при относительно низком содержании углерода (0,25%) и высоком содержании таких легирующих элементов, как никель или марганец, превращение по типу первой ступени происходит настолько медленно, что обьпшо не обнаруживается ни при изотермических исследованиях, ни при изучении распада аустенита в процессе непрерывного охлаждения сталей с различными скоростями (рис. П1.16, в). Такое явление наблюдается при изучении распада стали марок 18Х2Н4ВА, 18Х2Н4МА, 34ХН4М и др.

В некоторых высоколегированных сталях вторая ступень превращения настолько сильно понижается и затормаживается, что либо оказывается ниже мартенситной точки и сливается с мартенситным интервалом температур, либо сдвигается настолько сильно вправо, что при проведении обычных исследований не обнаруживается. В таких случаях изотермические и термокинетические диаграммы имеют один максимум ускоренного распада при температурах выше мартенситной точки, соответствующий диффузионному механизму превращения (рис. П1.16, д). Это наблюдается, например, в высокохромистых сталях, содержащих 0,3- 0,4% С и 10-12% Сг.

Возможны также случаи, когда под влиянием повышенного содержания углерода и легирующих элементов мартенситный интервал превращения настолько сильно понижается, что оказывается ниже комнатной температуры. Такие стали обычно обладают очень большой устойчивостью аустенита при температурах первой и второй ступени и называются аустенитными сталями. В этих сталях при обычных исследованиях при всех температурах выше комнатной не наблюдается превращения аустенита, а на изотермических и термокинетических диаграммах нет никаких линий, характеризующих распад аустенита. Только при проведении специальных экспериментов в этих сталях удается обнаружить процесс выделения избыточных карбидов, происходящий при высоких температурах (рис. П1.16, е). В результате выделения карбидов мартенситная точка в прилегающих зчастках аустенита повышается и при некоторых скоростях охлаждения может оказаться выше комнатной температуры.

Рассмотренные примеры не исчерпывают всего многообразия изотермических и термокинетических диаграмм, которые мы наблюдаем на практике. Следует помнить, что внешний вид диаграммы может меняться под влиянием большого числа переменных факторов. Помимо химического состава аустенита, можно указать на влияние однородности состава, величины зерна и температуры нагрева, металлургической природы стали и характера раскисления, наличия неметаллических включений и всякого рода посторонних фаз, которые могут играть роль зародышей при развитии превращения. Указанные факторы наиболее существенно влияют на диффузионное превращение, когда образуются избыточные фазы феррит или карбид и феррито-карбидная смесь. В случае промежуточного и мартенситного

превращений роль и значение многих из перечисленных факторов уменьшаются. Известно, например, что величина зерна аустенита, температура нагрева, металлургическая природа стали и наличие различного рода нерастворенных примесей, заметно влияющие на диффузионное превращение, почти не отражаются на кинетике промежуточного и мартенситного превращений, хотя в отдельных случаях и изменяют температурные интервалы их развития.

Из сказанного следует, что влияние легирующих элементов на свойства стали сводится в основном к воздействию их на характер превращения переохлажденного аустенита (в частности, на прокаливаемость) и на состав карбидных фаз, образующихся в стали. Влияние наиболее распространенных легирующих элементов на строение и свойства стали показано в табл. П1.3.

4. Классификация и маркировка стали

Стали классифицируют по структуре в равновесном состоянии, по структуре после охлаждения на воздухе, по качеству, по составу и назначению.

>4,

Рис. III.17. Диаграмма изотермического распада аустенита для стали трех классов (схема):

а - перлитный; б - мартенситный; в - аустенит-ный класс

По структуре в равновесном состоянии различают стали: доэвтектоидные, имеющие в структуре избыточный феррит; эвтектоид-иые, имеющие перлитную структуру; заэв-тектоидные, имеющие в структуре избыточные (вторичные) карбиды; ледебуритные,. имеющие в структуре избыточные карбиды выделившиеся из жидкой стали. В литом виде избыточные карбиды совместно с аустенитом образуют эвтектику - ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит. Помимо этого, при высоком содержании легирующих элементов, расширяющих область существования у-фазы, образуется класс аустенитных сталей; при высоком содержании легирующих элементов, сужающих область с)ацествования у-фазы, и малом содержании углерода, расширяющего у-об-ласть, образуется класс ферритных сталей.

