Cталь. Виды, свойства железных сплавов и стали

Термин «железоуглеродистые сплавы» применяется для сплавов железа с углеродом и классифицируются по содержанию в них углерода, как показано в Таблице 1. Чистое железо — относительно мягкий материал, и его трудно использовать в каких-либо коммерческих целях. Чистое железо содержит 99.9917% Fe, имеет твердость НВ 490 МПа, плотность 7.874 г·м^-3

Таблица 1. Сплавы железа с углеродом

Термин «углеродистая сталь» употребляется для таких сталей, у которых, по существу, присутствуют только железо и углерод, а термин «легированная сталь» — для сплава, в который входят другие элементы. Нержавеющие стали относятся к сплавам, имеющим высокое процентное содержание хрома, а следовательно, высокое сопротивление коррозии. Термин «инструментальная сталь» определяет углеродистые стали или сплавы, которые были закалены и подвергнуты отпуску и обладают необходимыми свойствами для применения их в качестве инструментального материала.

Далее перечислены различные типы железоуглеродистых сплавов.

1. Легированные стали

Термин «низколегированная сталь» используется для сплавов сталей, имеющих легирующие добавки меньше 2%, «среднелегированная сталь» содержит добавки от 2% до 10%, а «высоколегированная сталь» имеет добавки выше 10%. Во всех случаях количество углерода в сплавах меньше 1%. К сталям добавляются такие простые элементы, как алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, фосфор, кремний, сера, титан, вольфрам, ниобий, бор и ванадий.

Имеется целый ряд технологических способов, при использовании которых легирующие элементы могут влиять на свойства стали. Основные из них следующие:

1. Условие затвердевания стали.
2. Форма карбидов.
3. Форма графита.
4. Стабильность аустенита или железа.
5. Изменение критической скорости охлаждения.
6. Улучшение коррозионного сопротивления.
7. Изменение условий роста зерна.
8. Улучшение обрабатываемости на станках.

2. Углеродистые стали

Как уже отмечалось, в углеродистых сталях присутствуют только железо и углерод. Такие стали с содержанием углерода меньше 0.80% называются доэвтектоидными, с содержанием углерода между 0.80% и 2.14% — заэвтектоидными относительно эвтектоидного состава 0.8% С. Стали с содержанием углерода между 0.10% и 0.25% обозначают как мягкие, между 0.20% и 0.50% — как среднеуглеродистые, а при содержании углерода более чем 0.50% — как стали с повышенным содержанием углерода. Равновесная диаграмма состояния железо-углерод показана на Рис. 1.

Рис. 1. Равновесная диаграмма состояния железо-углерод

3. Литейные чугуны

Литейные чугуны могут быть разделены на 5 основных категорий:

1. Серые чугуны. Содержат углерод (графит) в пластинчатой форме. Большинство типов серого чугуна имеют графит в перлитовой структуре.
2. Пластичные чугуны, или чугуны с шаровидным графитом. Содержат графит в форме шаровидных включений, образовавшихся во время литья при добавлении к расплавам магния или церия. Материал имеет большую пластичность, чем серые чугуны.
3. Белые чугуны. В них нет графита, содержат твердый цементит. Название получили за специфический белый (светлый) блеск в изломе.
4. Ковкие чугуны. Получаются при тепловой обработке белых чугунов. Их иногда разделяют на две категории, ферритовый и перлитовый, или рассматривают как три группы: белосердечный, черносердечный и перлитовый. Ковкие чугуны имеют лучшую тягучесть, чем серые литейные чугуны, и это, в сочетании с их высоким пределом на растяжение, способствует их широкому применению.
5. Высоколегированные чугуны. Сплавы, которые содержат соответствующие добавки таких элементов, как кремний, хром, никель или алюминий. Их можно рассматривать как две категории чугунов: безграфитные белые чугуны и чугуны, содержащие графит. Безграфитные белые чугуны имеют очень высокое сопротивление истиранию. В содержащих графит чугунах он находится в форме чешуек или шаровидных включений, и к ним применимы определения теплового сопротивления серых и пластичных чугунов. Такие типы чугунов имеют весьма высокое коррозионное сопротивление и называются коррозионностойкими.

4. Автоматные стали

Эти стали имеют улучшенную обрабатываемость на станках (резанием) как следствие добавки серы, свинца, селена и/или кальция. Такие стали называются соответственно сернистыми, свинцовосодержащими, селеносодержащими и/или кальцийсодержащими автоматными. Фосфор может тоже улучшать обрабатываемость стали, способствуя образованию самоломающейся стружки во время механической обработки.

