Стали и сплавы с особыми свойствами.

Стали маркируются буквой Э и четырьмя цифрами:

• первая цифра означает вид проката и структурное состояние (1 — горячекатаная, 2 — холоднокатаная изотропная, 3 — холоднокатаная анизотропная);

• вторая цифра показывает содержание кремния: 0 — до 0,4%; 1 — 0,4…0,8%; 2 — 0,8… 1,8%; 3 — 1,8…2,8%; 4 — 2,8…3,8%; 5 — 3,8…4,8%;

• третья и четвертая цифры — магнитные характеристики и их уровень (потери при перемагничивании при разных частотах тока, магнитную индукцию и магнитную проницаемость при разной напряженности магнитного поля).

Железоникелевые сплавы — пермаллои (от 40 до 80% Ni) — имеют высокую магнитную проницаемость, что очень важно для приборов, работающих в слабых полях (радио, телефон, телеграф). Магнитные свойства пермаллоя сильно зависят от термической обработки. Для улучшения магнитных свойств после механической обработки пермаллои подвергают отжигу при 1100… 1200°С в вакууме или атмосфере водорода. При этом укрупняется зерно, устраняются остаточные напряжения и удаляются примеси углерода. Охлаждение в магнитном поле после изотермической выдержки при отжиге повышает магнитные свойства.

Немагнитные стали. В электромашиностроении и приборостроении многие детали изготавливают из немагнитных сталей. Раньше для этой цели применяли цветные металлы, а теперь широко используют немагнитные аустенитные стали. Применение этих сталей резко снижает стоимость деталей, а также повышает механические свойства и уменьшает потери на вихревые токи в электроаппаратуре. В промышленности широко применяют аустенитные коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10, 12Х18Н10Т, а также более дешевые аустенитные стали 55Г9Н9ХЗ и 45Г17ЮЗ, в которых никель частично или полностью заменен марганцем.

Стали и сплавы с особыми магнитными свойствами

Магнитные стали и сплавы делятся на магнитотвердые и магнитомягкие. Эти материалы различаются величинами основных магнитных характеристик (см. рис. 3.21): остаточной индукции Вп коэрцитивной силой Нс, магнитной проницаемости р. Магнитотвердые материалы должны иметь высокие значения Вг и Нс. Магнитомягкие, напротив, малую величину Нс и высокое значение р. Магнитотвердые материалы используют для изготовления постоянных магнитов. Они намагничиваются в сильных магнитных полях, а после снятия поля сохраняют свои магнитные свойства. Магнитотвердые стали и сплавы должны обладать высокими значениями остаточной индукцииВг и коэрцитивной силы Нс (рис. 8.2, а). Именно высокое значение остаточной индукции, которая остается после снятия внешнего магнитного поля, определило применение магнитотвердых материалов для изготовления постоянных магнитов. Высокие значения коэрцитивной силы гарантируют способность постоянных магнитов сопротивляться размагничиванию.

Коэрцитивная сила возрастает при наличии в твердом растворе второй дисперсной фазы, возникновении напряжений в кристаллической решетке, измельчении зерна. Постоянные магниты небольших размеров делают из углеродистых заэвтектоидных сталей У10, У12. Закалка на мартенсит обеспечивает высокие значения коэрцитивной силы. вследствие возникновения больших закалочных напряжений. Сталь У12 после закалки в воде приобретает следующие магнитные свойства: Нс = 4800 А/м; Вг- 0,8 Тл. Легированные конструкционные стали имеют практически те же магнитные характеристики, но большую прокаливаемость, поэтому из них можно изготавливать магниты больших размеров. В настоящее время для постоянных магнитов широко используют стали с 1% С, легированные хромом, вольфрамом, кобальтом или совместно несколькими элементами (ЕХЗ, ЕХ7В6, ЕХ5К5). Магнитные стали маркируются буквой Е, а далее так же, как известные конструкционные стали, например сталь ЕХ9К15М2 содержит 1% С, 9% Сг, 15% Со, 2% Мо. Для получения высоких магнитных свойств стали подвергают термической обработке, состоящей из нормализации, закалки в масле или воде и низкотемпературного отпуска при 100 °С в течение 10…24 ч.

Нормализацию проводят для устранения «магнитной порчи», которая возникает в процессе отжига вследствие коагуляции (роста) карбидов. В результате снижается коэрцитивная сила, потому что она имеет высокие значения только при малых размерах зерен второй фазы — ее дисперсности. Охлаждение при закалке обычно проводят в масле, чтобы избежать коробления и образования трещин, хотя это по сравнению с охлаждением в водонесколько снижает магнитные свойства. Обработка холодом повышает магнитные свойства, так как устраняет немагнитную фазу — аустенит. Отпуск несколько снижает коэрцитивную силу, но обеспечивает стабильность магнитных свойств в процессе эксплуатации. Стали являются дешевым материалом, однако их магнитные характеристики невысоки. Более высокие магнитные свойства имеют сплавы систем Fe — Al — Ni — алъни, Fe — Al — Ni — Co — алънико (например, 8% Al, 24% Co, 14% Ni, 3% Си). Это дисперсионно-твердеющие сплавы. Эти сплавы не поддаются ни пластической деформации, ни обработке резанием, детали из них получают литьем. Сплавы подвергают сложной термической обработке. Заготовку, нагретую до 1300 °С, помещают между полюсами электромагнита напряженностью 160 А/м и охлаждают до 500 °С, затем на воздухе без воздействия магнитного поля. Отпуск выполняют при 600 °С. При этой температуре происходит дисперсионное твердение, т.е. выделение из пересыщенного твердого раствора мельчайших частиц второй фазы (см. подразд. 2.7), наличие которых повышает коэрцитивную силу. После такой обработки сплавы обладают анизотропией магнитных свойств. Более высокие магнитные свойства достигаются в направлении внешнего магнитного поля, которое было приложено при закалке.

