Структура и механические свойства улучшаемых легированных сталей
Свойства улучшаемой стали зависят от прокаливаемости, т.е. от структуры по сечению изделия после закалки.
При полной (сквозной) прокаливаемости структура по всему сечению - мартенсит. При неполной (несквозной) прокаливаемости наряду с мартенситом образуются немартенситные продукты распада аустенита (верхний и нижний бейнит, феррито – перлитная смесь).
Наиболее высокие механические свойства достигаются после высокого отпуска исходной структуры мартенсита. Если сталь имеет другие структуры, то некоторые свойства могут ухудшаться, например, температура порога хладноломкости и сопротивление вязкому разрушению (работа развития трещины).
На рисунке 1 для хромомолибденовой стали с содержанием от 0,18 до 0,30 %С приведены значения температуры перехода после высокого отпуска разных исходных структур. Подбором температуры отпуска временное сопртивление стали при всех исходных структурах было достигнуто одинаковым (sв ~ 700 МПа). При этом наиболее низкий порог хладноломкости имела сталь, закаленная на мартенсит (а); сталь со структурой бейнита (верхнего) после отпуска имеет порог хладноломкости на 50 оС выше, а со структурой перлита – еще на 100 оС выше. При всех исходных структурах повышение содержания углерода приводит также к повышению Тпр.
Сравнивая свойства отпущенного мартенсита и отпущенного бейнита, следует разделять влияние верхнего и нижнего бейнита.
|
|
|
В таблице № 1 приведены данные о влиянии исходной структуры (смеси структур) на механические свойства высокоотпущенной стали 18Х2Н4МФА.
Таблица № 1
| Структура стали после закалки | sВ, МПа | sТ, МПа | d, % | Y, % | Т50, оС | KCT, МДж/м2 |
| 100 % М | 850 | 740 | 17 | 7 | -85 | 1,9 |
| 75%М+25%Бн | 840 | 720 | 16 | 73 | -105 | 1,8 |
| 50%М+50Бн | 860 | 720 | 16 | 71 | -115 | 1,8 |
| 100%Бв+н | 890 | 760 | 15 | 65 | +40 | 0,3 |
| 90%Бв+н+10%ФП | 780 | 520 | 14 | 51 | +50 | 0,7 |
| 25%Бв+н+75%ФП | 720 | 470 | 13 | 45 | +55 | 0,85 |
Испытания на растяжение с определением sв, sТ, d и Y не выявляют влияния бейнитных составляющих структуры в смеси с мартенситом. При этом указанные свойства практически не меняются. Появление феррито – перлитной смеси понижает прочность и пластичность стали. Значительно более сильную структурную чувствительность имеют характеристики сопротивления разрушению (Т50 и KCT). Нижний бейнит (до 50%) в смеси с мартенситом повышает сопротивление хрупкому разрушению – порог хладноломкости снижается на 30 оС. Это обусловлено однородным распределением карбидов и мелкоигольчатой структурой нижнего бейнита, в результате чего создаются препятствия при распространении трещины скола. Нижний бейнит в таких количествах не ухудшает сопротивление стали вязкому разрушению.
|
|
|
Существенное снижение характеристик сопротивления разрушению вызывает верхний бейнит и продукты распада аустенита в перлитной области. При такой структуре существенно повышается порог хладноломкости и резко падает работа распространения трещины. Это связано с тем, что высокотемпературные продукты распада аустенита – верхний бейнит и перлит – имеют после отпуска в структуре грубые неоднородно распределенные карбидные включения, в результате чего скол может непрерывно распространяться на значительные расстояния, составляющие несколько зерен.
Влияние остаточного аустенита на свойства стали после отпуска может быть двояким. Если остаточный аустенит распадается при отпуске на феррит и карбид, то это вызывает охрупчивание стали. Стабилизированный остаточный аустенит, не разлагающийся при отпуске, расположенный между пластинами мартенсита в виде тонких прослоек сильно повышает вязкость разрушения (KIC) высокопрочных сталей.
Таким образом, если после закалки в изделиях получается структура мартенсита в смеси с нижним бейнитом (до 50 %), то свойства стали не ухудшаются. Появление же наряду с мартенситом или нижним бейнитом высокотемпературных продуктов распада – верхнего бейнита и феррито – перлитной смеси – снижает значения сопротивления стали хрупкому и вязкому разрушению.
|
|
|
Марки сталей и их свойства
В зависимости от требований по прокаливаемости и необходимого уровня механических свойств в машиностроении используют большое количество различно легированных сталей. Марки легированных конструкционных сталей определяются ГОСТ 4543 – 2016, ряд сталей изготавливается также по техническим условиям. Основными легирующими элементами в улучшаемых сталях являются: Cr, Mn, Ni, Mo, B, V и др. Содержание углерода в них обычно находится в пределах 0,06 – 0,54 %.
