч. 1989; 24:1117–20. doi: 10.1007/BF01148807. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Charles J, Berghezan A. and Lutts A. J. Physique Coll. С1. 1984; 45: 619–23. [Google Scholar]
      • Олсон Г. Б. и Коэн М. Металл. Транс. А. 1976; 7: 1897–904. [Google Scholar]
      • Олсон Г. Б. и Коэн М. Металл. Транс. А. 1976; 7: 1905–14. [Google Scholar]
      • Lai H J. and Wan C M. Scr. Металл. 1989; 23: 179–82. doi: 10.1016/0036-9748(89)-7. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Реми Л.и Пино А. Матер. науч. англ. 1977; 28: 99–107. doi: 10.1016/0025-5416(77)-3. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Kuhlmann-Wilsdorf D. Mater. науч. англ. А. 2001; 315: 211–6. doi: 10.1016/S0921-5093(01)01204-7. [CrossRef] [Google Scholar]
      • Ryu J H, Kim D I, Kim H S, Bhadeshia H K D H. and Suh D W. Scr. Матер. 2010;63:297–9. doi: 10.1016/j.scriptamat.2010.04.020. [CrossRef] [Google Scholar]

      Легирующие элементы в нержавеющей стали и других хромсодержащих сплавах

      Пьер-Жан Куна

      1 Введение

      Сила металлов в том, что их атомы удерживаются вместе сильными силами связи.Такие связи образуются между атомами металлов, позволяя их внешним электронам делиться со всеми окружающими атомами, в результате чего положительные ионы, то есть катионы, окружены облаком электронов (валентных электронов). Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо конкретным атомом. Это очень отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны являются общими для одного или двух атомов. Таким образом, металлическая связь является прочной и однородной.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы все равно обладают металлическими свойствами.

      Большинство металлов не используются в чистом виде, но в них добавляются легирующие элементы для изменения их свойств, и это может использоваться для конкретных применений. Присутствие доли второго элемента, связанного с металлом для образования сплава, т.е. хрома с железом с образованием сплавов Fe-Cr, может резко изменить некоторые его свойства.

      Чистое железо слишком мягкое, чтобы его можно было использовать в качестве структурного элемента, но добавление небольших количеств других элементов (например, углерода, марганца или кремния) значительно повышает его механическую прочность.Это связано с тем, что разные размеры атомов других элементов нарушают упорядоченное расположение атомов в решетке и не позволяют им так же легко скользить друг по другу.

      Легирующие элементы обладают способностью блокировать плоскости скольжения. В случае добавления хрома к железу (сплавы Fe-Cr) есть еще одно преимущество, заключающееся в огромном повышении коррозионной стойкости нового металлического сплава по сравнению с чистым железом. Хромсодержащих металлических сплавов насчитывается более сотни.Каждый из них был разработан для определенной потребности, и у каждого есть свой набор свойств и характеристик.

      Наиболее важными характеристиками, общими для всех хромсодержащих сплавов, включая нержавеющие стали, является то, что они содержат достаточное количество хрома, чтобы сделать их коррозионностойкими, устойчивыми к окислению и/или жаропрочными .

      Все эти сплавы содержат хром (Cr), марганец (Mn), кремний (Si), углерод (C), азот (Ni), серу (S) и фосфор (P), а также могут содержать: никель (Ni) , молибден (Mo), титан (Ti), ниобий (Nb), цирконий (Zr), медь (Cu), вольфрам (W), ванадий (V), селен (Se) и некоторые другие второстепенные элементы.

      1.1 Нержавеющая сталь

      Нержавеющая сталь

      — это общий термин для большого семейства коррозионностойких сплавов, содержащих не менее 10,50% хрома (в соответствии с европейским стандартом EN10088), которые могут содержать другие легирующие элементы. Нержавеющие стали можно разделить на пять категорий: мартенситные, ферритные, аустенитные, аустенитно-ферритные, так называемые дуплексные, и дисперсионно-твердеющие (PH).

      1.1.1 Мартенситные нержавеющие стали: сплавы Fe-Cr-C-(Ni-Mo)

      Эти сплавы имеют содержание хрома от 11.от 50 до 18,00%. Они имеют относительно высокое содержание углерода от 0,15 до 1,20% по сравнению с другими нержавеющими сталями, также может использоваться молибден. Эти сорта могут быть закалены путем термической обработки для придания прочности и твердости. Они магнитные. Обычно используются лезвия ножей, хирургические инструменты, стержни и т. д.

      1.1.2 Ферритная нержавеющая сталь: сплавы Fe-Cr-(Mo)

      В ферритных сортах содержание углерода поддерживается на низком уровне (C<0,08%), а содержание хрома может варьироваться от 10,50 до 30.00%. В то время как некоторые ферритные марки содержат молибден (до 4,00%), в качестве основного металлического легирующего элемента присутствует только хром. Эти сорта не могут быть закалены путем термической обработки. Ферритные марки являются магнитными и выбираются, когда ударная вязкость не является основной потребностью, но важна коррозионная стойкость, особенно к коррозионному растрескиванию под напряжением хлоридов (SCC). Обычно используются автомобильные выхлопные системы (11,00% Cr), автомобильная отделка (17,00% Cr-1,50% Mo), баки для горячей воды (18,00% Cr-2,00% Mo-Ti).

      1.1.3 Аустенитные нержавеющие стали: сплавы Fe-Cr-Ni-(Mo)

      В аустенитных сортах содержание углерода обычно поддерживается на низком уровне (C < 0,08%). Содержание хрома колеблется от 16,00 до 28,00%, а содержание никеля колеблется от 3,50 до 32,00%. Такой химический состав позволяет им сохранять аустенитную структуру от криогенных температур до температуры плавления сплава. Эти сплавы нельзя упрочнять термической обработкой. Ключевыми свойствами этих типов нержавеющей стали являются отличная коррозионная стойкость, пластичность и ударная вязкость.Общие области применения: оборудование для пищевой промышленности, оборудование для химической промышленности, бытовая техника и архитектурные приложения.

      1.1.4 Дуплекс-аустенитно-ферритные нержавеющие стали: сплавы Fe-Cr-Ni-(Mo)-N

      В дуплексных нержавеющих сталях содержание углерода поддерживается на очень низком уровне (C < 0,03%). Содержание хрома колеблется от 21,00 до 26,00 %, содержание никеля колеблется от 3,50 до 8,00 %, и эти сплавы могут содержать молибден (до 4,50 %). Эти марки имеют смешанную структуру феррита (50%) и аустенита (50%) и обладают физическими свойствами, отражающими эту структуру.Эти сплавы обладают магнитными свойствами и обладают более высоким пределом прочности при растяжении и текучести, чем аустенитные нержавеющие стали. Обычно используются в морских условиях, на нефтехимических заводах, в опреснительных установках, в теплообменниках и в бумажной промышленности.

      1.1.5 Дисперсионное твердение (PH): сплавы Fe-Cr-Ni-(Mo-Al-Cu-Nb)-N

      Высокая прочность, средняя коррозионная стойкость и простота изготовления являются основными преимуществами этого семейства марок нержавеющей стали. Эти марки обладают очень высокой прочностью после низкотемпературной (500-800°С) термической обработки.Поскольку можно использовать более низкую температуру, проблемы с деформацией детали сведены к минимуму, что позволяет использовать их для высокоточных деталей. Дисперсионно-твердые нержавеющие стали имеют начальную микроструктуру аустенита или мартенсита. Аустенитные марки превращаются в мартенситные марки посредством термической обработки перед дисперсионным твердением. Дисперсионное твердение (PH) возникает, когда обработка термическим старением вызывает осаждение твердых интерметаллических соединений из кристаллической решетки по мере отпуска мартенсита.

      Обычно используется в аэрокосмической и некоторых других высокотехнологичных отраслях.

      2 Углерод

      Углерод является неметаллическим элементом, который является важным легирующим элементом в материалах на основе черных металлов. Углерод всегда присутствует в металлических сплавах, т. е. во всех марках нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов. Углерод является очень сильным аустенитизатором и повышает прочность стали.

      Графит – Лейк-Харбор (Канада) – Предоставлено Ecole des Mines de Paris

      В аустенитных, ферритных и дуплексных нержавеющих сталях поддерживается на низком уровне (обычно 0.005% C до 0,03% C в низкоуглеродистых сортах) для сохранения желаемых свойств и механических характеристик.

      В мартенситные нержавеющие стали намеренно добавляется углерод для получения как высокой прочности, так и высокой твердости благодаря образованию мартенситной структуры.

