Микроструктурный анализ легированных сталей

Микроструктура легированных сталей в равновесном состоянии

1. Доэвтектоидные стали имеют структуру феррита и перлита (рис.1, а).

Количество феррита и перлита в структуре определяется со­держанием углерода в стали и концентрацией углерода в эвтектоиде. К этому классу относятся конструкционные стали, например, марок 15Х, 18ХГТ, 18Х2Н4ВЛ, ЗОХГСА, 40Х и многие другие.

Рис.1. Схемы микроструктуры легированной стали доэвтектоидного класса марки 'ЮХГСА после полного отжига от 880°С (а, тонкопластинчатый перлит и феррит) и после нормализации от 880°С (б, сорбит и феррит),х600 (сорбит при увеличениях светового микроскопа так, как показан на схеме, не разрешается)

2. Эвтектоидные стали имеют перлитную структуру (рис.2). С увеличением содержания легирующих элементов концентрация углерода в перлите снижается и становится значительно меньше 0,8%. Например, сталь марки 70СЗА, содержащая 0,66-0,74%С и 2,40-2,80%Si, имеет в отожженном состоянии перлитную структуру.

Рис.2. Схема микроструктуры легированной стали эвтектоидного класса марки 70СЗА после полного отжига от 860°С. Пла­стинчатый перлит, х бОО

3. Заэвтектоидные стали имеют структуру, состоящую из перлита и

избыточных вторичных карбидов. К этому классу относятся инструментальные стали марок X, ХГ, ХВГ, ХГСВ и другие. Так, сталь ХГ, содержащая 1,30-1,50%С, 1,30-1,60%Сг и 0,45-0,70%Мп, после полного отжига из однофазного аустенитного состояния имеет структуру, состоящую из тонкопластинчатого перлита и сетки избыточных вторичных карбидов (рис.3,а). Сплошная сетка карбидов снижает механические свойства заэвтектоидных сталей, поэтому они подвергаются отжигу на зернистый перлит (рис.3,6).

Рис.3. Схема микроструктуры легированной стали заэвтектоидного класса марки XT после полного отжига от 1000°С (а, тонкопластинчатый перлит и сетка вторичных карбидов) и отжига на зернистый перлит (б, зернистый перлит и вторичные карбиды округлой формы), х 6ОО

4. Стали ледебуритного класса содержат в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы при кристаллизации и входящие в состав эвтектики - ледебурита. Легирующие элементы могут настолько сильно уменьшить растворимость углерода в аустените, что при концен­трации его менее 1% возможно образование ледебурита в стали. Напри­мер, в литой быстрорежущей стали марки Р18, содержащей 0,70-0,80%С; 17,5-19,0%W; 1,0-1,4%V и 3,8-4,4%Сг, присутствует ледебурит, имеющий в вольфрамовых сталях "скелетообразный" вид. Ледебурит состоит из пластинок карбидов, чередующихся с аустенитом.

При охлаждении в процессе кристаллизации перитектическое превращение (жидкость+δ-феррит--►аустенит) не успевает завершиться, и в структуре сохраняется некоторое количество δ-феррита, который в быстрорежущих сталях при дальнейшем охлаждении претерпевает эвтек-тоидный распад с образованием δ-эвтектоида, состоящего из тонкодис­персной смеси аустенита и карбидов. Из-за большой измельченности δ-эвтектоид сильно травится, имеет вид темных кристаллов округлой формы и плохо отличим в оптическом микроскопе от перлита (рис.4, а).

Рис.4. Схема микроструктуры легированной стали ледебуритного класса марки Р18 в литом состоянии (а, ледебурит, аустенит и эвтектоид) и после обработки давлением - ковки и отжига (б, крупные первичные и мелкие вторичные карбиды, мелкозернистый перлит), х600

Карбиды, образовавшиеся в процессе кристаллизации и входя­щие в состав ледебурита, называются первичными.

По структуре стали ледебуритного класса следовало бы рассмат­ривать, как белые чугуны. Однако в результате пониженного содержания углерода они по свойствам значительно ближе к стали, чём к чугунам, что позволяет рассматривать их как стали. Ледебуритные стали облада­ют более высокой пластичностью, чем белые чугуны, поэтому путем го­рячей обработки давлением удается раздробить ледебуритную эвтектику и повысить свойства стали за счет равномерного распределения карби­дов. Структура ковансТ и отожженной бысгрорежущей стали Р18 состоит из крупных первичных карбидов, более мелких вторичных и мелкозерни­стого перлита, состоящего из легированного феррита и эвтектоидных карбидов (рис.4, б).