В таблице № 2 приведен химический состав и гарантируемы механические свойства наиболее широко распространенных улучшаемых машиностроительных сталей. Приведенные механические свойства нормированы как контрольные послеуказанной термической обработки для заготовок с размером сечения 25 мм (круг или квадрат). Для каждой стали свойства будут зависеть от температуры отпуска.
Таблица № 2
|
|
|
| Марка стали | Содержание элементов, % | Режим контрольной термообработки | Механические свойства | ||||||||||
| C | Mn | Cr | Ni | Др. элементы | tзак oC | tотп oC | sв, МПа | s0,2 МПа | d % | y % | KCU МДж/м2 | ||
| 40Х | 0,36-0,44 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10 | £0,3 | - | 860 | 500 | 980 | 785 | 10 | 45 | 0,6 | |
| 40ХФА | 0,34-0,44 | 0,50-0,80 | 0,80-1,10 | £0,3 | 0,10-0,18V | 880 | 650 | 880 | 735 | 10 | 50 | 0,9 | |
| 40Г2 | 0,26-0,35 | 1,4-1,8 | £0,3 | £0,3 | - | 880 | 600 | 600 | 350 | 15 | 45 | - | |
| 30Г2 | 0,36-0,44 | 1,4-1,8 | £0,3 | £0,3 | - | 860 | 650 | 670 | 390 | 12 | 40 | - | |
| 40ХГТР | 0,38-0,45 | 0,80-1,00 | 0,80-1,10 | £0,3 | 0,03-0,09Ti | 840 | 550 | 980 | 785 | 11 | 45 | 0,8 | |
| 38ХС | 0,34-0,42 | 0,30-0,60 | 1,30-1,60 | £0,3 | 1,0-1,4Si | 900 | 630 | 930 | 735 | 12 | 50 | 0,7 | |
| 30ХГСА | 0,28-0,34 | 0,80-1,10 | 0,80-1,10 | £0,3 | 0,9-1,2Si | 880 | 540 | 1080 | 835 | 10 | 45 | 0,5 | |
| 30ХМА | 0,26-0,33 | 0,40-0,70 | 0,80-1,10 | £0,3 | 0,15-0,25Mo | 880 | 540 | 930 | 735 | 12 | 50 | 0,9 | |
| 30Х3МФ | 0,27-0,34 | 0,30-0,60 | 2,30-2,70 | £0,3 | 0,2–0,3Mo 0,06-0,12V | 870 | 620 | 980 | 835 | 12 | 56 | 1,0 | |
| 40ХН | 0,36-0,44 | 0,50-0,80 | 0,45-0,75 | 1,00-1,40 | - | 820 | 530 | 980 | 785 | 10 | 45 | 0,7 | |
| 30ХН3А | 0,27-0,33 | 0,30-0,60 | 0,60-0,90 | 2,75-3,15 | - | 820 | 530 | 1000 | 800 | 10 | 50 | 0,8 | |
| 30ХН2МА | 0,27-0,34 | 0,30-0,60 | 0,60-0,90 | 1,25-1,65 | 0,2-0,3Mo | 860 | 530 | 980 | 785 | 10 | 45 | 0,8 | |
| 40ХН2МА | 0,37-0,44 | 0,50-0,80 | 0,60-0,90 | 1,25-1,65 | 0,15-0,20Mo | 850 | 620 | 1100 | 950 | 12 | 50 | 0,8 | |
| 18Х2Н4МА | 0,14-0,20 | 0,25-0,55 | 1,35-1,65 | 4,00-4,40 | 0,3-0,4Mo | 860 | 550 | 1050 | 800 | 12 | 50 | 1,2 | |
Легированным конструкционным улучшаемым сталям свойственна повышенная анизотропия свойств, т.е. различие свойств в зависимости от направления деформации при ковке или прокатке. Уменьшение анизотропии достигается металлургическими способами: уменьшением в стали сульфидов и других неметаллических включений, изменением условий горячей пластической деформации и др. Также эти стали чувствительны к флокенам, причем наиболее чувствительны к образованию флокенов доэвтектоидные легированные перлитные и перлито - мартенситные стали.
Хромистые стали (30Х, 35Х, 40Х, 45Х, 50Х, 35Х2АФ, 40Х2АФЕ) являются наименее легированными и обеспечивают прокаливаемость в больших сечениях, чем соответствующие углеродистые стали. Хром не оказывает сильного влияния на разупрочнение при отпуске, однако он увеличивает склонность стали к отпускной хрупкости. Поэтому изделия из этих сталей после высокого отпуска следует охлаждать в масле или воде, недопустимо охлаждение после отпуска с печью. С целью получения мелкого зерна аустенита в стали данной группы вводят ванадий, который находясь в карбидах, препятствует росту зерна, а при отпуске задерживает разупрочнение.