      В мартенситные марки в качестве легирующего элемента добавляется углерод в количествах, варьирующихся от 0,15% до 1,2%, чтобы сделать эти сплавы термообрабатываемыми путем закалки и отпуска для образования этой мартенситной фазы.

      Основное влияние углерода на коррозионную стойкость определяется тем, как он присутствует в сплаве.

      Если он сочетается с хромом в качестве отдельного компонента (карбид хрома), он может отрицательно сказаться на коррозионной стойкости, удаляя часть хрома из твердого раствора в сплаве и, как следствие, уменьшая количество хрома, доступного для обеспечить коррозионную стойкость. Это неблагоприятное воздействие углерода может быть вызвано слишком медленным охлаждением сплава после горячей обработки или отжига или последующим повторным нагревом (как при сварке). Следствием этого является нежелательное осаждение карбидосодержащего хрома.Это осаждение углерода происходит на границах зерен и называется сенсибилизацией. Было продемонстрировано, что потеря хрома, связанная с выделением карбида, снижает коррозионную стойкость и вызывает восприимчивость к локальной коррозии, т. е. межкристаллитной коррозии, на границах зерен, следующих за сеткой карбидов хрома.

      3 Хром

      3.1 Открытие, история и источники

      В 1797 году французский профессор химии Луи-Николя Воклен открыл окись хрома в составе «сурика» (хромат свинца PbCrO 4 ), свинцовой руды из Березовска (Урал).В 1798 году он выделил металлический хром (хром по-французски) путем восстановления оксида. Он назван в честь греческого слова chroma (χρωμα), означающего цвет.

      Луи-Николя Вокленн

      Луи-Николя Воклен (1763-1829) изучал фармацию в Руане и Париже. Он стал профессором Политехнической школы (1794 г.), Коллеж де Франс (1801 г.), Музея естественной истории (1804 г.) и Парижской школы медицины (1809 г.).Он также открыл бериллий (1789 г.) и осмий (1804 г.).

      Основной рудой является хромит, шпинель, соответствующая общей формуле (Mg, Fe ++ ) (Cr, Al, Fe +++ ) 2O 4 и упрощенной формуле Cr 2 O 3 , FeO.

      Хром является 13-м -м наиболее распространенным элементом в земной коре со средней концентрацией порядка 400 частей на миллион. В 2002 году было добыто 14 млн тонн товарной хромитовой руды.На Южную Африку приходилось 46% производства, в то время как на Казахстан и Индию приходилось 36%, на Бразилию, Финляндию, Турцию и Зимбабве вместе приходилось 14% общего производства, в то время как 12 более мелких стран-производителей добавляли оставшиеся 4%. При нынешнем уровне потребления продемонстрированных запасов хватит на несколько столетий, а выявленных менее экономичных ресурсов достаточно, чтобы удвоить эту доступность.

      Хромовая руда: хромит – Mine Dyne (Новая Каледония) – предоставлено Ecole des Mines de Paris

      3.2 Физические свойства

      Хром представляет собой серебристо-серый переходный металл с относительной атомной массой (12С=12) 51,996, атомным номером 24, температурой плавления 1875°С и плотностью 7,190 кг/дм 3 . Он находится в группе VI периодической таблицы. Хром имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру.

      3.3 Металлургическое применение хрома

      Около 85% добываемого хромита используется в металлургии, а именно для производства нержавеющих сталей, низколегированных сталей, высокопрочных легированных сталей, инструментальных сталей и сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками, таких как хром-кобальт-вольфрамовые (или молибденовые) сплавы, никель- хром-марганцево-ниобий-танталовые (или титановые) сплавы, никель-хром-молибденовые сплавы, кобальт-хромовые сплавы и некоторые мартенситностареющие стали (высокопрочные легированные чугуны дисперсионно-твердеющего типа).

      Благодаря своей прочности и высокой коррозионной стойкости хром часто используется при гальванике и отделке металлов.

      3.4 Роль хрома в нержавеющих сталях

      Свойства, которые отличают нержавеющие стали, т. е. сплавы Fe-Cr-(Mo) и сплавы Fe-Cr-Ni-(Mo) от других коррозионно-стойких материалов, в основном зависят от хрома. Высокая степень реакционной способности хрома является основой эффективности хрома как легирующего элемента в нержавеющих сталях.Стойкость этих металлических сплавов к химическому воздействию агрессивных агентов определяется их способностью к самозащите за счет образования прочной нерастворимой пленки продуктов реакции, защищающей металлическую подложку от равномерного и локального воздействия. Защитная пленка называется пассивным слоем или пассивной пленкой. Это очень тонкий слой на поверхности, порядка 1,0–2,0 нм, который снижает скорость коррозии до незначительного уровня и имеет структуру, подобную хромиту.

      Чтобы пассивация происходила и оставалась стабильной, сплав Fe-Cr должен иметь минимальное содержание хрома около 11 % по весу, выше которого пассивация может проявиться, а ниже невозможна. Коррозионная стойкость сплавов Fe-Cr имеет тенденцию улучшаться по мере увеличения содержания хрома, и определенные изменения происходят при содержании около 11% Cr и снова при содержании около 17% Cr.
      Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Международной ассоциации разработчиков хрома (ICDA) www.icdacr.ком/

      4 Никель

      4.1 Открытие, история и источники

      В 1751 году шведский минералог и химик Аксель Фредрик Кронштедт обнаружил никель в виде примеси в рудосодержащем никколите (арсениде никеля). Он сообщил об этом как о новом элементе и предложил для него название никеля. Этот элемент занимает 24-е -е место в порядке распространенности в земной коре со средней концентрацией 80 ppm.

      Аксель Фредерик Кронштедт

      Аксель Фредрик Кронстедт (1722–1765), шведский минералог и химик, одним из первых осознал важность химических составляющих минералов и горных пород и известен своими усилиями по созданию новой минералогической системы.Ему также приписывают разработку экспериментальной процедуры, включающей систематическое использование духовых трубок для анализа химического состава минералов. Он написал «Очерк системы минералогии» (1758 г.).

      Двумя основными источниками этого металла являются никельсодержащие сульфиды внутри месторождений железно-медного пирита в Канаде, России (сибирские рудники), Новой Каледонии и Южной Африки, а также никельсодержащие латеритовые месторождения, такие как гарниерит (юго-восточная Азии, Австралии и Карибского бассейна).В 2001 году мировое производство никеля на рудниках составило 1,26 млн тонн, что является самым высоким показателем за всю историю. Основными странами-производителями были Россия (20%), Канада (15%), Австралия (15%) и Новая Каледония (10%).

      Никелевая руда: гарниерит (Новая Каледония) – предоставлено Ecole des Mines de Paris

      4.2 Физические свойства

      Никель представляет собой серебристо-белый переходный металл с относительной атомной массой (12C=12) 58.69, атомный номер 28, температура плавления 1453°C и плотность 8,902 кг/дм 3 . Он находится в группе VIII в периодической таблице. Он имеет гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру. Никель ферромагнитен до 353°С, его точки Кюри.

      4.3 Применение никеля в металлургии

      Около 65% производства никеля используется в производстве нержавеющей стали по сравнению с 45% десять лет назад. Высокоэффективные сплавы (на основе никеля), высокоэффективные сплавы на основе кобальта и железа и никеля) представляют собой еще одно растущее металлургическое конечное использование никеля.

      4.4 Роль никеля в нержавеющих сталях

      В нержавеющих сталях никель не оказывает прямого влияния на пассивный слой, но оказывает благотворное влияние, особенно в средах с серной кислотой. Благодаря никелю аустенитные нержавеющие стали, то есть сплавы Fe-Cr-Ni(Mo), демонстрируют широкий диапазон механических свойств, не имеющих аналогов ни у одной другой системы сплавов на сегодняшний день. Например, эти сплавы обладают превосходной пластичностью и ударной вязкостью даже при высоких уровнях прочности, и эти свойства сохраняются вплоть до криогенных температур.

      Никель

      повышает коррозионную стойкость сплавов на основе никеля по сравнению со сплавами на основе железа в условиях, когда пассивные слои могут отсутствовать или разрушаться локально или равномерно. Например, питтинговая коррозия имеет тенденцию развиваться медленнее в сплавах с высоким содержанием никеля.

      Первоначальные свойства сплавов Fe-Ni можно объяснить двумя основными явлениями. Одним из них является аномально низкое расширение в составах, близких к ИНВАР (36 % Ni), из-за большой спонтанной объемной магнитострикции и исключительно высоких электрических проницаемостей, обусловленных исчезновением различных анизотропий вблизи 80 % Ni.

