Леговані сталі

Легованими називають сталі, в які спеціально введено легуючі інгредієнти, що змінюють їхні властивості та структуру.

Леговані сталі поділяються за:

Ø ступенем легування: низьколеговані – сумарна кількість легуючих елементів до 2,5 %; середньолеговані – 2,5...10 %, високолеговані – >10 % легуючих елементів;

Ø призначенням: конструкційні, інструментальні та зі спеціальними властивостями (будівельні, машинобудівні, зносостійкі, високоміцні, жаростійкі, хімічно стійкі й ін.).

Ø хімічним складом;

Ø структурою;

Легуючі елементи впливають на ті або інші властивості сплаву. Так, вольфрам надає сталі твердість, марганець – зносостійкість, кремній – пружність, нікель – в'язкість, молібден – жароміцність, хром і нікель – кислотостійкість.

Букви в позначенні марки сталі означають присутність тих або інших хімічних елемен­тів у сталі, а цифри після них - вміст легуючих елементів в %. Якщо вміст хімічного елемента не перевищує 1,5 %, то цифра не ставиться. Якщо є буква А в кінці марки, то ця сталь висо­коякісна. Цифри, що стоять перед буквами - символами легуючих елементів, означають вміст вуглецю в конструкційних сталях у сотих частках відсотка, а в інструментальних - у де­сятих частках відсотка.

Позначення легуючих елементів: X – хром, Н – нікель, М – молібден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, А – азот (вказується у середині марки), Г – марганець, Д – мідь, Ф – ванадій, С – кремній, П – фосфор, Р – бор, Б – ніобій, Ц – цирконій, Ю – алюмінії, Е – селенів.

Легована конструкційна сталь: Сталь 15Х25Н19ВС2.

На початку марки указується двохзначне число, що показує зміст вуглецю в сотих частках відсотка. Далі перераховуються легуючі елементи. Число, наступне за умовним позначення елементу, показує його вміст у відсотках. Якщо число не стоїть, то вміст елементу не перевищує 1,5 % і =1%.

У вказаній марці сталі міститься 0,15 % вуглецю, 25% хрому, 19 % нікелю, до 1,5% вольфраму, до 2 % кремнію.

40ХН4А – високоякісна хромонікелева сталь середньолегована, що містить 0,4 % вуглецю, 1 % хрому й 4 % нікелю, сірки і фосфору < 0,02 %.

Легована інструментальна сталь: Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

На початку марки указується однозначне число, що показує зміст вуглецю в десятих частках відсотка. При змісті вуглецю більше 1 %, число не вказується. Далі перераховуються легуючі елементи, з вказівкою їх вмісту.

Деякі сталі мають нестандартні позначення:

- швидкорізальні інструментальні сталі - Сталь Р18, де Р - індекс даної групи сталей (від rapid — швидкість), вміст вуглецю більше 1%., число показує вміст основного легуючого елементу — вольфраму. У вказаній сталі вміст вольфраму - 18 %, якщо сталі містять легуючі елемент, то їх вміст вказується після позначення відповідного елементу.

- шарикопідшипникові сталі - Сталь ШХ6, сталь ШХ15ГС, де Ш - індекс даної групи сталей, X - указує на наявність в сталі хрому, подальше число показує вміст хрому в десятих частках відсотка, у даних сталях, відповідно, 0,6 % і 1,5 %, також вказуються вміст легуючих елементів які входять у склад, вміст вуглецю більше 1 %.

Із збільшенням змісту вуглецю в сталі змінюється її структура, збільшується кількість цементиту та зменшується частка фериту. Ферит являє собою м'яку, пластичну структурну складову, а цементит - твердий та крихкий. Відповідно до зміни структури змінюються і властивості сталі. Чим більше вуглецю в сталі, тим вища твердість, міцність, але нижча пластичність і ударна в'язкість (рис. 2).

Границя міцності (σ_в) – це максимальне напруження зразка при прикладанні сили на розтяг до початку розриву шийки зразка з початковим поперечним перерізом S₀:

,

де S₀ – початкова площа перерізу зразка, мм²; F – прикладена сила для руйнування зразка.

Границя міцності (σ_в) характеризує жорсткість металу, силу прикладену з зовнішнього середовища яка змінить міжатомну відстань металу тобто характеризує силу міжатомної взаємодії даного металу та силу, яку необхідно прикласти до зразка до утворення тріщини.

Ударна в'язкість (а_n) – визначається відношенням роботи руйнування А, витраченої на деформацію і руйнування ударним згином надрізаного зразка, до початкової площі поперечного перерізу зразка в місці надрізу S₀:

,

тут S₀ – початкова площа перерізу зразка; А – робота руйнування зразка.

Зразок установлюють на опорах копра та наносять удар по стороні зразка протилежного надрізу. Робота витрачена на руйнування зразка: .

Тут m – маса маятника; g – прискорення сили тяжіння; H, h – висота підняття маятника до удару і після руйнування зразка; l – довжина маятника; α₁, α₂ – кути підняття маятника до удару і після руйнування зразка.

Величини Р, H, l, α₁ – постійні при випробуванні значення роботи руйнування визначають за допомогою спеціальних таблиць за значенням α₂ (h).

Відносне видовження (δ) знаходять за формулою:

[%],

де l₀ – початкова довжина зразка; l – довжина зразка після розриву;

δ – це відношення абсолютного видовження до початкової довжини зразка;

δ – це максимальне видовження зразка до початку розриву, визначається в %.

Відносне звуження (ψ) знаходять за формулою:

[%],

де S₀ – початкова площа перерізу зразка; S – площа перерізу руйнуючого зразка в місці розриву;

ψ – це відношення абсолютного звуження до початкової площі поперечного перерізу зразка;

ψ – це максимальне звуження зразка до початку розриву, визначається в %.

Умовно прийнято вважати метал надійним при δ≥15%, ψ≥45%.

Вуглець ускладнює зварювання сталі. Доброю зварюваністю відрізняються низьковуглецеві сталі (С=0,3 %). Механічні властивості сталі залежать також від форми і розмірів ферито-цементитної суміші. Чим дисперсніші (менші) частинки ферито-цементитної суміші, тим вища міцність та твердість сталі. Зерниста форма цементиту порівняно з пластинчастою при однаковій твердості характеризується більш високою пластичністю.

Границя міцності (σ_в) сталі при розтягуванні підвищується до вмісту вуглецю 0,8-0,9 %, а потім спадає у міру підвищення структурної складової - цементиту вторинного, тому що підвищується крихкість і знижуються пластичні властивості.

Ударна в'язкість (а_н), відносне видовження (δ) та відносне звуження (ψ) із збільшенням вуглецю зменшуються. Кращою здатністю для обробки володіє сталь, що містить від 0,3 до 0,5 % вуглецю. Низьковуглецеві сталі погано оброблюються різанням, тому що утворюється шорстка поверхня і стружку важко вилучити.

Рис. 2. Графік залежності механічних властивостей сталі від вмісту вуглецю