Жаропрочные стали  и сплавы.

Жаропрочность — это сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительной нагрузке. При повышении температуры силы межатомных связей ослабевают и металлы разрушаются при напряжениях более низких, чем при комнатной температуре. Разрушение происходит в результате ползучести. Жаропрочность характеризует сопротивление материала ползучести. Напомним, что ползучесть развивается при рабочей температуре, превышающей температуру рекристаллизации, и напряжении выше предела текучести. Таким образом, жаропрочность тем выше, чем выше температура рекристаллизации Тр, которая, в свою очередь, зависит от температуры плавления металла Тм. Таким образом, повышение жаропрочности достигается применением металлов с высокой температурой плавления (тугоплавких), а также сплавов — за счет увеличения коэффициента а. Высокие значения а (0,6…0,8) характерны для твердых растворов. При этом аустенитные стали и сплавы обладают большей жаропрочностью, чем ферритные, так как температура рекристаллизации выше у сплавов с ГЦК, а не с ОЦК решеткой. Более высокой жаропрочностью обладают крупнозернистые структуры с меньшей протяженностью границ зерен, потому что именно на границах зерен скапливается большое количество дефектов, что делает их наиболее ослабленными участками в металле. Кроме того, по границам развивается процесс ползучести в результате перемещения одного зерна относительно другого.

Для сплавов, предназначенных  для краткосрочной эксплуатации, оптимальной является структура, обеспечивающая наибольшую прочность. Это структура, состоящая из твердого раствора и упрочняющих дисперсных частиц второй фазы. Структура сплавов, предназначенных для длительной эксплуатации, должна быть однофазной. Жаропрочность характеризуется пределом длительной прочности — напряжением, вызывающим разрушение при определенной температуре за данный отрезок времени.

В качестве жаропрочных материалов используют:

• стали на основе Fea для работы при температурах до 600 °С; аустенитные стали на основе FeY, легированные никелем (около 18 %), для работы при температурах до 850 °С;

• сплавы на основе никеля или железо-никелевые для работы при температурах до 950 °С.

Для работы при температурах около 600 °С и длительности работы 10000… 100000 ч используют низкоуглеродистые стали, в небольших количествах (до 1 %) легированные хромом, молибденом и ванадием(12ХМ, 15ХМ, 12Х1МФ), их используют для деталей котельного оборудования (паропроводы, крепеж и т.п.). Применяются также стали с содержанием углерода около 0,4 %, легированные хромом и кремнием, — сильхромы(40Х9С2, 40Х10С2М). Их отличительной особенностью является высокое сопротивление окислению, что обеспечивается высоким содержанием хрома и кремния. Сильхромы используют для выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Жаростойкие и  аустенитные стали и сплавы.

Жаростойкость (окалиностойкость) — это способность металла сопротивляться окислению при высоких температурах. При повышении температуры скорость окисления металлов возрастает. Железо при температурах выше 570 °С образует оксиды FeO, Fe304, Fe203, не защищающие поверхность металла от воздействия кислорода.Окалиностойкостъ сталей достигается легированием хромом, алюминием или кремнием. Эти элементы образуют на поверхности стали плотные оксиды Cr203, А1203, Si02, затрудняющие окисление. Образование защитной оксидной пленки обеспечивается только наличием соответствующих легирующих элементов. Поэтому жаростойкость определяется химическим составом стали и не зависит от ее структуры. Для работы при температурах до 800 °С применяют хромистые стали. Влияние хрома наиболее заметно при содержании 15… 20% (стали 12X17, 15Х25Т). При более высоких температурах используют хромоникелевые стали (20Х23Н13) и сплавы на основе никеля (ХН45Ю с составом 44…46% Ni, 15… 17% Сг, 2,9…3,9% А1). Содержание кремния и алюминия не превосходит 4%, при их большем содержании сплавы становятся весьма хрупкими. Жаростойкие стали и сплавы применяют для изготовления печного оборудования, сопловых аппаратов, деталей газотурбинных установок.

