Легированные конструкционные стали: свойства, классификация и влияние легирующих элементов

К конструкционным сталям, предназначенным для изготовления разнообразных деталей машин и механизмов, предъявляется комплекс требований, обеспечивающих их надежную и долговечную эксплуатацию. Основными критериями являются сочетание высокой прочности с достаточной вязкостью, хорошие технологические свойства (обрабатываемость, свариваемость), экономическая целесообразность применения и недефицитность материала. Высокая конструкционная прочность достигается комплексным подходом, включающим рациональный выбор химического состава, оптимизацию режимов термической обработки, применение методов поверхностного упрочнения и улучшение металлургического качества стали.

Решающее влияние на свойства конструкционных сталей оказывает углерод, который повышает прочностные характеристики, но одновременно снижает пластичность и вязкость, а также повышает порог хладноломкости. Поэтому содержание углерода в таких сталях строго регламентируется и редко превышает 0,6%. Легирующие элементы позволяют существенно повысить конструкционную прочность за счет обеспечения высокой прокаливаемости, уменьшения критической скорости закалки и измельчения зерна. Применение упрочняющей термической обработки, такой как закалка и отпуск, значительно улучшает комплекс механических свойств. Металлургическое качество, в частности чистота стали по неметаллическим включениям и примесям, также играет важную роль: более чистая сталь при одинаковой прочности демонстрирует повышенные показатели надежности и долговечности.

Легированные стали: определение, достоинства и недостатки. Легированными называют стали, в которые специально вводят определенные химические элементы в заданных концентрациях для изменения структуры и свойств. Содержание легирующих элементов может варьироваться в широких пределах: хром или никель вводят в количестве от 1% и выше; ванадий, молибден, титан, ниобий – 0,1–0,5%; кремний и марганец – более 1%. При содержании легирующих элементов до 0,1% говорят о микролегировании. Основная цель легирования конструкционных сталей – улучшение механических свойств, однако при этом изменяются также физические, химические и эксплуатационные характеристики. Поскольку легирующие элементы повышают стоимость стали, их применение должно быть технически и экономически обосновано.

Достоинства легированных сталей проявляются преимущественно после термической обработки. Они обладают более высоким сопротивлением пластическим деформациям, повышенной прокаливаемостью благодаря стабилизации аустенита, что позволяет использовать более мягкие охладители и снижать брак по закалочным трещинам и короблению. Легированные стали характеризуются увеличенным запасом вязкости и более низким порогом хладноломкости, что повышает надежность деталей машин в эксплуатации.

Однако легированные стали имеют и недостатки. Они подвержены обратимой отпускной хрупкости II рода, а в высоколегированных сталях после закалки может сохраняться значительное количество остаточного аустенита, снижающего твердость и сопротивление усталости. Из-за малой скорости диффузии легирующих элементов в железе такие стали склонны к дендритной ликвации, что приводит к образованию строчечной структуры и анизотропии свойств. Кроме того, легированные стали чувствительны к образованию флокенов – внутренних трещин, возникающих из-за выделения водорода при охлаждении. Для предотвращения флокенов необходимо снижать содержание водорода в стали при выплавке и применять замедленное охлаждение в опасном интервале температур.

Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и фазовые превращения. Все элементы, растворяющиеся в железе, влияют на температурный интервал существования его аллотропических модификаций – α-железа (ОЦК-решетка) и γ-железа (ГЦК-решетка). В зависимости от типа кристаллической решетки легирующего элемента и его положения в периодической системе, элементы либо расширяют область существования γ-модификации (повышают точку А₄ и снижают А₃), либо сужают ее (снижают А₄ и повышают А₃). Элементы с ГЦК-решеткой (марганец, никель) при определенном содержании делают γ-состояние стабильным от комнатной температуры до плавления – такие сплавы называют аустенитными. Элементы с ОЦК-решеткой (ванадий, молибден, кремний) расширяют область существования α-модификации, формируя ферритные сплавы, не имеющие фазовых превращений при нагреве и охлаждении.