По структуре после охлаждения на воздухе образцов небольшой толщины (диаметром 25 мм) различают три основных класса стали (рис. П1.17): перлитный - стали этого класса характеризуются относительно

малым содержанием легирующих элементов (либо их отсутствием); мартенситный - стали содержат более значительное количество легирующих элементов; аустенитный-стали имеют высокое содержание легирующих элементов.

По качеству стали делят на следующие группы: обыкновенного качества, качественные, высококачественные, особо высококачественные.

По составу различают углеродистые, хромистые, никелевые, хромоникелевые, хромо-никельмолибденовые и тому подобные стали. Классификационный признак - наличие в стали тех или иных легирующих элементов.

По назначению стали можно объединить в следующие группы:

Конструкционные стали, применяемые для изготовления деталей машин. Как правило, конструкционные стали у потребителя подвергают термической обработке. Поэтому их подразделяют на цементуемые (подвергаемые цементации) и улучшаемые (подвергаемые закалке и высокому отпуску). Стали, близкие по составу к конструкционным, но не предназначаемые для термической обработки у потребителя, объединяют в группу строительных сталей (часто их называют низколегированными).

Инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, измерительного и штам-пового инструмента. Инструментальные стали условно подразделяют на углеродистые, легированные, штамповые и быстрорежущие.

Стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали и сплавы, обладающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жаропрочные и теплоустойчивые, износостойкие, с особыми магнитными и электрическими свойствами и т. д.

Для обозначения марок стали разработана система, принятая в ГОСТах. Обозначение состоит из небольшого числа цифр и букв, указывающих на примерный состав стали. Каждый легирующий элемент обозначается соответствующей буквой: И - никель; X - хром; Г - марганец; С - кремний; В - вольфрам; М - молибден; Ф - ванадий; К -кобальт; Д -медь; Ю -алюминий; Б - ниобий; Р - бор; Т - титан; Ц - цирконий; А - азот; П - фосфор; Ч -редкоземельные металлы.

Качественные конструкционные углеродистые стали маркируются цифрами 08, 10, 15, 85; цифры указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. При маркировке легированных сталей первые цифры в обозначении показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента (у высокоуглеродистых инструментальных сталей в десятых долях процента). Цифры, идущие после буквы, указывают на примерное содержание данного легирующего элемента (при содержании элемента менее 1 % цифры отсутствуют; при содержании около 1%-цифра 1, около 2%-цифра 2 и*т. д.). Для того чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы и фосфора (S<0,03%, Р<0,03%), а также что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в

конце обозначения марки ставят букву А (буква А в середине марочного обозначения указывает на наличие азота, специально введенного в сталь).

В ряде случаев для сокращения числа знаков в обозначении несколько отступают от принятой системы (особенно это относится к сложнолегированным сталям). Так, в инструментальных сталях, содержащих более 1 % С, цифры, обозначающие его количество, полностью опускают. Иногда опускают отдельные цифры, обозначающие содержание того или иного легирующего элемента.

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, быстрорежущих - с буквы Р, электротехнических - с буквы Э, магнитотвердых - с буквы Е, автоматных-г с буквы А. Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом Электросталь , маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) и ЭП (электросталь пробная) и порядковым номером. После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.

5. Общая характеристика основных видов термической обработки

Термическую обработку стали обычно проводят в тех случаях, когда отмечаются полиморфные превращения, ограниченная и переменная растворимость одного компонента в другом в твердом состоянии и изменение строения под влиянием предварительной деформации.

