Классификация легированных сталей по структуре после нормализации (охлаждения на воздухе)

По структуре легированные стали делятся на пять классов: перлитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.

К перлитному классу относятся низколегированные стали, в которых после нормализации образуется перлитная (cорбитная,трооститная) структура. Это объясняется тем, что кривая скорости охлаждения будет пересекать область перлитного распада (рис.5а)

а б в

Рис.5.Диаграмма изотермического распада аустенита

К нему относятся стали, содержащие небольшое количество легирующих элементов и обладающие структурой эвтектоидного типа: перлит, сорбит, троостит, наряду с которыми могут присутствовать феррит или вторичные карбиды. К этой группе относятся стали 40Х, 40ХН, 30ХГСА, 40ХГТ, Х, 9ХС и др.

К мартенситному - среднелегированные стали, наличие легирующих элементов в которых обеспечивает при нормализации образование мартенситной структуры. При этом область перлитного распада сдвинута вправо (рис.5б), поэтому аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенситного превращения.

Из сталей этого класса в машиностроении применяются хромоникелевые и хромоникельвольфрамовые конструкционные стали с содержанием до 0,3 – 0,4% углерода, например 18Х2Н4ВА, 25ХН4ВА и др. Стали других составов отличаются высокой хрупкостью и поэтому не применяются.

К аустенитному - высоколегированные стали, в которых при нормализации не происходит превращение аустенита, и он полностью сохраняется в стали при комнатной температуре. Это объясняется тем, что мартенситное превращение протекает в области отрицательных температур (рис.5в).

К аустенитному классу относятся стали с высоким содержанием таких легирующих элементов, как Ni, Mn, Cr и Ti. В структуре стали будет находиться аустенит и небольшое количество карбидов. Стали этого класса жаропрочные и коррозионностойкие. После закалки при температуре 1000-1100⁰ С карбиды, находящиеся в стали, переводятся в твердый раствор, в результате чего улучшается коррозионная стойкость и повышается пластичность. К этой группе относятся стали Х18Н9, Х18Н9Т и др.

К ферритным - стали, легированные значительным количеством элементов, расширяющих область α - твердого раствора (феррита). Такие стали не испытывают аллотропических превращений и при любых температурах находятся в состоянии α-твердого раствора. К ферритному классу относятся стали, содержащие значительное количество легирующих элементов, замыкающих область существования - твердого раствора (Cr, Si и др.) и малое количество углерода. Эти стали обладают высокой коррозионной стойкостью, например сталь Х17.

К карбидному классу относятся в основном инструментальные стали с большим содержанием карбидообразующих элементов (Cr, W, Мо, Тi). К этому классу можно отнести стали Х12М, Р9, Р18 и др., содержащие большое количество углерода и карбидообразующих элементов Cr, W, V и др. Для этого класса характерным является именно наличие карбидов, структура же основного фона может быть в зависимости от состава и температуры нагрева перлитной, мартенситной и аустенитной. Эти стали обладают высокой твердостью и износостойкостью. Применяются для изготовления режущего инструмента и штампов, работающих в тяжелых условиях.

Основные структурные составляющие легированных сталей - легированный феррит, легированный аустенит, легированный цементит и специальные карбиды.

Легированный феррит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в α -железе (феррите) и отличается от обычного феррита тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами легирующего элемента. Под микроскопом легированный феррит ничем не отличается от феррита углеродистой стали.

Легированный аустенит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в γ -железе. Он наблюдается под микроскопом в виде однородных зерен, часто с наличием линии сдвига или двойников.

Легированный цементит представляет собой раствор легирующих элементов в карбиде железа Fe₃C и отличается от цементита железа углеродистых сталей тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами карбидообразующих легирующих элементов. Под микроскопом легированный цементит ничем не отличается от обычного цементита углеродистых сталей.

Специальные карбиды - соединения легирующих элементов с углеродом. Они отличаются высокой твердостью и обычно большей, чем цементит, дисперсностью. Различают две группы карбидов: имеющие сложную кристаллическую решетку (Сг₂зС₆, Сг₃С₇, Fe₂W₂C₇) и имеющие простую кристаллическую решетку (W₂C, WC, Мо₂С, VC, TiC). Под микроскопом специальные карбиды трудно отличить от цементита. Для выявления состава карбида применяются специальные реактивы и методы травления. Некоторые специальные карбиды имеют специфическую форму, например, карбид титана имеет форму кубиков.

Изменение скорости охлаждения будет изменять структуру, а также класс стали. Так, если сталь перлитного класса охладить с большой скоростью, то можно получить мартенсит; при охлаждении стали мартенситного класса с меньшей скоростью можно получить перлит, а обработав аустенитную сталь холодом, можно получить мартенсит.