      Никель образует основу жаропрочных суперсплавов из-за его способности образовывать адгезионные оксидные и дисперсионно-упрочняющие фазы на основе Ni 3 Al.

      Никель

      является умеренным упрочнителем, поэтому в низколегированную сталь можно добавлять большие количества, прежде чем прочность повысится до нежелательного уровня. В низколегированной стали никель, по-видимому, оказывает большее положительное влияние на температуру перехода ударной вязкости, чем любой другой легирующий элемент замещения.
      Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Института развития никеля (NiDI), теперь Институт никеля www.nidi.org

      5 Молибден

      5.1 Открытие, история и источники

      Хотя этот металл был известен древним культурам, молибден не был официально идентифицирован до 1778 года, когда шведский химик и аптекарь Карл Вильгельм Шееле произвел оксид молибдена, воздействуя на измельченный молибденит (MoS 3 ) концентрированной азотной кислотой, а затем выпаривая остаток до сухость.

      Карл Вильгельм Шееле

      Карл Вильгельм Шееле поступил в ученики к аптекарю в Гётеборге, когда ему было 14 лет. Когда ему было 28 лет, он переехал в Упсалу, чтобы работать аптекарем. Он был избран членом Стокгольмской королевской академии наук в 1775 году. В том же 1775 году он переехал в Кёпинг, где открыл собственную аптеку. В 1777 году Шееле опубликовал свою единственную книгу «Химические наблюдения и опыты над воздухом и огнем».

      Первоначально этот элемент извлекали из того, что считалось свинцовой рудой, и он был ошибочно назван в честь греческого слова molubdos (μολυβδοσ), которое в переводе с греческого означает свинец.

      Следуя предложению Шееле, другой шведский химик и минералог, Петер Якоб Хьельм, выделил первый металлический молибден в 1782 году путем восстановления оксида молибдена (MoO 3 ), но только в 1895 году французский химик и лауреат Нобелевской премии Анри Муассан, восстановив его углеродом в своей электропечи, получил первый химически чистый металлический молибден, что дало возможность проводить научные и металлургические исследования металла и его сплавов.

      Молибденовая руда: молибденит – Noerkheia (Норвегия) – предоставлено Ecole des Mines de Paris

      Молибден оставался в основном лабораторной проблемой на протяжении большей части 19 века, пока не стала возможной технология извлечения коммерческих количеств.

      В 1891 году французская оружейная компания Schneider S.A. ввела молибден в качестве легирующего элемента при производстве бронелистов на своем заводе в Ле-Крезо.В 1900 году два американских инженера, Ф. У. Тейлор и П. Уайт, представили на Всемирной выставке в Париже первую быстрорежущую сталь на основе молибдена. Одновременно Мария Кюри во Франции и Ж.А. Мэтьюз в США использовал молибден для изготовления постоянных магнитов.

      Этот элемент находится на 38-м -м месте в земной коре со средней концентрацией 15 частей на миллион. Основные месторождения молибденита находятся в США, Чили, Китае, Канаде и в бывшем Советском Союзе. Остальная часть распределяется между Мексикой, Перу, Ираном и Монголией.Мировая добыча полезных ископаемых составляет около 140 000 тонн в год, из которых 27% приходится на США, 20% — на Китай, 25% — на Чили и 8% — на Канаду.

      5.2 Физические свойства

      Молибден представляет собой серебристо-белый переходный металл с относительной атомной массой (12С=12) 95,94, атомным номером 42, температурой плавления 2610°С и плотностью 10,22 кг/дм 3 . Он находится в группе VI периодической таблицы. Молибден имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру.

      5.3 Применение молибдена в металлургии

      Высокая температура плавления молибдена делает его важным для придания прочности стали и другим металлическим сплавам при высоких температурах.Его также добавляют в металлические сплавы из-за его устойчивости к коррозии.

      Хотя низколегированные стали, нержавеющие стали и чугун составляют самый большой сегмент рынка, молибден также используется в некоторых высокоэффективных сплавах, таких как Hastelloys и Inconel. Молибден также используется в качестве электродов в печах с электрическим нагревом, в качестве нити накала для электронных приложений и в качестве катализатора для очистки нефти.

      5.4 Роль молибдена в нержавеющих сталях

      Молибден используется в нержавеющих сталях в количествах до 8% и чаще всего в диапазоне от 2 до 4%.Даже такое относительно небольшое процентное содержание молибдена оказывает сильное влияние на повышение стойкости к точечной коррозии в хлоридных средах и к образованию трещин как в сплавах Fe-Cr, так и в сплавах Fe-Cr-Ni. Молибден снижает интенсивность окислительного эффекта, необходимого для обеспечения пассивности, и уменьшает тенденцию к разрушению ранее сформированных пассивных пленок.
      Для получения дополнительной информации посетите веб-сайт Международной ассоциации молибдена (IMOA), www.imoa.info

      5.5 Хром и молибден

      5.5.1 Нержавеющая сталь

      Увеличение содержания хрома и молибдена в основном повышает устойчивость к локальной коррозии (точечная и щелевая) и особенно эффективно для ферритных марок. В аустенитных и дуплексных сплавах азот также оказывает благотворное влияние на стойкость к точечной коррозии. Чтобы количественно оценить эти эффекты состава, были получены эмпирические индексы для описания стойкости к точечной коррозии в форме эквивалента сопротивления точечной коррозии (PRE).Для ферритных сталей используется следующая формула:

      ПРЕД=%Cr+3,3(%Mo)

      , где концентрации указаны в % по массе, а для аустенитных и дуплексных марок:

      ПРЕ(N)=%Cr+3,3(%Mo)+K*(%N)

      Где
      K = 16 для дуплексных нержавеющих сталей
      K = 30 для аустенитных нержавеющих сталей

      Опыт показывает, что существует хорошая корреляция между значением PRE и стойкостью к точечной коррозии. Стабилизирующие добавки, такие как титан и ниобий, а также некоторые примеси (например,г. сера) также может оказывать заметное влияние на питтинг.

      5.5.2 Легированные стали для работы при высоких температурах

      Чтобы приспособиться к воздействию температуры и термического циклирования, был разработан сегмент технологии, определяющий дизайн и выбор материалов. Обычная угроза коррозии – это окисление, и хорошо известно, что окисление становится более активным с повышением температуры. Проблема коррозии при высоких температурах может быть осложнена другими явлениями, такими как локальное растрескивание под напряжением, химическая реакция с сернистыми газами и воздействие горячего водорода.

      Обзор сплавов, обычно используемых в условиях высоких температур, показывает, что хром и молибден являются двумя наиболее часто используемыми легирующими элементами. Хром эффективен для увеличения прочности и улучшения стойкости к окислению, тогда как молибден увеличивает прочность при более высоких температурах. Это улучшение стойкости к окислению объясняется сродством хрома к кислороду, вследствие чего на поверхности хромсодержащих сталей образуется защитная пленка.

      Эффективность хрома и молибдена в повышении прочности и стойкости к окислению настолько велика, что хромомолибденсодержащие стали доминируют в области высокотемпературных строительных материалов. В таблице 1 перечислены репрезентативные легированные стали, часто используемые для работы при высоких температурах.

      Общее обозначение Максимальная температура воздуха (°C)
      0,5% Cr – 0,5% Mo 570
      1.25% Cr – 0,5% Mo 590
      2,25% хрома – 1,0% молибдена 630
      3,0% Cr – 1,0% Mo 640
      5,0% Cr – 0,5% Mo 650
      7,0% Cr – 0,5% Mo 680
      9,0% Cr – 1,0% Mo 820

      Таблица 1: Типичные хромомолибденсодержащие стали для эксплуатации при высоких температурах.

      Этот список начинается с 0.5% хром-0,5% молибденсодержащая сталь и проходит через стали с увеличением содержания хрома до 9,0%. Многие жаропрочные или жаропрочные стали имеют более высокое содержание хрома, но они считаются высоколегированными сталями, такими как нержавеющие стали, и не включены в настоящий перечень.

      Одним из наиболее важных моментов, о котором следует помнить, является то, что хром и молибден, хотя и добавляются для повышения прочности и стойкости к окислению при высоких температурах, также способствуют прокаливаемости.