В процессе термической обработки стали, имеющей полиморфное превращение, происходит изменение кристаллического строения в определенном интервале температур, ограниченном нижней Al и верхней Лз критическими точками. При термической обработке стали, не имеющей полиморфных превращений, когда растворимость какого-либо из присутствующих в сплаве элементов в решетке основного компонента меняется в зависимости от температуры, происходят изменения, связанные с выделением этих элементов из пересыщенного твердого раствора (явление старения). При термической обработке предварительно деформированной стали протекают процессы возврата и рекристаллизации, приводящие к снижению прочностных и повышению пластических свойств, а также к изменению микроструктуры при сохранении структурных составляющих.

Основными видами термической обработки, изменяющими структуру и свойства стали, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск и старение. Отжиг может быть I и П рода. Отжиг I рода включает процессы рекристаллизации, гомогенизации и снятия остаточных напряжений. Эти процессы происходят независимо от протекания фазовых превращений. Отжиг II рода может быть полным, неполным, изотермическим, сферо-идизирующим. Структура и свойства стали, формирующиеся при отжиге II рода, опре-

Таблица III.4 о Характеристика основных процессов термической обработки

Вид обработки

Условия нагрева и охлаждения

Структурные прев-. ращения

Конечная структура

Нйзначенне

Отжиг I рода: рекристал-лизационный

уменьшающий напряжения гомогениза-ционный

Отжиг II рода: полный

неполный

изотермический

сфероидизи-рующий

Нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации (но ниже критической точки), выдержка 3--б ч, медленное охлаждение до 500° С и далее на воздухе

Нагрев ниже температуры рекристаллизации (200-600°С), выдержка, медленное охлаждение

Нагрев значительно выше критической температуры (обычно 1000-И50°С), выдержка 10-15 ч, медленное охлаждение

Нагрев доэвтектоидной стали на 30-50° С выше Лсг, выдержка, медленное охлаждение (со скоростью 20-200 град/ч в зависимости от состава стали, массы садки, формы и размера поковок)

Нагрев до температуры на 40-60° С выше точки Лси выдержка, медленное охлаждение

Нагрев на 30-50° С выше точки Асг (для доэвтектоидных сталей) или Aci (для заэв-тектоидных), выдержка, ускоренное охлаждение до температуры наименьшей устойчивости аустенита (650-680°С), выдержка до полного распада аустенита при этой температуре, охлаждение на воздухе Нагрев несколько выше точки Аси длительная выдержка, медленное охлаждение (30-

Образование новых равновесных зерен взамен ориентированной волокнистой структуры деформированного металла

Уменьшение ликвации в легированной стали, рост зерна

Образование аустенита с последующим распадом его на феррито-цементитную смесь

Фазовую перекристаллизацию проходит лишь перлит

Образование аустенита с последующим изотермическим распадом на феррито-карбидную смесь

Устранение пластинчатого и сме-

Мелкозернистая равновесная структура, свободная от остаточных напряжений

Более однородная структура, крупное зерно. Его измельчают при последующей прокатке и термической обработке Перлит и феррит

Перлит и феррит (доэвтектоидные стали), перлит и цементит (заэв-тектоидные стали) Пластинчатый перлит и феррит (в заэвтектоидной стали - перлит и цементит)

Феррит и зернистый цементит

Для уменьшения твердости и увеличения пластичности и вязкости холоднодеформированной (тянутой, катаной или штампованной) стали. Чаще применяется как межоперационная обработка для снятия наклепа после холодной деформации

Для снятия остаточных напряжений и снижения твердости после литья, сварки, пластической деформации и термической обработки Для уменьшения ликвации и повышения однородности структуры слитков и отливок из легированной стали, уменьшения склонности проката и поковок к флокенообразованию и шиферности

Для уменьшения твердости, улучшения обрабатываемости, снятия напряжений, уменьшения структурной неоднородности, измельчения зерна, повышения вязкости и пластичности, подготовки структуры стали к окончательной термической обработке

Для уменьшения твердости и улучшения обрабатываемости резанием. Для заэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют вместо полного

Для уменьшения длительности отжига проката или поковок из легированной стали

Для уменьшения твердости и улучшения обрабатываемости резанием высокоуглеродистых