Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. - Специальные стали

Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М. И., Грачев С. В., Векслер Ю. Г. М.: Металлургия, 1985. 408 с.

Рассмотрены принципы легирования и научные основы создания различных групп сталей. Систематизированы легирующие элементы, закономерности образования и поведения различных фаз в легированных сталях и влияние легирующих элементов на фазовые превращения. Изложены основы легирования и данные о составе, свойствах и обработке различных групп специальных сталей: строительных, машиностроительных, коррозионностойких, жаропрочных, инструментальных. Учебник предназначен для студентов, специализирующихся по металловедению и термической обработке сталей, физике металлов и другим металлургическим специальностям. Может быть полезен инженерам-металловедам, термистам, литейщикам, сварщикам, прокатчикам и другим специалистам, работающим со сталями. Ил. 232. Табл. 50.

Библиогр. список: 86 назв.

© Издательство «Металлургия», 1985

 

Профессору Ивану Николаевичу Богачеву посвящается

ПРЕДИСЛОВИЕ

Повышение качества материалов, расширение сортамента металлопродукции и экономия металлов являются основными задачами, поставленными XXVI съездом КПСС перёд металлургами и потребителями стали. Советский Союз занимает первое место в мире по производству стали: около 25 % от общего ее производства составляют низколегированные и легированные стали. Из них изготовляют наиболее ответственные детали и изделия. Стали различаются свойствами, технологией производства и обработки. Поэтому знание принципов, лежащих в основе разработки отдельных групп сталей и режимов их обработки, позволяет создавать наиболее экономнолегированные и эффективные стали, обеспечивающие высокую конструктивную прочность изделий.

Основная задача учебника — изложение принципов легирования и .научных основ создания различных групп сталей с иллюстрацией этих закономерностей на примере сталей отдельных марок.

Учебник написан в соответствии с типовой учебной программой курса «Специальные стали», являющегося составной частью спецкурса для студентов, обучающихся по специальности «Металловедение, оборудование и технология термической обработки металлов».

Курс «Специальные стали» является завершающим в подготовке металловедов-термистов. Он базируется на знании студентами базовых дисциплин и прежде всего курса «Теория термической обработки металлов». Поэтому при работе с этим учебником студенты должны знать материал учебника И. И. Новикова «Теория термической обработки».

В I—III частях учебника рассмотрены общие вопросы теории легирования, а в IV—VIII — основные группы специальных сталей.

В учебнике не рассмотрены стали и сплавы с особыми физическими свойствами, так как их изучают в курсе «Физические свойства металлов» (Лившиц Б. Г., Крапошин В. С, Линецкий Я. Л. Физические свойства металлов. М.: Металлургия, 1980). По аналогичным причинам не освещены и сплавы на основе цветных металлов (Колачев Б. А., Ливанов В. А., Елагин В. И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981).

Главы XV—XIX, XXXI, XXXII, а также п. 2, 3 гл. I и п. 4, 5 гл. VIII записаны С. В. Грачевым, главы VI, XXI—XXVII —Ю. Г. Векслером, я. 1—4 гл. XX —М. А. Филипповым. Остальной материал написан М. И. Гольдштейном, им осуществлено и научное редактирование.

Авторы благодарят академика В. Д. Садовского, профессоров О. А. Банных, М. Л. Бернштейна, Н. Н. Липчина, С. Б. Масленкова, И. И. Новикова за обсуждение некоторых разделов учебника и критические замечания; кандидата техн. наук И. К. Купалову за предоставление отдельных материалов и иллюстраций, а также признательны кандидатам технических наук В. А. Белоусовой, Е. А. Львовой, А. С. Шейну, инженерам Л. И. Давыдовой, Н. А. Михайловой, Б. Г. Мокрушину, Д. М. Фотиной за помощь в подготовке материалов и оформлении рукописи.

Большую помощь авторам в улучшении учебника оказали рецензенты: коллектив кафедры металловедения высокопрочных сплавов МИСиС, •руководимый профессором М. А. Штремелем, и профессор Ю. А. Башнин. Им авторы приносят свою особую благодарность.

Все критические замечания и пожелания будут с благодарностью приняты авторами.

Часть первая. ЛЕГИРУЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ И КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Глава 1

СИСТЕМАТИКА ЭЛЕМЕНТОВ И СТАЛЕЙ

1. Основные определения и понятия

Специальные стали — это сплавы на основе железа, отличающиеся от обычных сталей особыми свойствами, обусловленными либо их химическим составом, либо особым способом производства, либо способом их обработки (Э. Гудремон).

В большинстве случаев специальные стали содержат легирующие элементы.

Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств.

Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Сг, Ni, Mo W, Со, Си, Ti, V, Zr, Nb, Al, В. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также Р, S, N, Se, Те, Pb, Се, La и др. Перечисленные элементы, а также Н, О, Sn, Sb, As, Bi могут быть также примесями в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.

Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn<0,8 %, Si<0,4 % Сг<О.З %, Ni<0,3 %, Cu<0,3 %, Мо<0,10 %, W<0,2 %, Р<0,025—0,040 %, S<0,015—0,050%.

Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли стали.

Легированные стали — это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства.

В легированных сталях содержание отдельных элементов больше, чем содержание этих же элементов в виде примесей.

Некоторые легирующие элементы (V, Nb, Ti, Zr, В) могут оказывать существенное влияние на структуру и свойства стали при содержании их в сотых долях процента (В — в тысячных долях процента). Такие стали иногда называют микролегированными.

Из приведенных определений видно, что понятие специальные стали более широкое, чем понятие легированные стали, так как к специальным сталям, кроме легированных, могут относиться и углеродистые стали, если им приданы специальные свойства посредством определенных способов производства и обработки. Так, к специальным сталям относятся следующие углеродистые стали определенного назначения и качества: качественные конструкционные, инструментальные, термически упрочненные, для холодной штамповки и др.

2. Классификация легирующих элементов

Согласно общепринятой классификации железо и сплавы на его основе относятся к черным металлам, а все остальные металлы и сплавы на их основе — к цветным.

Легирующие элементы-металлы можно условно разделить на следующие группы:

Металлы железной группы. К ним относятся металлы кобальт, никель, а также близкий к ним по свойствам марганец.

Тугоплавкие металлы. К ним относятся металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа, т. е. выше 1539°С. Из тугоплавких металлов, наиболее часто используемых в качестве легирующих элементов в стали, можно отметить вольфрам, молибден, ниобий, а также ванадий и хром.

Легкие металлы. Из этой группы легирующих элементов наиболее часто применяют титан и алюминий.

Редкоземельные металлы (РЗМ). К этой группе относятся лантан, церий, неодим, а также близкие к ним по свойствам иттрий и скандий. Редкоземельные металлы часто используют в виде так называемого мишметалла, содержащего 40—45 % церия и 45—50 % всех других редкоземельных металлов.

В сплавах железо — углерод классификацию легирующих элементов можно проводить по степени сродства легирующих элементов к углероду по сравнению со сродством к нему железа. По этому признаку различают карбидообразующие и некарбидообразующие легирующие элементы.

Карбидообразующие легирующие элементы (Ti, Zr, V, Nb, Та, Сг, Mo, W, Мп), а также железо могут образовывать в стали карбиды. Некарбидообразующие элементы (Си, Ni, Со, Si, А1) карбидов в стали не образуют. Склонность к карбидообразованию у легирующих элементов тем сильнее, чем менее достроена d-оболочка у металлического атома (см. гл. V).

...