5. Мартенситно-стареющие высокопрочные стали

Мартенситно-стареющие высоколегированные стали обладают значительной прочностью, которая может быть увеличена выделением вторичных фаз (преципитатов). Это сплавы железа с никелем (8.22%), иногда с кобальтом и очень малым содержанием углерода (меньше 0.03%). Для старения в мартенсите сплавы легируют титаном, молибденом, вольфрамом. Никель и кобальт уменьшают растворимость легирующих добавок в α- железе (Fe_α), что приводит к упрочнению при старении и повышает сопротивление хрупкому разрушению. Содержание углерода небольшое, поскольку относительно высокое содержание никеля приводит к образованию графита в структуре, что может вызвать снижение прочности и твердости стали.

Типичная тепловая обработка состоит в нагреве стали выше 830°С и охлаждении на воздухе. В результате получается безуглеродистый мартенсит. Последующая механическая обработка и деформация стали приводят к увеличению ее твердости путем выделения преципитатов при нагреве выше 500°С в течение двух или трех часов. До обработки материал имеет типичный предел прочности на растяжение около 700 МПа, или МН·м^-2, и твердость 300 НV, в то время как после обработки соответственно около 1700 МПа, или МН·м^-2, и 550 НV.

6. Нержавеющие стали

Есть несколько типов нержавеющих сталей: ферритные, мартенситные и аустенитные. В их состав входит хром, повышающий сопротивление коррозии.

Ферритные стали содержат хрома 12.25% и меньше 0.1% углерода. Такие стали после охлаждения жидкого состояния только изменяются к ферриту и таким образом, поскольку не образуется аустенит, затвердевают при закалке и не могут дать мартенсит. Тем не менее они могут твердеть при холодной обработке.

Мартенситные стали содержат хрома 12.18% и углерода 0.1…1.2%. После охлаждения жидкого состояния они образуют аустенит и, таким образом, могут твердеть путем закалки до заданного состояния структуры мартенсита с частицами карбида хрома. Мартенситные стали подразделяются на три группы: нержавеющие чугуны, нержавеющие стали и высокохромистые стали. Нержавеющие чугуны содержат около 0.1% углерода и 12.13% хрома, нержавеющие стали — 0.25…0.30% углерода и 11.13% хрома, а высокохромистые стали — 0.05…0.15% углерода, 16.18% хрома и 2% никеля.

Аустенитные стали содержат хрома 16.26%, более 6% никеля и очень мало углерода, 0.1% или менее. Такие сплавы полностью аустенитные при всех температурах. Они могут твердеть и при закалке, и при холодной обработке.

Во время сварки у нержавеющих сталей могут происходить структурные изменения, которые снижают коррозионную стойкость материала. Этот эффект, известный как разрушение сварного соединения, является результатом выделения преципитатов хрома, богатого карбидами на границах зерен. Единственный путь к преодолению его заключается в стабилизации стали путем добавки к ней других элементов, таких как ниобий и титан, которые имеют большее сходство с углеродом, чем хром, и таким образом формируются карбиды во включениях преципитатов в хроме.

7. Инструментальные стали

Не имеющие примесей углеродистые стали обладают твердостью благодаря высокому содержанию в них углерода. Эти стали нуждаются в закалке в холодной воде для получения максимальной твердости. К сожалению, они немного хрупкие и им не хватает пластичности. Там, где требуется материал с умеренной пластичностью, может применяться углеродистая сталь с содержанием углерода около 0.7%. А там, где твердость является основным требованием, а ударная вязкость не важна, могут применяться углеродистые стали с содержанием углерода около 1.2%.

Сплавы инструментальных сталей делаются более твердыми и более износостойкими при добавлении к ним элементов, способствующих появлению стойких твердых карбидов. В качестве таких элементов применяются марганец, хром, молибден, вольфрам и ванадий. Марганцевая инструментальная сталь содержит примерно 0.7…1% углерода и 1.0…2.0% марганца. Такая сталь закалена в масле от температуры 780…800°С и затем отпущена. Марганец может быть частично заменен хромом, что только улучшит вязкость стали. Сопротивление ударной нагрузке у инструментальных сталей предназначается для улучшения вязкости при воздействии на них ударами. Для этого необходимо мелкое зерно, которое получают при добавлении ванадия. Инструментальные стали, рассчитанные на применение в процессах с деформированием в горячем состоянии, требуют сохранения своих свойств при рабочих температурах. Хром и вольфрам, если они добавлены к сталям в форме карбидов, которые имеют и стойкость, и твердость, сохраняют свойства стали до высоких температур.

Стали, используемые для обработки с высокой скоростью на станках, называются быстрорежущими инструментальными сталями. В результате обработки материал нагревается. Такие стали не должны отпускаться при высоких температурах, которые появляются во время обработки на станках. Считается, что комбинация вольфрама и хрома в виде карбидов, сформированных при этих элементах, дает требуемые свойства стали. Они будут особенно прочны при высоких температурах.