С помощью диаграммы состояния железо-цементит обоснуйте выбор режима термической обработки, применяемой для устранения цементитной сетки в стали У11А

Рассмотрим процессы затвердевания, формирования первичной структуры и дальнейших структурных превращений в твердом состоянии углеродистой стали У11А.

Затвердевание происходит в один этап при температуре ниже 1147 ^оС. Жидкая фаза с 4,3 % С образует эвтектическую структуру: смесь аустенита с 2,14 % С и цементита. Эта эвтектика называется ледебуритом. Как и всякая эвтектическая реакция, отвечающая нонвариантному (безвариантному) равновесию протекает при постоянной температуре и постоянном составе фаз. При эвтектической реакции ниже (1147 ^оС) содержание углерода в аустените максимально (2,14 %). Дальнейшее охлаждение от температуры 1147 ^оС до 727 ^оС приводит к непрерывному уменьшению в нем углерода согласно линии ограниченной растворимости ЕS. Углерод выделяется из аустенита в виде цементита, который называется вторичным цементитом (Цвторичн.). Однако он, как правило, не обнаруживается, т.к. присоединяется к эвтектическому цементиту. Ниже температуры 727 ^оС аустенит эвтектики состава (0,8 %С) претерпевает эвтектоидное превращение , т.е. образуется перлит.

Рис.3. Диаграмма состояния “железо-цементит” (структурная) и кристаллизация стали У11А.

3. Детали машин из стали 30ХН3А закалены: одни – от температуры 750 ^оС, а другие – от температуры 820 ^оС (охлаждение в масле). После закалки в обоих случаях проведен высокий отпуск при температуре 600 ^оС. Покажите графически данные режимы обработки и объясните, какие из этих деталей имеют лучшие эксплуатационные свойства и почему? Укажите состав и определите группу стали по назначению, объяснив влияние легирирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали.

Сталь 30ХН3А	ГОСТ 4543-71
Плотность 7850 кг/м.куб. Назначение Венцы ведомых колес тяговых зубчатых передач электропоздов, шестерни и другие улучшаемые детали. Может применяться при температуре -80°С (толщина стенки не более 100 мм). Модуль упругости E=215000 МПа Модуль сдвига G=84000 МПа Свариваемость ограниченная. Способы сварки: РДС, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка [50]. KVmet 0.850 Xmat 0.100 Kshl 0.900 Температура ковки Начала 1220, конца 800. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-300 мм - в яме. Химический состав Кремний:0.17-0.37,Марганец:0.30-0.60,Медь:0.30, Никель:2.75-3.15,Сера:0.025,Углерод:0.27-0.33, Фосфор:0.025,Хром:0.60-0.90, Склонность к отпускной способности склонна Механические характеристики Состояние Сигма-В, МПа Сигма-Т, МПа Кси, % Дельта, % НВ Доп. Закалка 820 гр (масло) Отпуск 530 гр (вода или масло).   Закалка 850 гр (масло) Отпуск 530 гр (вода или масло).   Закалка 850 гр (масло) Отпуск 530 гр (вода или масло).

4. Назначьте марку жаропрочной стали для изготовления тяжелонагруженных деталей, работающих при температурах до 600 ^оС. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки стали.

Опыт применения жаропрочки показывает, что надёжность службы силовых установок в основном зависит от культуры производства и адекватности выбора марки. Хром и никель, а иногда вместе с ними кремний и алюминий вводят в сталь для улучшения их окалиностойкости (жаростойкости). Для повышения жаропрочности применяют присадки титана, алюминия, бора, хрома, углерода, ванадия, молибдена, вольфрама, ниобия и др. Чем выше требования по жаропрочности, тем более приходится усложнять химический состав. Во многих случаях содержание легирующих в жаропрочке достигает 50 %.

Одновременно с температурой эксплуатации растёт и цена на металл. Вот тут и выступает на передний план адекватность выбора марки. Например, вместо марки 20Х23Н14С2 при неотягощённых условиях эксплуатации можно применить сталь 20Х23Н13. Зачем платить за «лишнюю услугу». Ведь марка 20Х23Н14С2 уместна в окислительных средах с высоким содержанием серы (сопло авиационных газотурбинных двигателей). А часто ли на практике встречаются похожие жёсткие условия?

Зато присадка кремния увеличивает склонность к охрупчиванию при длительном нагреве.

Среди сталей имеющих сбалансированные показатели по жаропрочности и жаростойкости наибольшую популярность имеют марки 20Х23Н18, 20Х23Н13 и 15Х25Т химический состав, область и рекомендуемые температуры применения которых оговорены в ГОСТ 5632-72.

Эти марки по структуре относятся к разным структурным классам: 20Х23Н18 – к аустенитному; 20Х23Н13 – к аустенитно-ферритному, а 15Х25Т – к ферритному. Сталь марки 20Х23Н18 является отечественным аналогом зарубежной марки AISI 310 (1.4845 по EN); 20Х23Н13 – AISI 309 (1.4833 по EN); 15Х25Т – (1.4746 по EN).

Для изготовления деталей, работающих в нагруженном состоянии при температуре до 600 °С в течение длительного времени, применяют главным образом стали с ферритной структурой и классифицируют их как теплостойкие стали. При температурах выше 600 °С в основном используют жаропрочные аустенитные стали. Присутствие титана в стали 15Х25Т повышает сопротивление ползучести. Основным свойством высокохромистых сталей типа 15Х25Т является высокое сопротивление газовой коррозии, что выгодно отличает их от никельсодержащих сталей в условиях применения высокосернистых мазутов. Температура начала интенсивного окалинообразования для всех марок на воздухе согласно ГОСТ 5632-72 составляет 1050 ^оС.

Механические свойства никельсодержащих сталей 20Х23Н18 и 20Х23Н13 (не менее) регламентируют ГОСТ 7350-77 и 5582-75 (10Х23Н18, 20Х20Н14С2).

марка	Режим т/о	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
20Х23Н13	закалка 1030-1120 °С
20Х23Н18	закалка 1030-1130 °С
10Х23Н13	закалка 1100-1150 °С
10Х23Н18	закалка 1080-1150 °С
20Х20Н14С2	закалка 1000-1080 °С

Пониженное содержание никеля в марке 20Х23Н13 (AISI 309) в сравнении с маркой 20Х23Н18 (AISI 310) благоприятно сказывается на прочностных свойствах материала, на повышение стойкости в серосодержащих средах и на стоимости металлопроката.