      Важным применением, в котором стали подвергают эксплуатации при высоких температурах, является оборудование для переработки и риформинга в нефтяной промышленности. Многие реакторы нефтеперерабатывающих заводов работают при высоких температурах, и к долговечности предъявляются высокие требования. В установках каталитического риформинга встречаются две основные проблемы. Они связаны с рабочей температурой и давлением. Установки каталитического риформинга работают в диапазоне температур от 450 до 570°С при давлении более 15 бар в контакте с потоком водородосодержащих газовых смесей.

      5.5.3 Инструментальные стали
      Инструментальные стали

      применяются для изготовления машиностроительного инструмента (пуансонов, штампов, пресс-форм, инструментов для резки, вырубки, формовки, волочения, рулевого и продольно-резательного инструмента). Обычно их делят на два класса:
      1. Простые углеродистые стали с высоким процентным содержанием углерода, около 0,80–1,50 %. 1. Легированные инструментальные стали, в которые добавляются другие элементы (хром, молибден, ванадий, вольфрам и кобальт) для придания большей прочности, ударной вязкости, коррозионной и жаростойкости стали.

      Хром

      повышает коррозионную и жаростойкость, увеличивает глубину затвердевания при термической обработке и жаропрочность. В быстрорежущих сталях (содержащих до 12,00 % Cr) хром играет важную роль в механизме упрочнения и считается незаменимым.

      Молибден

      (около 0,50-8,00%) при добавлении в инструментальную сталь делает ее более устойчивой к высоким температурам. Молибден увеличивает прокаливаемость и улучшает усталостные свойства и износостойкость.

      6 Ниобий

      6.1 Открытие, история и источники

      Ниобий был обнаружен в 1801 году Чарльзом Хэтчеттом в руде под названием «колумбит», отправленной в Англию в 1750-х годах Джоном Уинтропом, первым губернатором Коннектикута — США. Хэтчетт назвал новый элемент колумбием. Нынешнее название металла связано с Генрихом Розе, немецким химиком, который, отделив его в 1846 году от тантала, идентифицировал его как новый элемент и назвал его «Ниоба», что означает «дочь Тантала», потому что тантал тесно связан с ниобием. в периодической таблице.

      Премия Чарльза Хэтчетта, учрежденная Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineraçao — CBMM — и присужденная Институтом материалов — Лондон

      Чарльз Хэтчетт

      Чарльз Хэтчетт (1765–1847), английский промышленник и химик, был экспертом в области анализа. Он был избран в Королевское общество в 1794 году. Благодаря своему опыту в области анализа Хэтчетт руководил собственной лабораторией в Рохэмптоне (недалеко от Лондона), и его часто приглашали в качестве консультанта.

      Самая ранняя информация об использовании ниобия датируется 1925 годом, когда он использовался для замены вольфрама в инструментальной стали. Однако до начала 1930-х годов ниобий не имел промышленного значения. Ниобий эффективен для предотвращения межкристаллитной коррозии в некоторых нержавеющих сталях и нашел свое первое промышленное применение для этой цели.

      В 1950-х годах, с началом космической гонки, значительно возрос интерес к ниобию в связи с его свойствами легкого тугоплавкого металла.Открытие того, что небольшое количество ниобия, добавляемого в углеродистую сталь, значительно улучшает ее свойства, привело к использованию концепции микросплава.

      Ниобиевая руда: ниобит — Мина-Жерайс (Бразилия) — предоставлено Ecole des Mines de Paris

      Пирохлор является наиболее распространенной минеральной фазой, содержащей ниобий. Наиболее важными пирохлорами являются бариопирохлор из остаточно-обогащенного карбонатита в Араксе, Бразилия (Nb 2 0 5 / 66%, BaO/14% и H 2 0 / 8%) и пирохлор из первичного карбонатита в Св.Оноре, Квебек (Nb 2 0 5 / 68%, CaO / 14% и Na 2 0 / 5,8%). Колумбиту соответствует FeNb 2 O 6 , он образовался в результате выветривания гранитов. Из всех элементов в земной коре ниобий занимает 33-е место по распространенности со средней концентрацией порядка 25 частей на миллион.

      Запасы составляют около 460 миллионов тонн, что достаточно для удовлетворения текущих мировых потребностей примерно на 500 лет.

      6.2 Физические свойства

      Ниобий представляет собой блестящий белый переходный металл с относительной атомной массой (12C=12) 92.906, атомный номер 41, температура плавления 2468°C и плотность 8,57 кг/дм 3 . Он находится в группе V периодической таблицы. Ниобий имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру.

      6.3 Металлургическое применение ниобия

      В настоящее время наиболее важным применением ниобия является легирующий элемент для микролегированных сталей, в которых он используется для усиления структуры металла. Важным вторичным применением ниобия являются суперсплавы, используемые в горячей части авиационных двигателей.Ниобий также используется в нержавеющих сталях (аустениты и ферриты) в качестве стабилизирующего элемента и для повышения сопротивления ползучести (ферриты) и для целей, связанных со сверхпроводимостью (ниобий-титановые сплавы), что позволило разработать современные магниты.

      6.4 Роль ниобия в нержавеющих сталях

      В микролегированных сталях механизмы упрочнения основаны на выделении мелкодисперсного карбида (NbC).

      Что касается коррозионной стойкости нержавеющих сталей, хорошо известно, что стабилизация марки добавками Nb предотвращает риск межкристаллитной коррозии в зонах термического влияния.Чтобы предотвратить это, ниобий добавляют в достаточных количествах, в зависимости от содержания углерода и азота (ферритные типы).

      Теоретическое количество ниобия, необходимое для полной стабилизации на основе стехиометрического расчета, описывается уравнением:

      %Nb ≥ 0,2 + 5 (%C + %N)

      В ферритных нержавеющих сталях добавление ниобия является одним из наиболее эффективных методов повышения сопротивления термической усталости.

      7 Титан

      7.1 Открытие, история и источники

      Титан был обнаружен преподобным Уильямом Грегором в 1791 году и выделен в Криде, Корнуолл, Великобритания. Он обнаружил присутствие этого нового элемента в менаханите, минерале, названном в честь МЕНАККАНА.

      Титановая руда: рутил – Парсксбург (США) – Предоставлено Ecole des Mines de Paris

      Несколько лет спустя, в 1795 году в Берлине, этот элемент был заново открыт в рудном рутиле (TiO 2 ) немецким химиком М.Х. Клапрот. Однако чистый металл не был получен до 1910 г. Мэтью А. Хантером, который нагрел тетрахлорид титана (TiCl 4 ) с натрием в стальном реакторе при 700–800°C. В 1950-х годах титан стал использоваться в качестве конструкционного материала. Элемент назван в честь Титанов, в греческой мифологии, сыновей Урана, бога Неба, и Геи, богини Земли. Титан встречается в виде оксида или силиката в сочетании с рутилом и анатазом (TiO 2 ), ильманитом (FeTiO 3 ), перовскитом [(Ca, Fe) TiO 3 ].Титан является 9-м наиболее распространенным элементом в земной коре со средней концентрацией порядка 6000 частей на миллион.

      Добыча титановых полезных ископаемых обычно осуществляется поверхностными способами. В 2000 году Австралия, Канада, Индия, Норвегия и Южная Африка лидировали в мировом производстве порядка 2 миллионов тонн концентрированного титанового минерала. Титан и циркон содержатся в песчаных отложениях, общий объем которых оценивается в 540 миллионов тонн. Титановая губка представляет собой рудиментарную форму металлического титана.В 2000 году титановая губка производилась в Китае, Японии, Казахстане, России, Украине и США. Металлический титан производится путем плавления титановой губки.

      7.2 Физические свойства

      Титан представляет собой твердый серебристый металл с относительной атомной массой (12С = 12) 47,867, атомным номером 22, температурой плавления 1668°С и плотностью 4,54 кг/дм 3 . Он находится в IV группе периодической таблицы. Титан имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру.

      7.3 Металлургическое применение титана

      Только около 5% годового мирового производства титановой руды идет на производство металлического титана.Металлические титановые сплавы используются в аэрокосмической, морской, химической и других областях благодаря их высокому соотношению прочности к весу и коррозионной стойкости в нейтральных и окислительных средах. Титан обычно используется в нержавеющих сталях (аустенитных и ферритных) в качестве стабилизирующего элемента.

      Титан также очень эффективен в качестве микросплава в стали, влияя на микроструктуру за счет образования нитридов (TiN) и карбидов (TiC).