Влияние на превращение перлита в аустенит. Большинство легирующих элементов растворяются в аустените, образуя твердые растворы замещения. Для получения однородного аустенита, в котором растворены карбиды легирующих элементов, требуются более высокие температуры нагрева и увеличенная выдержка. Технологическим преимуществом легированных сталей является малая склонность к росту зерна аустенита. Все элементы, кроме марганца и бора, тормозят рост зерна. Особенно сильно измельчают зерно карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан), тогда как некарбидообразующие (никель, кремний, кобальт) влияют на этот процесс слабее.

Влияние на превращение переохлажденного аустенита. По действию на устойчивость аустенита легирующие элементы делят на две группы. Некарбидообразующие элементы (кобальт, кремний, алюминий, медь, никель) оказывают количественное влияние: большинство замедляет превращение, а кобальт – ускоряет. Карбидообразующие элементы (хром, молибден, вольфрам, ванадий, титан) качественно изменяют кинетику изотермического распада, вызывая появление двух максимумов скорости распада на С-образных кривых и области высокой устойчивости переохлажденного аустенита в интервале 400–600°С. Это способствует глубокой прокаливаемости и позволяет охлаждать сталь на воздухе или в масле, избегая перлитного превращения.

Влияние на мартенситное превращение. Большинство легирующих элементов при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит. Карбиды титана и ниобия не растворяются, они тормозят рост зерна и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита. Такие элементы, как алюминий и кобальт, повышают точку Мн и уменьшают количество остаточного аустенита; кремний практически не влияет на эту точку. Большинство же легирующих элементов снижают мартенситную точку и увеличивают долю остаточного аустенита в структуре закаленной стали.

Влияние на превращения при отпуске. Легирующие элементы замедляют диффузионные процессы распада мартенсита. Никель и марганец оказывают незначительное влияние, тогда как хром, молибден, кремний заметно тормозят карбидные превращения. Благодаря этому легированные стали сохраняют структуру мартенсита отпуска до 400–500°С. Превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска при нагреве способствует сохранению высокой твердости. Поэтому легированные стали требуют более высоких температур отпуска или увеличенной выдержки для достижения требуемого комплекса свойств.

Классификация легированных сталей. Систематизация легированных сталей проводится по нескольким признакам, основными из которых являются структура после охлаждения на воздухе, степень легирования и назначение.

По структуре после охлаждения на воздухе выделяют три основных класса:
- Перлитный класс – стали с небольшим содержанием легирующих элементов. Скорость охлаждения на воздухе пересекает область перлитного распада, поэтому формируются структуры перлита, сорбита или троостита.

- Мартенситный класс – стали с более высоким содержанием легирующих элементов. Область перлитного распада сдвинута вправо, и при охлаждении на воздухе аустенит переохлаждается до мартенситного интервала, превращаясь в мартенсит.

- Аустенитный класс – высоколегированные стали, в которых мартенситная точка смещена в область отрицательных температур. При охлаждении на воздухе до комнатной температуры они сохраняют аустенитную структуру.

По степени легирования различают:
- Низколегированные – содержат 2,5–5% легирующих элементов.
- Среднелегированные – до 10% легирующих элементов.
- Высоколегированные – более 10% легирующих элементов.

По назначению стали подразделяют на конструкционные, инструментальные (режущие, мерительные, штамповые), а также стали и сплавы с особыми свойствами – нержавеющие, жаропрочные, износостойкие, с особыми магнитными и электрическими характеристиками. По составу выделяют хромистые, никелевые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и другие стали. По числу легирующих элементов различают трех-, четырех- и более компонентные системы на основе железа, углерода и легирующих добавок.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Третьякова Н.В.

Источник: Лекции по материаловедению

Данные публикации будут полезны студентам, изучающим материаловедение и металлургию, инженерно-техническим работникам и специалистам, занятым в области машиностроения, а также всем, кто интересуется историей науки о металлах и современными тенденциями разработки новых материалов.