К ледебуритному классу относятся инструментальные стали -быстрорежущие марок Р9, Р12, Р18, Р9Ф5, Р10К5Ф5 и для штампов хо­лодной штамповки марок Х12, Х12Ф1, Х12М.

5. Стали аустенитного класса содержат большое количество ле­гирующих элементов, которые расширяют область аустенита, повышая его устойчивость, и резко сужают область существования феррита.

Элементами, стабилизирующими аустенитную структуру, явля­ются никель, марганец, медь, азот и углерод. При достаточном их содер­жании сталь не претерпевает фазовых превращений и сохраняет аусте­нитную структуру при охлаждении до комнатной температуры.

Для аустенитнсй структуры ха­рактерно наличие внутри зерен прямоли­нейных границ двойникования.

Рис.5.Схема микроструктуры легированной стали аустенит­ного класса марки 12ХН18Н9Т после закалки от 1050°С в воде Аустенит, хбОО. (Травление в электролите, содержащем

10 г щавелевой кислоты и 100 мл воды, при плотности тока О,1 А/см² в течение 35-45 с)

На рис.5 показана структура ста­ли 12Х18Н9Т закаленном состоянии. При медленном охлаждении от 1050°С из ау­стенита выделяются по границам зерен карбиды, снижающие механические свой­ства. Поэтому стали аустенитного класса часто применяются в однофазном состоя­нии аустенита, которое получается путем растворения карбидов при нагреве и по­следующей закалки в воде.

Стали аустенитного класса в за­висимости от химического состава могут быть нержавеющими (12Х18Н9Т, 08Х18Н12Т, 04Х18Н10), жаропрочными (08Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М), износостой­кими (Г13), а также обладать другими особыми свойствами.

Жаропрочность определяется силами межатомного взаимодейст­вия при повышенных температурах, а так как плотность упаковки атомов в аустените максимальная, то стали аустенитного класса обладают наи­большей жаропрочностью. Хром и никель являются основными легирую­щими компонентами этих сталей. Хром определяет окалиностойкость, а никель - устойчивость аустенита.

В хромоникелевых нержавеющих сталях из-за наличия углерод? могут образоваться специальные карбиды, преимущественно типа M_BQ.Выделение карбидов происходит по границам зерен, что при определен­ных условиях приводит к появлению особого вида коррозионного разру­шения по границам зерен, называемого межкристаллитной коррозией.

Благодаря аустенитной структуре эти стали немагнитны, имеют высокую пластичность и многие из них хорошо штампуются в холодном состоянии.

6. Стали ферритного класса имеют высокую концентрацию леги­рующих элементов, сужающих область аустенита и расширяющих об­ласть феррита. К таким элементам относятся: хром, кремний, алюминий, молибден, вольфрам, ванадий, титан и другие. Для получения перлитной структуры сталь должна иметь минимальное (до 0,1-0,2%) содержание углерода, расширяющего область аустенита.

Рис.6. Схема микроструктуры леги­рованной стали ферритного класса марки Э42. Феррит. х 600

Структура этих сталей состоит, в основном, из легированного феррита, не превращающегося в аустенит при нагреве вплоть до температуры плав­ления. На рис.6 показана микрострук­тура трансформаторной стали марки Э42, которая вследствие низкого со­держания углерода - менее 0,05% и высокой концентрации кремния 3,8-4,8% не имеет аллотропического превращения α◄----►γ и поэтому относится к ферритному классу.

Электротехническая сталь имеет по ГОСТу специальную марки­ровку. Первая цифра за буквой Э пока­зывает примерное содержание крем­ния в %. Вторая цифра характеризует уровень электротехнических и магнитных свойств (чем цифра больше, тем свойства выше). Кремний, растворяясь в феррите, резко увеличивает электросопротивление и тем самым снижает потери на вихревые токи и гистерезис.

При высоком содержании хрома, кремния и алюминия стали ферритного класса являются жаростойкими (окалиностойкими), так как эти элементы способны образовывать на поверхности детали плотные пленки окислов, препятствующие проникновению кислорода и образова­нию окалины. К жаростойким относятся стали марок Х17, ОХ17Т, Х25Т, Х28, 1Х12СЮ, Х18СЮ и другие. Стали ферритного класса в качестве жа­ропрочных не применяются, так как феррит имеет более низкую плот­ность упаковки атомов в решетке, чем аустенит. Благодаря ферритной структуре эти стали обладают ферромагнитными свойствами.