Упрочняющая термическая обработка состоит из двух этапов: закалки и старения.

Для закалки сплав нагревается выше линии предельной растворимости, так что ‑фаза полностью растворяется.

Быстрое охлаждение до комнатной температуры фиксирует однофазную структуру пересыщенного медью ‑раствора. Прочность при этом изменяется мало (сравните с закалкой стали, работа № 6). Существенное увеличение прочности происходит в результате старения - процессов, протекающих при длительной выдержке неравновесного, закаленного сплава при комнатной или повышенной температуре. В зависимости от природы сплава и режима старения структура сплава в той или иной мере приближается к равновесному (+) состоянию.

Длительная выдержка закаленного сплава при комнатной температуре (“естественное старение”) не приводит к образованию ‑фазы. В отдельных плоскостях решетки ‑раствора начинают скапливаться атомы меди, однако их концентрация еще не достигает той, которая необходима для образования зародышей ‑фазы (55,4 % Cu). Из-за разницы атомных радиусов меди (0,128 нм) и алюминия (0,143 нм) решетка ‑раствора в местах скопления меди сильно искажается. Эти области искажений называются зонами Гинье-Престона или зонами ГП. Являясь искажениями решетки, зоны ГП препятствуют скольжению дислокаций и эффективно упрочняют сплав (рис. 9.2).

В результате “искусственного старения” при 100...150 С в местах скопления меди в ‑растворе образуются метастабильные '- и ''‑ фазы, отличающиеся от равновесной ‑фазы типом решетки. Решетка метастабильной фазы еще не отделена от решетки ‑раствора (когерентная связь), а так как параметры этих решеток различны, то в местах образования '- и ''‑фаз решетка ‑раствора искажается. Степень искажения, однако, меньше, чем в случае образования зон ГП, п

Рис. 9.2. Зависи­мость прочности дуралюмина от режима старения

оэтому меньше и эффект упрочнения (рис. 9.2).

Еще меньше величина упрочнения при старении в интервале 200...250 С. При этих температурах образуется равновесная ‑фаза, ее решетка полностью отделена от решетки ‑раствора. В результате снимаются искажения решетки ‑раст-вора и понижается степень упрочнения; на этом этапе оно обусловлено торможением дислокаций мелкодисперсными выделениями ‑фазы. Из рис. 9.2 видно, что длительная выдержка при 200...250 С,  приводящая  к коагуляции упрочняющих частиц ‑фазы, вызывает уменьшение прочности (“перестаривание”).

57.Легированные стали. Классификация конструкционных легированных сталей. Автоматные стали, высокопрочные стали, пружинно-рессорные стали, износостойкие стали: маркировка, примеры, применение.

Легирующими называют элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее строения и свойств. Соответственно стали называются легированными. При этом если содержание кремния более 0,4 % или марганца более 0,8 %, то они также относятся к легирующим элементам.

Концентрация некоторых легирующих элементов может быть очень малой. В количестве до 0,1 % вводят Nb, Тi, а содержание бора обычно не превышает 0,005 %. Легирование стали, когда концентрация элемента составляет около 0,1 % и менее, принято называть микролегированием.

Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости в разных средах). Необходимый комплекс свойств обычно обеспечивается не только легированием, но и термической обработкой, позволяющей получать наиболее оптимальную структуру металла. Легированные стали дороже углеродистых и поэтому применять их без термообработки нерационально.

Применение легирующих элементов существенно влияет на себестоимость сталей. При использовании тех или иных легирующих элементов руководствуются не только их влиянием на свойства стали, но и экономическими соображениями, в частности распространенностью в земной коре, стоимостью добычи и получения, а также дефицитностью.

Основными легирующими элементами являются Сr, Ni, Мn, Si, Мо, V, Тi, Аl, Сu, Nb, В. Часто сталь легируют не одним, а несколькими легирующими элементами, например Сr и Ni, получая хромоникелевую сталь, Сr и Мn - хромомарганцевую сталь, Сr, Ni, Мо, V - хромоникельмолибденованадиевую сталь. Легирующие элементы оказывают существенное влияние на полиморфизм железа. Легирующие элементы по их влиянию на устойчивость феррита или аустенита делятся на две группы.