      7.4 Роль титана в нержавеющих сталях

      Титан является высокореактивным элементом, который образует стабильный осадок TiN в жидкой фазе в присутствии азота (N).В присутствии как C, так и N образуются нитриды титана TiN (в жидкой фазе) и карбиды титана TiC (в твердой фазе), причем последние окружают первые. Наиболее часто используемым стабилизирующим элементом для нержавеющей стали является титан. Стехиометрическое количество Ti, необходимое для полной стабилизации, описывается следующим уравнением:

      Ti ≥4 (%C) + 3,4 (%N)

      Однако для полной стабилизации требуются более высокие уровни Ti, поскольку Ti реагирует с серой с образованием стабильных сульфидов Ti, Ti 2 S.На практике общепринятый уровень Ti, необходимый для полной стабилизации нержавеющей стали, должен поэтому удовлетворять следующим критериям:

      Ti ≥0,15 + 4 (%C +%N)

      Титан

      также улучшает стойкость к точечной коррозии, поскольку было показано, что стабильный Ti 2 S образуется в большей степени, чем сульфиды марганца (MnS), которые, как известно, действуют как центры зарождения питтинговой коррозии. В низколегированных сталях титан имеет сильное желание соединиться с углеродом, азотом и кислородом. Считается, что при растворении в стали титан увеличивает прокаливаемость; однако склонность этого элемента к образованию карбидов настолько сильна, что он часто находится в структуре стали в виде нерастворенных карбидов и, таким образом, снижает прокаливаемость.

      7.5 Титан и ниобий в качестве стабилизирующих элементов: двойная стабилизация

      В сплавы Fe-Cr-(Mo) и Fe-Cr-Ni-(Mo) добавляют стабилизирующие элементы для предотвращения сенсибилизации к межкристаллитной коррозии после пребывания сплава в температурном диапазоне, в котором может произойти осаждение карбида хрома. Функция этих стабилизирующих элементов состоит в том, чтобы сочетаться предпочтительно с любым углеродом для сплавов Fe-Cr-Ni-(Mo) и с любым углеродом и азотом для сплавов Fe-Cr-(Mo), которые в противном случае могли бы осаждаться в виде карбида хрома и хрома. нитридные (сплавы Fe-Cr-(Mo)).Это оставляет хром в твердом растворе в сплаве, которому он принадлежит, и, таким образом, полностью сохраняются коррозионно-стойкие свойства сплава. Двойная стабилизация титаном и ниобием обеспечивает наилучшие механические свойства для сварки. Такое поведение может быть связано с лучшим контролем размера зерна и, вероятно, с изменением природы и морфологии осадков. Оптимальное содержание двойной стабилизации определяется уравнением:

      %Ti+4/7(%Nb)≥0,15+4(C+N)

      Преимущества этой двойной стабилизации можно резюмировать следующим образом: выделения TiN, образующиеся в жидкой фазе, действуют как центры зародышеобразования для роста кристаллов, что приводит к образованию мелкозернистой равноосной структуры, улучшающей механические свойства сварных швов.

      Для полной стабилизации требуется меньше Nb, что дополнительно снижает количество легкоплавких фаз, которые могут образовываться на границах зерен.

      8 Марганец

      8.1 Открытие, история и источники

      В 1771 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле признал марганец новым элементом. Он был выделен в 1774 году другим шведским химиком Иоганном-Готлибом Ганом (1745–1818) путем восстановления двуокиси марганца MnO 2 . В начале 19 -го века как английские, так и французские металлурги начали рассматривать возможность использования марганца в сталеплавильном производстве.

      Марганцевая руда – манганит – Ильфельд (Германия) – предоставлено Ecole des Mines de Paris

      Марганец является 12-м -м наиболее распространенным элементом в земной коре со средней концентрацией порядка 1100 частей на миллион. Основные месторождения марганца в основном расположены в Южной Африке, Китае, Австралии, Габоне, Бразилии, Украине, Индии, Казахстане и Мексике. Мировое производство марганцевой руды составляет порядка 20 миллионов тонн в год, а мировые запасы оцениваются в 600 миллионов тонн руды.Есть также большие запасы марганца на глубоководном дне океана в виде полиметаллических конкреций. Они оцениваются в 2-300 млн тонн марганца.

      8.2 Физические свойства

      Марганец — серо-белый металл с относительной массой (12С = 12) 54,938, атомным номером 25, температурой плавления 1245°С и плотностью 7,43 кг/дм 3 . Он находится в группе VII периодической таблицы. Марганец имеет сложную кубическую кристаллическую структуру.

      8.3 Металлургическое применение марганца

      Марганец необходим для производства стали из-за двух ключевых свойств: его способности сочетаться с серой и его мощной способности к раскислению.Около 30% мирового производства марганца используется из-за его свойств в качестве сульфидообразователя и раскислителя. Остаток 70% используется как легирующий элемент.

      Относительно небольшие количества марганца использовались для легирования сплавов цветных металлов, в основном в алюминиевой промышленности.

      Его способность стабилизировать аустенит в стали используется в «серии 200» аустенитных нержавеющих сталей, в которых его содержание варьируется от 4 до 15,5%.

      8.4 Роль марганца

      Свойства марганца позволяют ему действовать как легирующий элемент и раскислитель в стали.При добавлении в расплавленную сталь марганец будет реагировать с кислородом с образованием оксида марганца (MnO). Марганец также предпочтительно будет сочетаться с серой с образованием сульфида марганца (MnS).

      Помимо соединения с кислородом и серой, марганец также влияет на поведение стали. Присутствие марганца повышает прокаливаемость стали. Очень большие добавки марганца, от 12 до 15%, делают сталь (сталь Гадфильда) аустенитной при комнатной температуре.

      Марганец обычно присутствует в качестве легирующего элемента во всех типах стали (углеродистой стали и нержавеющей стали), чтобы способствовать раскислению стали и предотвратить образование включений сульфида железа, которые могут вызвать проблемы с горячим растрескиванием.

      9 Кремний

      9.1 Открытие, история и источники

      В 1823 году шведский профессор медицины Йонс-Якоб Берцелиус открыл аморфный кремний, нагревая калий в атмосфере газообразного тетрафторида кремния SiF4. В 1854 году французский профессор химии Анри-Этьен Сент-Клер Девиль получил кристаллический кремний, вторую аллотропную форму элемента.

      Йонс-Якоб Берцелиус

      Йонс-Якоб Берцелиус (1779 – 1848) изучал медицину в Упсале (Швеция).В 1807 году он стал профессором медицины и фармации в Стокгольмском университете. Он был избран членом Стокгольмской королевской академии наук в 1806 году.

      Анри-Этьен Сент-Клер Девиль

      Анри-Этьен Сент-Клер Девиль (1817–1881) изучал химию. Он стал профессором Безансонского университета в 1806 году и Высшей нормальной школы в 1812 году. В 1861 году он был избран членом Французской академии наук.

      Кремний не встречается в природе в свободном виде, а встречается главным образом в виде оксида и силикатов. Кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре со средней концентрацией около 27%.

      Кремнезем: кварц — Герреро (Мексика) — предоставлено Ecole des Mines de Paris

      Мировое производство промышленного песка и песчаного гравия, часто называемого «кремнеземом», «кремнеземным песком» и «кварцевым песком», который включает пески и гравий с высоким содержанием диоксида (SiO 2 ), составляет порядка 110 миллионов тонн в год. год.

      9.2 Физические свойства

      Кремний представляет собой темно-серый металлоид (кремний не считается металлом) с относительной массой (12С = 12) 28,085, атомным номером 14, температурой плавления 1414°С и плотностью 2,33 кг/ дм 3 . Он находится в IV группе периодической таблицы. Кремний имеет алмазную (диаметровую) структуру.

      9.3 Применение кремния в металлургии

      Кремний представляет собой металлоид (неметаллический элемент), полученный восстановлением кремнезема (SiO 2 ) при высоких температурах.

      Кремний является важным легирующим элементом как для черных, так и для цветных металлов. Он широко используется в качестве раскислителя при производстве стали (углеродистой и нержавеющей стали). В жаропрочных нержавеющих сталях его присутствие улучшает окисление при высоких температурах. В чугунах кремний действует как графитизатор, поскольку он разлагается и, таким образом, уменьшает количество связанного углерода. Он придает электротехническим сталям (до 5 % Si) некоторые специфические магнитные свойства.

      Он используется в сочетании с медью для образования кремниевой латуни (медно-цинковые сплавы) и кремниевой бронзы.Кремний – для отливок используются алюминиевые сплавы, содержащие 5% и более кремния.