Аустенитные стали (12Х18Н9Т, 08Х18Н10Т) применяют для деталей, работающих при температурах до 850 °С. Для работы при более высоких температурах применяют сплавы на железоникелевой (ХН35ВТ, содержащий в среднем 15 % Сг, 35% Ni, 3,0% W, 1,3% Ti) или никелевой основе (ХН77ТЮР —20 % Сг, 2,7 % Ti, до 1,0 % Fe, до 0,4 % Mn, Ni — в основе). В технике находят применение тугоплавкие металлы с температурой плавления выше, чем у железа (1539 °С). К ним относятся Nb, Mo, Та, Сг и W с температурами плавления соответственно 2 468, 2 625, 2 996, 1849 и 3 410 °С. Поскольку чистые металлы имеют сравнительно низкую жаропрочность (малое значение коэффициента а), то для повышения жаропрочности их легируют элементами, образующими твердые растворы. Все тугоплавкие металлы обладают низкой жаростойкостью, в связи с чем на них наносят защитные покрытия.

Хромоникелевые  аустенитные стали

Хромоникелевые  аустенитные стали легированы 12 % хрома и 9… 10 % никеля, при меньшем содержании никеля коррозионная стойкость не достигается. Стали с таким содержанием никеля являются аустенитными (см. подразд. 6.4 и рис. 6.1, б). Наиболее широко используются хромоникелевые стали марок 12Х18Н9 и 12Х18Н9Т(0,12% С, 18% Сг, 9% Ni и около 0,1 % Ti в стали 12Х18Н9Т). Структура этих сталей — аустенит, они не претерпевают полиморфного превращения, т.е. упрочнить их термической обработкой невозможно. Однако изделия из этих сталей подвергают термической обработке для повышения коррозионной стойкости за счет обогащения хромом твердого раствора. При наличии углерода в структуре отожженной стали присутствуют карбиды хрома, это означает, что не весь хром находится в твердом растворе. Закалка от температуры 1000 °С с охлаждением в воде позволяет растворить карбиды хрома в аустените и предотвратить их выделение при быстром охлаждении. При использовании стали 2X18Н9 возникает опасность появления межкристаллитной коррозии. При нагреве закаленной стали (например, при сварке) возможно выделение карбидов хрома (Сг23С6) по границам зерен аустенита. Это приводит, во-первых, к обеднению хромом ниже допустимого уровня 12% областей аустенита, расположенных в приграничных зонах, а также к созданию микрогальванических пар, потому что образуются две фазы с разным электрохимическим потенциалом — аустенит и карбид. В результате возникает множество очагов локальной коррозии. Лист из стали, пораженной межкристаллитной коррозией, не издает металлического звука и может разрушиться в порошок уже при небольших нагрузках.

Склонность к этому виду коррозии можно устранить или заметно снизить легированием —введением в сталь сильных карбид образующих элементов, например титана (сталь 12Х18Н9Т содержит около 0,1 % Ti). Титан связывает весь углерод в своем карбиде TiC, на образование карбидов хрома углерода не остается, поэтому весь хром растворяется в аустените. Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, они хорошо обрабатываются давлением. Свариваемость сталей также хорошая. Упрочнение сталей возможно за счет наклепа. При деформации, равной 40%, предел прочности возрастает более чем в 2 раза (примерно с 600 до 1400 МПа). Вместе с тем склонность к упрочнению наклепом приводит к весьма низкой обрабатываемости резанием, потому что стали сильно упрочняются в процессе резания. Хромоникелевые аустенитные стали превосходят хромистые по сопротивлению коррозии, они устойчивы против коррозии в морской воде, лаках, органических и азотной кислотах, слабых щелочах. Эти стали используют для изготовления деталей, работающих в указанных средах.

Хромистые стали

Хром в воздушной среде имеет малый электрохимический потенциал, однако обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности плотной и прочной пленки оксида хрома Сг₂0₃, которая препятствует проникновению в глубь металла кислорода, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается. Коррозионная стойкость сталей, легирование хромом, возрастает также за счет повышения их электрохимического потенциала. Однако это достигается лишь при определенных количествах хрома в стали. Возрастание коррозионной стойкости сталей происходит не постепенно, а скачкообразно, при введении его в количествах, пропорциональных примерно 12% (рис. 8.1). Таким образом, конструкционные хромистые стали, рассмотренные ранее — 40Х, 40ХФА, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА и др., — в которых содержание хрома менее 12%, коррозионной стойкостью не обладают. В промышленности используют коррозионно-стойкие хромистые стали с содержанием хрома более 12 и 25 %. В первую группу входят стали 12X13, 20X13, 30X13, 40X13. Напомним, что легирование смещает точку S диаграммы состояния системы Fe — Fe3C (см. рис. 4.2) в область меньших значений углерода (см. рис. 6.3), т.е. стали, имеющие структуру перлита (эвтектоидные), содержат углерода меньше 0,8 %, причем тем меньше, чем более легирована сталь. Таким образом, стали 12X13и 20X13 являются доэвтектоидными (их структура в отожженном состоянии феррит и перлит), сталь 30X13 — эвтектоид ной (структура перлит), а сталь 40X13 — заэвтектоидной (структура перлит, цементит и карбиды хрома). Стали этой группы устойчивы против коррозии в атмосфере, воде, ряде слабых растворов кислот и щелочей.