Классификация легированных сталей

Легированные стали классифицируют

· по структуре в равновесном состоянии,

· по структуре после охлаждения на воздухе,

· по количеству легирующих элементов и

· по назначению.

По равновесной структуре стали делятся на доэвтектоидные стали с избыточным ферритом в структуре, эвтектоидные с перлитной структурой, заэвтектоидные с избыточными карбидами, ледебуритные стали в структуре которых присутствуют первичные карбиды, выделившиеся из жидкой стали. Легирующие элементы сдвигают влево точки S, Е диаграммы железо-углерод. Поэтому граница между перечисленными сталями проходит при меньшем содержании углерода.

Учитывая, что некоторые элементы резко сужают или расширяют область g - железа, кроме этих групп сталей различают аустенитные и ферритные стали.

По структуре после охлаждения на воздухе различают перлитные стали, характеризующиеся невысокой устойчивостью переохлажденного аустенита; мартенситные стали с высокой устойчивостью аустенита и аустенитные стали, сохраняющие аустенитную структуру при комнатной температуре.

По количеству легирующих элементов различают низколегированные стали, содержащие до 2,5% легирующих, среднелегированные - 2,5-10% и высоколегированные стали, содержащие более 10% легирующих элементов.

По назначению различают три группы сталей: конструкционные (машиностроительные и строительные), инструментальные (штамповые, для режущего и мерительного инструмента) и стали с особыми физическими и химическими свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, электротехнические, магнитные и др.).

Маркировка легированных сталей

В России принята буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. Легирующие элементы обозначают следующими буквами русского алфавита: X - хром, Н - никель, В - вольфрам, М - молибден, Ф - ванадий, Т - титан, Ю - алюминий, Д - медь, Г - марганец, С - кремний, К - кобальт, Ц, - цирконий, Р - бор, Б - ниобий. Буква А в середине марки стали показывает содержание азота, а в конце - сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1%, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1% или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

В качестве основных легирующих элементов в конструкционных сталях применяют хром до 2 %, никель 1-4,5%, марганец до 2 %, кремний 0,6-1,2 %. Такие легирующие элементы как Мо, W, V, Тi обычно вводят в сталь в сочетании с Сr, Ni с целью дополнительного улучшения тех или иных физико-механических свойств. В конструкционных сталях эти элементы обычно содержатся в следующих количествах, в%: Мо - 0,2-0,4; W -0,5- 1,2; V - 0,1-0,3; Тi - 0,1-0,2.

Например, сталь 18ХГТ содержит: 0,18% С, 1% Сr, 1% Мn, около 0,1% Тi; сталь 38ХНЗМФА 0.38%С, 1.2-1.5%Сr; З%Ni, 0,3-0,4 %Мо, 0,1-0,2% V, сталь ЗОХГСА - 0,30% С, 0,8-1,1% Сr, 0.9-1.2%Мn, 0,8-1,2%Si; сталь ОЗХ13АГ19 - 0.03% С, 13% Сr, 0,2-0,3% N, 19% Мn.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода около 1 % или более.

Например, сталь ЗХ2В8Ф содержит, 0,3% С, 2% Сr, 8%W, 0,2-0,5% V; сталь 5ХНМ -0,5% С, 1% Сr, 1% Ni, до 0,3% Мо: сталь ХВГ- 1% С, 1% Сr, 1% W, 1% Мn.

Для некоторых групп сталей применяют дополнительные обозначения. Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, подшипниковых - с буквы Ш, быстрорежущих - с буквы Р, электротехнических - с буквы Э, магнитно-твердых - с буквы Е.

Нестандартные легированные стали, выпускаемые заводом “Электросталь”, обозначают сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (электросталь пробная). Легированные стали, выпускаемые “Днепроспецсталью”, маркируют буквами ДИ, Златоустовским металлургическим заводом - буквами ЗИ. Во всех случаях после сочетания букв идет порядковый номер стали, например, ЭИ417, ЭП67, ДИ8 и т. д. После освоения марки металлургическими и машиностроительными заводами условные обозначения заменяет общепринятая маркировка, отражающая химический состав стали.