      9.4 Роль кремния в нержавеющей стали

      В небольших количествах кремний придает стали мягкую прокаливаемость. Небольшие количества кремния и меди обычно добавляют в аустенитные нержавеющие стали, содержащие молибден, для улучшения коррозионной стойкости в серной кислоте.

      Кремний обычно добавляют в нержавеющие стали для повышения их стойкости к окислению и являются стабилизатором феррита.В аустенитных нержавеющих сталях высокое содержание кремния не только улучшает стойкость к окислению, но и предотвращает науглероживание при повышенных температурах.

      10 Азот

      10.1 Открытие, история и источники

      Кажется, азот был открыт в 1772 году Дэниелом Резерфордом. Слово азот состоит из двух греческих слов: νιτρο (нитро), означающее селитру, и γενεξ (гены), означающее производство. Это связано с тем, что наиболее важным применением азота была селитра, соединение, называемое нитратом калия, хорошо известное как удобрение.

      Дэниел Резерфорд

      Даниэль Резерфорд (1749–1819), шотландский химик и физик. Как физик он был одним из первых, кто осознал важность «удельной теплоемкости». Как химик, ему приписывают открытие оксида магния и углекислого газа.

      10.2 Физические свойства

      Азот представляет собой относительно инертный газ с относительной атомной массой (12С = 12) около 14 и атомным номером 7.Он составляет около 78% атмосферы Земли по объему и 76% по массе. Каждая молекула азота состоит из двух атомов азота, чрезвычайно прочно связанных друг с другом. В молекуле азота три линии, соединяющие два атома, представляют собой тройную связь.

      10.3 Металлургическое применение азота

      Азот (как и углерод) является элементом внедрения в сталь, потому что его атомный размер достаточно мал по сравнению с размером железа, хрома или никеля, чтобы позволить этому элементу проникать в решетки α-сплавов и γ-сплавов в качестве внедренных растворенных атомов.Растворимость азота больше в аустените (γ), чем в феррите (α), из-за большего количества доступных пустот. Растворимость азота в аустените достигает 2,4 %, а в феррите — всего 0,1 % при температуре 1100 °С. Азот оказывает большое влияние на кинетику осаждения интерметаллических соединений, таких как карбиды, нитриды и карбонитриды.

      10.4 Роль азота в нержавеющих сталях

      В аустенитных и дуплексных нержавеющих сталях содержание азота повышает устойчивость к локальной коррозии, такой как точечная или межкристаллитная.Это связано с выделением нитрида Cr 2 N вместо карбида Cr 23 C 6 .

      Низкоуглеродистая аустенитная нержавеющая сталь содержит максимум 0,03% углерода, чтобы свести к минимуму риск сенсибилизации во время сварки или термической обработки. Предел текучести низкоуглеродистых марок ниже, чем у стандартных марок. Чтобы решить эту проблему, были разработаны низкоуглеродистые марки с добавлением азота (до 0,2% азота). Азот в твердом растворе повышает предел текучести, по крайней мере, до того же уровня, что и у стандартных аустенитных марок.

      11 Кобальт

      11.1 Открытие, история и источники

      Кобальт был открыт в 1735 году шведским химиком Джорджем Брандтом. Этот элемент находится под номером 30   по распространенности в земной коре. Два основных месторождения кобальта со средней концентрацией 20 частей на миллион находятся в Заире и Замбии. Остальная часть добываемого кобальта поступает из Канады, Австралии и Марокко.

      Георг Брандт

      Георг Брандт (1694 – 1768), шведский химик, был сыном металлурга и с раннего возраста помогал отцу в металлургических экспериментах.Изучал медицину и химию в Лейдене. В 1727 году он был назначен директором лаборатории Горного совета в Стокгольме, а через три года стал начальником Королевского монетного двора и профессором химии в Упсальском университете.

      11.2 Физические свойства

      Кобальт представляет собой серебристо-белый переходный металл с относительной атомной массой (12C=12) 58,933, атомным номером 27, температурой плавления 1495°C и плотностью 8,92 г/см 3 . Он находится в группе VIII в периодической таблице.Кобальт имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) кристаллическую структуру.

      Кобальтовая руда: скуттерудит – Иртем (Марокко) – предоставлено Ecole des Mines de Paris

      11.3 Применение кобальта в металлургии

      Кобальт сплавляют с железом, никелем и другими металлами, чтобы получить сплав с особыми магнитными свойствами. Кобальт является основным компонентом «Суперсплавов», которые в основном используются в: – Применение при высоких температурах, например.г. компоненты газовой турбины – Износостойкие сплавы – Расходные материалы из твердосплавных сплавов (сварка) – Ортопедические имплантаты – Инструментальные стали.

      11.4 Роль кобальта в кобальт-хромовых сплавах

      Кобальт-хромовые сплавы используются в сложных условиях и вносят значительный вклад как в промышленные продукты, так и в продукты из биоматериалов.

      Химический состав характерных кобальт-хромовых сплавов показан в таблице 2. Сплавы Co-Cr хорошо подходят для применения в условиях ползучести при высоких температурах и сопротивления усталости.По этой причине они являются хорошими кандидатами для приложений, где термическая усталость является критической проблемой проектирования.

      Сплавы

      Co-Cr-Mo считаются эталонными материалами для искусственных ортопедических имплантатов, в первую очередь для искусственных бедер и коленей. Добавление азота порядка 0,15% для достижения высокой прочности с хорошей пластичностью без ущерба для коррозионной стойкости и биосовместимости. Эти сплавы сочетают в себе противоречивые свойства очень высокой механической прочности и исключительной коррозионной стойкости.

      Название сплава С Кр Ni Мо Вт Мн Си Fe Н Со
      Х-40 0,50 25,0 10,0 7,5 0,5 0,9 <2 Бал
      ВИ-52 0,45 21.0 11,0 0,4 ​​ 0,4 ​​ 2 Бал
      ГС-25 0,10 20,0 10,0 15,0 1,2 0,8 <3 Бал
      АСТМФ-75 0,25 28,0 <1 6,0 <0,2 0.5 0,8 >0,75 0,15 Бал
      Со6 1,1 29,0 <3 <1,5 5,5 0,6 0,8 <3 Бал
      МП35Н 20,0 35,0 10,0 Бал

      Таблица 2: Номинальный химический состав различных сплавов Co-Cr (вес.%)

      Например, можно получить – Регулируемая прочность на растяжение от 1000 до 2500 МПа как при холодной обработке давлением, так и при старении – Твердость до 60 HRC – Сопротивление усталости (как показано в таблице 3) – Коррозионная стойкость

      Количество циклов Допустимое напряжение (МПа)
      10 4 1 800
      10 4 1 200
      10 4 900
      10 4 700

      Таблица 3: Сопротивление усталости сплавов Co-Cr-Mo

      Равномерная коррозия ( < 0.05 мм/год) и стойкость к точечной коррозии превосходна при температуре около 100°C в 10% растворах уксусной кислоты, хлорида аммония, сульфата аммония, хлорида железа, муравьиной кислоты, азотной кислоты, фосфорной кислоты или хлорида натрия.

      Несмотря на их высокую стоимость по сравнению со сталью и замечательную стойкость к механическим нагрузкам и химическому воздействию, эти сплавы используются везде, где соображения безопасности имеют первостепенное значение, например. пружины и крепежные детали для аэрокосмической промышленности, медицинской техники, хирургических имплантатов.К тщательно отполированным компонентам относятся бедренные ножки для замены тазобедренного сустава и коленные кордилы.

      Кобальтовые сплавы для износостойких применений служили в чрезвычайно жестких условиях. Углерод используется в сочетании с хромом и другими тугоплавкими элементами для получения высокотвердого материала с высоким содержанием карбида. Доступны значения твердости от 30 до 70 HRC. Co6 является наиболее распространенным износостойким сплавом кобальта. Его способность противостоять скольжению и абразивному износу обусловлена ​​объемной долей карбида, образованного из следующих элементов: – углерод (1.1% С) – хром (29% Cr) и – вольфрам (5,5% W)

      Кобальтовая матрица обладает высокой чувствительностью к деформационному упрочнению, что в сочетании с карбидной фракцией позволяет достичь отличной износостойкости, связанной с высокой степенью коррозионной стойкости.

      Кобальт является ценным легирующим элементом для быстрорежущих инструментальных сталей. Он имеет эффект повышения до размягчения температуры феррита, так что инструменты из легированной кобальтом стали могут работать при высоких температурах, сохраняя свою режущую способность.