Значительные преимущества имеют хромистые стали, упрочненные нитридами: 35Х2АФ и 40Х2АФЕ. Эти стали имеют мелкое зерно, глубокую прокаливаемость, высокие механические свойства как после закалки и низкого отпуска, так и после улучшения. Такие свойства обусловлены легированием сталей азотом и нитридообразующими элементами – ванадием и алюминием. Для улучшения обрабатываемости резанием стали легируют селеном.
Марганцовистые стали (30Г2, 35Г2, 40Г2, 45Г2, 50Г2) имеют большую прокаливаемость, чем хромистые. Однако марганец усиливает склонность зерна к росту, поэтому эти стали чувствительны к перегреву и могут иметь пониженную ударную вязкость, особенно при отрицательных температурах. Применяются при обработке ТВЧ и для изделий, несущих небольшие ударные нагрузки.
Хромомарганцевые стали (25ХГТ,30ХГТ, 40ХГТ, 35ХГФ и др.) обладают повышенной устойчивостью переохлажденного аустенита и соответственно прокаливаемостью. С целью получения мелкозернистой структуры в ряд сталей вводят небольшие добавки титана (0,03 – 0,09 %). Легирование ванадием также позволяет получить мелкозернистую структуру и повысить температуру отпуска на заданную твердость. Применяются для машиностроительных деталей ответственного назначения: валы, шатуны, шестеренки.
Хромокремнистые и хромокремнемарганцовистые стали (33ХС, 38ХС, 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и др.) обладают высокой прочностью и умеренной вязкостью. В качестве термической обработки применяются закалка и низкий отпуск или улучшение. Недостатком таких сталей является относительно небольшая прокаливаемость, сильная склонность к отпускной хрупкости I и II рода, склонность к обезуглероживанию.
Хромомолибденовые стали (30ХМ, 35ХМ, 38ХМ, 30Х3МФ, 40ХМФА и др.), обладая хорошей прокаливаемостью, имеют высокий комплекс механических свойств и мало склонны к отпускной хрупкости благодаря молибдену. Их особенностью является способность сохранять высокие механические свойства при повышенных температурах. Получение мелкого зерна в структуре сталей этой группы достигается за счет введения ванадия.
Хромомолибденовые стали применяются для изготовления наиболее ответственных изделий сечением до 80 – 100 мм: коленчатые валы, тяжелонагруженные оси, баллоны высокого давления и т.д.
Хромоникелевые и хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали: 20ХН3А, 20Х2НЧА, 40ХН, 30ХН3А, 20ХН2М, 30ХН2М, 38Х2Н2МА, 40Х2МА, 38ХН3МА, 18Х2Н4МА и др. являются наиболее качественными, их применяют для изготовления самых ответственных крупных изделий (сечением 100 – 1000 мм).Уникальные свойства хромоникелевых и хромоникельмолибденовых сталей достигаются вследствие их чрезвычайно высокой прокаливаемости и наибольшей вязкости.
Высокая прокаливаемость сталей обусловлена сильным совместным влиянием хрома и никеля или хрома, никеля и молибдена на повышение устойчивости аустенита. Такие стали закаливают в больших сечениях, обеспечивая после закалки в масле получение мартенсита и нижнего бейнита в центре крупных изделий.
Высокая вязкость сталей обусловлена влиянием никеля на параметры, характеризующие склонность к хрупкому и вязкому разрушениям, также никель понижает порог хладноломкости улучшаемых легированных сталей.
Стали с 3 – 4 % Ni имеют наибольший температурный запас вязкости: 20ХН3А, 30ХН3А, 18Х2Н4МА, 38ХН3МА.
Недостатком хромоникелевых сталей является склонность к обратимой отпускной хрупкости. Молибден и вольфрам значительно ослабляют склонность к развитию отпускной хрупкости, поэтому хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали практически лишены этого недостатка.
Стали с пониженным содержанием никеля менее склонны к обратимой отпускной хрупкости. При рациональном легировании хромоникелевых сталей сохраняется достаточно высокая прокаливаемость, позволяющая использовать их для изделий больших сечений.
Хромоникельмолибденовые (вольфрамовые) стали иногда содержат ванадий (38ХН3МФА, 45ХН2МФА, 30Х2НМФА и др.), что обеспечивает их мелкозернистость и повышает устойчивость против отпуска.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1016; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!