      12 Каталожные номера

      И. Дорохин, Е. Богачева, А. Дружинин, В. Соболевский и Е. Горбунов «Gisements de Minéraux utiles et leur Prospection» (перевод с русского Т. Саакяна) Издательство: «Ecole Supérieure», Москва, 1967 г.
      Ж. Талбот «Les éléments chimiques et les hommes» Издательство: SIRPE, Париж, 1995 г.
      А. Д. Мерриман «Словарь металлургии». Издательство: Macdonald & Evans, Лондон, 1958 г.
      Г. Малиотис «Использование и рынки хрома». Издательство: Industrial Minerals Information Ltd, Surrey, 1996
      P.-Дж. Кунат «Справочник по нержавеющей стали Euro Inox». Издательство: Euro Inox, Брюссель, 2002 г.
      А. С. Дере, Ф. Дюффо и Г. де Льеж «Историческая справка — сто лет науки и промышленности» в «Железно-никелевых сплавах» Г. Беранже, Ф. Дюффо, Дж. Морле и Дж. Ф. Тиерс, научные редакторы. Издательство: Лавуазье, Париж, 1996 г.

      .

      Уменьшение деформации за счет использования эффекта низкой температуры превращения для высоколегированных сталей при электронно-лучевой сварке

      Микроструктура

      Макро- и микроструктуру исследовали с помощью поперечных сечений.Для этого изначально было обращено внимание на перемешивание, особенно при сварке разнородных составов. Сначала был проанализирован сварной шов разного состава (рис. 5). Из-за аустенитного основного материала для выделения микроструктуры использовался травитель V2A. Обычно этот метод травления используется для хромоникелевой стали в течение 10–30 с при температуре от 50 до 70 °С.

      Рис. 5

      Поперечный разрез разнородного по составу шва, основной материал 1.4301/304, сваренный присадочной проволокой Г3С1/70С-6, а макроразрез сварного шва, б микроразрез сварного шва с указанием перехода зона между верхней и нижней зоной сварного шва

      При взгляде на макросрез видно, что можно провести различие между верхней и нижней зоной сварного шва.Макроскопически низколегированный материал проволоки не был полностью перемешан с высоколегированным основным материалом (рис. 5-а).

      Содержание углерода определяет внешний вид мартенсита. При содержании углерода < 0,5 % образуется реечный мартенсит [35]. При исследовании микрошлифа зоны верхнего сварного шва обнаружены мартенситная, ферритная и бейнитная микроструктуры (рис. 5-б). Для легированных сталей характерна бейнитная микроструктура, так как процессы диффузии легирующих элементов сильно замедлены [36].Это способствует образованию микроструктур, для формирования которых требуется больше времени. При сварке высоколегированных материалов часто могут возникать дефекты в виде трещин затвердевания. Однако при осмотре поперечных сечений трещин не обнаружено.

      Чтобы еще больше дифференцировать существующую микроструктуру, на образцы наносится цветное травление. Сначала образец протравливается травителем Beraha II. Этот цветной травитель представляет собой метод холодного травления и обычно используется для аустенитных хромо-никелевых сталей, чтобы особенно выделить аустенит (рис.6).

      Рис. 6

      Цветное травление сварного шва разнородного состава травителем Beraha II, a макроскопическое изображение сварного шва, b переходная зона между верхним и нижним сварным швом, c переходная зона между верхним сварным швом и основной материал, d нижний сварной шов

      Важно отметить, что цвета не дают окончательного определения существующей фазы, а служат дополнительным подспорьем для интерпретации.Во время травления феррит травится первым из-за низкого содержания в нем углерода. По этой причине области с низким содержанием легирующих элементов или высоким содержанием феррита кажутся темными или почти черными. Напротив, участки с высоким содержанием легирующих элементов или карбидов хрома, например, кажутся почти белыми. Сначала макроскопически наблюдается полный сварной шов (рис. 6-а). Верхняя часть сварного шва темная, а остальная часть сварного шва и основной материал показаны разными цветами. Это показывает, что легирующих элементов в верхней зоне сварного шва меньше, чем в нижней.В переходной зоне между верхней и нижней зонами шва обнаружен мартенсит (рис. 6-б). Синие или желтоватые области указывают на аустенит. Темные линии между аустенитом указывают на δ -феррит. Далее исследуется переходная зона между верхним сварным швом и основным материалом (рис. 6-в). В основном материале можно увидеть мартенситную микроструктуру с низкой долей темных линий дельта-феррита. В области, близкой к разнородной зоне сварного шва, содержание δ -феррита значительно увеличивается.Наконец, наблюдается нижняя часть сварного шва (рис. 6-г). Здесь также желтые области указывают на присутствие аустенита. Белые зоны могут свидетельствовать о наличии карбидов хрома. Более темные (фиолетовые) зоны вокруг белых карбидов указывают на более низкое содержание легирующих элементов, что предполагает истощение карбидов.

      При травлении Beraha II микроструктуру верхнего сварного шва определить не удалось. По этой причине образец также готовится с травлением Beraha I. Этот метод холодного травления подходит для низколегированных сталей и особенно полезен для визуализации мартенсита (рис.7).

      Рис. 7

      Цветное травление сварного шва разнородного состава травителем Beraha I, a макроскопическое изображение сварного шва, b переходная зона между верхним и нижним сварным швом, c переходная зона между верхним сварным швом и основной материал, d верхний сварной шов

      Травитель Beraha I визуализирует микроструктуру в верхней зоне сварного шва (рис. 7-а). Здесь также можно обнаружить мартенситный шов на границе между верхним и нижним швом (рис.7-б). Это типичное явление при соединении высоколегированных и низколегированных материалов. Мартенсит показан как коричнево-синие области, а бейнит показан как желтоватые области. На рис. 7-в видно, что мартенситный шов проходит по всей верхней границе шва. При наблюдении за микроструктурой верхнего сварного шва мартенсит показан коричневым и синим цветом (рис. 7-г). Нерастворенные карбиды показаны в виде небольших темных пятен. Зоны с остаточным аустенитом должны стать видны в виде белых пятен в пределах верхнего сварного шва.При внимательном рассмотрении остаточного аустенита обнаружить не удалось.

      В целом создается впечатление, что присадочная проволока не полностью перемешана с основным материалом. Неоднородное распределение легирующих элементов может указывать на низкие колебания сварочной ванны. Это приводит к микроструктуре, состоящей из мартенсита и бейнита в верхней части, тогда как в нижней части сварного шва присутствует преимущественно аустенитная микроструктура. Чтобы смешать два материала и создать более высокие колебания сварочной ванны, необходимы колебания луча.

      Следующим шагом было исследование сварного образца аналогичного состава (рис. 8). В отличие от сварного шва разного состава внутри сварного шва видна аустенитная микроструктура с темными линиями δ -феррита. Здесь также не обнаружено дефектов в виде трещин затвердевания.

      Рис. 8

      Поперечное сечение сварного шва аналогичного состава, основной материал 1.4301/304, сваренный присадочной проволокой Г19 9/308L, а макроразрез сварного шва, б микроразрез сварного шва

      Твердость

      После исследования микроструктуры была измерена твердость сваренных образцов для дальнейшего исследования.При этом значения твердости брались из верхней и нижней половины сварного шва как для свариваемого образца одинакового состава, так и для свариваемого образца разного состава. Расстояние до верха и низа составляло по 0,5 мм.

      Как и ожидалось, значения твердости сварного шва аналогичного состава были сопоставимы с твердостью основного материала как в верхней, так и в нижней части сварного шва. Однако можно было наблюдать явное несоответствие между измеренными значениями твердости в верхней и нижней части разнородного по составу сварного шва (рис.9). Поскольку используемые высоколегированные материалы не могут быть упрочнены подводом тепла, упрочнение в ЗТВ или аналогичном сварном шве не происходит. Фазовые превращения происходят исключительно в верхнем шве разнородного шва, поэтому только в этом участке отмечается повышение твердости. Результаты твердости сварного шва разного состава соответствовали результатам исследования микроструктуры. Повышенная твердость снова подтвердила наличие более твердых структур, таких как мартенсит, в верхнем шве, в то время как в нижнем преобладал аустенит, и повышения твердости обнаружено не было.

      Рис. 9

      Сравнение значений твердости в верхней и нижней частях разнородных и близких по составу швов

      ЭДС и температура начала мартенсита

      ) было проведено. Поскольку сварной шов аналогичного состава не имеет существенного изменения содержания легирующих элементов в сварном шве, был проанализирован только сварной образец разного состава. Для анализа изменения легирующих элементов по сравнению с основным материалом была измерена линейная развертка по горизонтали через верхний сварной шов (рис.10) .

      Рис. 10

      Горизонтальная линейная развертка ЭДС сварного образца разнородного состава

      Видно, что при переходе от основного материала к сварному шву снижение содержания хрома и никеля происходит не постепенно, а скачкообразно. В сварном шве содержание Cr, например, не остается постоянным на уровне около 6 мас.%, а немного увеличивается к середине до чуть менее 10 мас.%. Так как M S еще больше уменьшается при более высоких долях легирующих элементов, она достигает более низких значений в середине сварного шва по сравнению с областью линии сплавления.

      Дальнейшие измерения ЭДС также проводились в пределах сварного шва в вертикальном направлении (рис. 11). Исследовались компоненты сплава в направлении толщины образца.

      Рис. 11

      Вертикальная линейка ЭДС сварного образца разнородного состава

      В направлении толщины образца (сверху к корню) содержание Cr среди других элементов сплава непрерывно снижается до перехода к более высоким достигается легированная зона сварного шва (отсутствие перемешивания с присадочной проволокой).

      Для расчета M S необходимо знать содержание углерода в материале. Поскольку содержание C не может быть надежно определено при измерении EDS, необходимо было принять верхний и нижний пределы. Содержание С в основном материале и низколегированной присадочной проволоке принимали за верхний и нижний пределы. Далее было рассчитано продвижение M S в пределах сварного шва с использованием содержания легирующих элементов, измеренного по горизонтальному сканированию (рис.12).

      Рис. 12

      Расчетное развитие M S внутри сварного шва в зависимости от легирующих элементов, измеренных при горизонтальной развертке и содержания никеля. По этой причине уравнение 1 используется только для расчета температуры M S для верхней части сварного шва, без учета основного материала.Неоднородное распределение легирующих элементов привело к изменению M S в зоне сварного шва. В средней области вычислено меньше M S , чем во внешней области. Используя уравнение Стивена и Хейнса, средний верхний предел M S был рассчитан как около 340,4 ° C, а средний нижний предел M S составил около 311,9 ° C. При низком содержании углерода расстояние между температурами M S и M f не очень велико.Поскольку температура M S была в среднем выше 300 °C, можно предположить, что M f достигается при комнатной температуре.

      Угловая дисторсия

      Измерения угловой дисторсии проводились с помощью конфокального 3D лазерного сканирующего микроскопа Keyence VK-X1000. При этом можно измерить 3D-сканирование поверхности для определения угла искажения ex situ. Сканировали поле шириной 25 мм и длиной 50 мм и фиксировали не менее 4 измерительных линий перпендикулярно сварному шву (рис.13). Берут среднее значение всех измерений и рассчитывают измеренную разницу углов до 180°. Это привело к различиям в углах, которые показали, сжались ли образцы или даже изогнулись в отрицательном направлении.

      Рис. 13

      Измерения угловой деформации на трехмерных измеренных образцах сварных швов одинакового и разного состава

      Как и следовало ожидать, образцы сварных швов одинакового состава сжались, что привело к среднему углу деформации α H = α H 1 – 180° = 0.55°. Напротив, образцы сварного шва разного состава даже показали изгиб в отрицательном направлении со средним углом деформации α L = α L 1 -180° = -0,08°. Это показывает, что при легировании на месте эффект LTT можно использовать для уменьшения искажений в высоколегированном основном материале. При доле структуры LTT в верхней части сварного шва достаточное сжимающее напряжение может быть введено в образец за счет объемного расширения, так что может иметь место компенсация деформации.В этом случае была достигнута даже гиперкомпенсация.

      Остаточное напряжение

      Исследования остаточного напряжения проводились методом бурения скважин. Использовали сверло диаметром 0,8 мм. Сверление производилось на глубину 0,1 мм и 0,2 мм. Регистрировали поперечные и продольные остаточные напряжения. В центре сварного шва были проведены четыре точки измерения на расстоянии 10 мм каждая. Еще три точки измерения проводились перпендикулярно сварному шву в направлении основного материала.Расстояния составляли 2 мм, 5 мм и 10 мм от центра сварного шва (рис. 14).

      Рис. 14

      Эскиз образца, измеренного методом просверливания отверстий вдоль сварного шва и пластины

      Сначала измеряют поперечные остаточные напряжения (рис. 15). В пределах сварного шва значения напряжений в основном находятся в диапазоне растягивающих напряжений. Аналогичный сварной шов находится в диапазоне от напряжения сжатия около -22 МПа до напряжения растяжения около 96 МПа при глубине измерения 0,1 и 0,2 мм. В разнородном сварном шве значения напряжения на обеих глубинах измерения находятся в диапазоне минимум около 16 МПа и максимум более 93 МПа.

      Рис. 15

      Поперечные остаточные напряжения, измеренные методом просверливания отверстий вдоль сварного шва и листа

      Все значения поперечных остаточных напряжений внутри листа представляют собой растягивающие напряжения. Наибольшее напряжение наблюдается в начале аналогичного шва на глубине 0,1 мм. Здесь напряжения достигают значений примерно до 220 МПа и падают примерно до 37 МПа на большем расстоянии от сварного шва. В случае разнородных сварных швов при глубине измерения 0,2 мм значения достигают максимум 170 МПа и минимум 50 МПа.Заметно, что аналогичные сварные швы показывают более высокие значения растягивающего напряжения вблизи сварного шва, чем разнородный шов. Это реверсирует с большим расстоянием до сварного шва. В целом снижение напряжения больше для аналогичных сварных швов, где, особенно на глубине 0,1 мм, растягивающее напряжение падает почти в 6 раз.

      Наконец, измеряются продольные напряжения (рис. 16). По напряжениям в сварном шве можно увидеть четкое различие между одинаковым и разным сварным швом. На глубине измерения 0.1 мм в аналогичном сварном шве остаточные напряжения частично находятся в диапазоне сжимающих напряжений. Здесь значения находятся в диапазоне от -80 МПа до максимум 137 МПа. С другой стороны, в разнородных сварных швах сжимающие напряжения присутствуют на одной и той же глубине. Диапазон значений составляет от −67 до −183 МПа. Сопоставимые результаты можно увидеть при измерении глубины 0,2 мм. В аналогичном шве остаточные напряжения явно находятся в диапазоне растягивающих напряжений. Значения составляют примерно от 172 до 305 МПа. С другой стороны, в разнородном сварном шве сжимающие напряжения присутствуют при 0.глубина измерения 2 мм. Значения варьируются от – 7 до – 60 МПа.

      Рис. 16

      Продольные остаточные напряжения, измеренные методом сверления отверстий вдоль сварного шва и пластины

      Продольные напряжения внутри пластины имеют растягивающие напряжения как в одинаковом, так и в разнородном сварном шве на всех глубинах измерения. Заметно, что и здесь растягивающие напряжения подобных сварных швов выше в непосредственной близости от сварного шва. Наибольшие значения напряжения достигают 514 МПа при 0.1 мм глубины измерения и падает до 13,5 МПа с увеличением расстояния до сварного шва. При большем расстоянии от сварного шва напряжения однотипных швов достигают сравнимых значений с разнородным швом.

      В целом величина продольных остаточных напряжений больше, чем величина поперечных остаточных напряжений. Это согласуется с литературными исследованиями. Для однослойного шва без температурных градиентов по толщине поперечные остаточные напряжения будут достигать значений 1/3 продольных напряжений [8].Комбинация разнородных материалов влияет на остаточные напряжения в сварном шве. Это влияние все еще можно в определенной степени увидеть вблизи сварного шва, но, по-видимому, оно не оказывает никакого влияния при удалении от сварного шва. Это связано с тем, что основным материалом является сталь без фазовых превращений. Здесь развитие остаточных напряжений основано только на неоднородном распределении тепла.

      Продольные остаточные напряжения в разнородном сварном шве при 0.На глубине 2 мм сжимающие напряжения снижены по сравнению с напряжениями на глубине 0,1 мм. Это может быть связано с неоднородным химическим составом сварного шва, что приводит к неоднородным температурам превращения. При вертикальной развертке на рис. 11 видно, что химический состав в области верхней границы выше, чем в центре верхнего шва. Следовательно, M S здесь ниже. Это, в свою очередь, означает, что фазовый переход при 0.1 мм начинается позже, чем на 0,2 мм. При 0,2 мм мартенситное образование уже начинается, а при 0,1 мм превращение задерживается.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован.