Сталі з особливими властивостями

В даний час випускається велика кількість спеціальних сталей і сплавів, що мають особливі властивості. Це конструкційна сталь підвищеної і високої оброблюваності різанням, високолеговані корозійностійкі, жаростійкі і жароміцні сталі і сплави й ін.

Виплавлювані відповідно до ДСТ 5632-72 спеціальні сталі і сплави в залежності від основних властивостей поділяються на три групи: корозійностійкі (нержавіючі) сталі, наприклад:08Х13, 12Х13, 20X13; жаростійкі (окалиностійкі) сталі і сплави, які є стійкими до хімічного руйнування поверхні в газових середовищах при температурі більш 600°С і працюючі без навантаження або слабонавантаженому стані, наприклад: 15Х5, 08Х18Т1, 15Х18ЦЮ, 12Х18Н12Т та інші. Жароміцні сталі і сплави, здатні працювати в навантаженому стані при температурі нагрівання більш 500°С і зберігати міцність і стійкість проти хімічного руйнування. Наприклад 40Х9С2 та 40Х10С2М використовують для виготовлення клапанів двигунів; 08X13, 12X13, 18Х12 ВМБФР, ХН70ВМТЮФ – для виготовлення лопаток турбін; 09Х14Н16Б, 09Х16Н15МЗБ і ін. – для виготовлення труб пароперегрівників; 15Х12ВНМФ, ХН77ТЮР - для виготовлення роторів і дисків турбін.

Склад звіту

У звіті повинні міститися тема, мета, основна класифікація за хімічним складом, якісними показниками, способом отримання, за призначенням, за структурою та за ступенем розкислення (згідно з таблицею у додатку); відповіді на контрольні запитання та виконання домашнього завдання.

Контрольні запитання

1. Як можна визначити склад вуглецю в сталях звичайної якості?

2. Чим, крім якості, відрізняються вуглецеві сталі звичайної якості від якісних?

3. Які властивості сталі підвищуються, якщо легувати її хромом, нікелем та вольфрамом?

Домашнє завдання

За додатком виконати домашні завдання №5 та №6. Завдання виконується письмово після звіту з лабораторної роботи.

Лабораторна робота № 4

Мікроаналіз залізовуглецевих сплавів (сталей) в рівноважному стані

І після гартування

Мета роботи:

Вивчити мікроструктури технічного заліза, вуглецевих сталей (доевтектоїдної, евтектоїдної і заевтектоїдної) в рівноважному стані і після загартування. Установити зв'язок між структурами і діаграмою стану залізо-цементит.

Загальні відомості

Важливою властивістю залізовуглецевих сплавів є те, що вони в залежності від вмісту вуглецю, температури нагрівання, швидкості охолодження здатні мати різні структури. Змінюючи структуру, можна одержати різні фізико-механічні властивості сплавів. Здатність сплавів утворювати різні структури заснована на тім, що твердий розчин вуглецю в g-залізі, названий аустенітом, метастабільний, здатний існувати переважно при високих температурах. При охолодженні аустеніт розпадається в залежності від швидкості охолодження і перетворюється в інші структури. При повільному охолодженні в результаті розпаду аустеніту утворюється ферит і цементит, евтектоїдна суміш яких називається перлітом. При особливих умовах, наприклад при високому вмісті кремнію, утвориться вільний графіт (вуглець відпалу).

Аустеніт – твердий розчин вуглецю в g - залізі з гранецентрованою решіткою. Аустеніт має велику в'язкість, гарний опір стиранню, хімічну стійкість, твердість 170 – 220 НВ.

Ферит – твердий розчин вуглецю в a - залізі. Він має об’ємноцентровану кубічну решітку. Його твердість - 80 НВ. Пластичність залежить від величини зерна: чим дрібніше зерна, тим пластичність вища.

Цементит – карбід заліза Fe₃С, що містить 6,67% С. Він має орторомбічну решітку, його твердість дуже висока - 800 НВ. Одночасно ця фаза являється дуже крихкою. Температура плавлення цементиту близько 1250°С.

Перліт – евтектоїдна суміш фериту і цементиту. Вона утворюється при розпадові твердого розчину аустеніту з концентрацією 0,8%С після охолодження нижче 727⁰С. Цементит у перліті може знаходитися у вигляді пластинок і дрібних зерен, його механічні властивості залежать від ступеня здрібнювання і форми. Твердість перліту 160-200 НВ.

Ледебурит – евтектична суміш, що складається в момент утворення з цементиту й аустеніту, гранично насиченого вуглецем до концентрації 2,14%. Аустеніт при 727°С перетворюється в перліт. Твердість ледебуриту 700 НВ. Ледебурит характерний для структури білих чавунів.

Мікроструктура технічного заліза й вуглецевих сталей для рівноважних умов характеризується лівою частиною діаграми залізо-вуглець (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Нижня ліва частина діаграми стану „залізо-вуглець”.

Сплави з вмістом вуглецю до 0,02%С (точка Р) називаються технічним залізом, від 0,02% до 0,8%С - доевтектоїдними сталями і від 0,8 до 2,14 % С – заевтектоїдними. Сплав з вмістом 0,8% (точка S) називається евтектоїдною сталлю.

Розчинність вуглецю в a-залізі (фериті) перемінна (див. лінію PQ на рис.4.1). Зі зниженням температури розчинність вуглецю в a-залізі знижується. При 727°С в залізі розчиняється 0,02 % С, а при кімнатній температурі 0,006%С (точка Q). У зв'язку з цим сплави заліза з вмістом до 0,006 % С мають структуру фериту, що представляє собою твердий розчин вуглецю a-залізі (див. рис. 4.2, а).

Мікроструктура доевтектоїдної сталі (до 0,8 % С) складається з структурно-вільного фериту і перліту. У доевтектоїдної сталі після травлення ферит має вигляд світлих рівновісних зерен, а перліт – темних. При великому збільшенні чітко виявляються пластинки фериту та цементиту.

Кількість перліту в доевтектоїдній сталі залежить від вмісту вуглецю. Зі збільшенням вмісту вуглецю кількість перліту збільшується (рис. 4.2, б).

По мікроструктурі доевтектоїдної сталі можна визначити вміст у ній вуглецю, для чого потрібно орієнтовно визначити площу (у відсотках), займану феритом і перлітом.

У зв'язку з тим, що у фериті розчинено дуже невелика кількість вуглецю, практично можна вважати, що в доевтектоїдній сталі весь вуглець знаходиться в перліті.

Тоді вміст вуглецю в сталі можна визначити по формулі:

С = % ,

де Fn – площа, займана перлітом, %.

Припустимо, наприклад, що 30% усієї площі зайнято феритом, 70% перлітом. Вміст вуглецю в такій сталі буде:

С = = 0,56%

Мікроструктура евтектоїдної сталі (0,8%С) складається з одного перліту. При травленні шліфа сталі з 0,8%С поверхня має перламутровий відлив, у зв'язку з чим таку структуру назвали перлітом (рис. 4.2, в).

Мікроструктура заевтектоїдної сталі

Сталь із вмістом вуглецю від 0,8 до 2,14% називається заевтектоїдною і має структуру, що складається з перліту і вторинного цементиту (рис. 4.2, г). Вторинний цементит виділяється з аустеніту при охолодженні від температури А_см (лінія SE) до температури A_r1 (лінія РSК) (див. рис.4.1).

При повільному охолодженні вторинний цементит виділяється у вигляді сітки по границях зерен аустеніту. При досягненні температури A_r1 аустеніт перетворюється в перліт. В результаті повільного охолодження заевтектоїдна сталь має структуру перліту і сітку цементиту по границях колишніх аустенітних зерен (див. рис.4.2, г).

Чим більше вуглецю в заевтектоїдній сталі, тим більше масивною (товстою) виходить цементитна сітка, яка представлена у вигляді світлих полів, а перліт у вигляді темних стрічок пластинчастої форми.

Рис. 4.2. Мікроструктура сталі в рівноваженому стані:

а - фериту;

б - доевтектоїдної сталі з 0,08 % С;

в - евтектоїдної сталі з 0,8 % С;

г - заевтектоїдної сталі з 1,0 % С.

Вміст вуглецю в заевтектоїдній сталі можна визначити за формулою:

С = + ,

де Fц - площа шліфа, займана цементитом.

Зі збільшенням швидкості охолодження аустеніту збільшується дисперсність (Ф+Ц) - суміші і зростає твердість. Структури мають назви перліт – сорбіт – троостит – бейніт (рис.4.2, б,в).

При максимальній швидкості охолодження (загартуванню) відбувається бездифузійне перетворення ГЦК в ОЦК і утвориться голчаста структура – мартенсит (див. рис.4.3, г).

Мартенсит являє собою пересичений твердий розчин вуглецю в a - залізі.

Вміст вуглецю в мартенситі майже такий же, як у вихідному аустеніті.

Рис.4.3. Мікроструктура сталі, яка утворюється при різних ступенях охолодження: а)початковий аустеніт; б) сорбіт; в) троостит; г)голчастий мартенсит.

Мартенсит має високу твердість. Твердість мартенситу тим вища, чим більше в ньому вуглецю. Твердість мартенситу з 1,8 % С – 64 HRC.

Аустеніт перетворюється в мартенсит у тому випадку, коли дифузійні процеси цілком придушуються, тобто стають неможливими. Мартенситне перетворення носить бездифузійний характер, тобто воно не супроводжується перерозподілом вуглецю, а відбувається за рахунок перебудови ГЦК решітки аустеніту в ОЦК решітку a-заліза, без виділення з розчину вуглецю, що і приводить до перетворення кубічної решітки в тетрагональну.

У структурі сплавів на основі заліза виявлено два типи мартенситу: рейковий (пакетний) і двійникований (пластинчастий).

Рейковий мартенсит характерний для низковуглецевих сталей (до 0,4 % С), пластинчастий - для високовуглецевих сталей.

По своїй природі мартенсит має дуже дрібне зерно і тому вивчати його під оптичним мікроскопом складно. У цих випадках застосовують більш складну і сучасну техніку – електронний мікроскоп, що дозволяє вивчати структуру сталі зі збільшеннями від декількох тисяч до сотень тисяч разів.

Структури низьковуглецевої загартованої сталі приведені на рис. 4.3.

При великих збільшеннях в електронному мікроскопі можна вивчати тонку структуру мартенситу: розподіл і щільність дислокацій, морфологію мартенситу, карбідні виділення і т.д.

Прилади матеріали й інструменти

Для проведення роботи необхідні: металографічний мікроскоп, набір шліфів заліза й вуглецевих сталей (з різним вмістом вуглецю) у рівноважному стані і після загартування, циркуль і лінійку.

Порядок виконання роботи

1. Вивчити структури вуглецевих сталей за методичкою.

2. Розглянути за допомогою оптичного мікроскопу, замалювати й описати мікроструктури сталей, визначити по мікроструктурі вміст вуглецю в доевтектоїдній сталі.

3. Накреслити діаграму залізо-цементит, указати на ній положення досліджених сталей, визначити їхні критичні точки.

4. Скласти протокол мікроаналізу сталі.

Склад звіту

У звіті повинно бути:

1. Назва лабораторної роботи.

2. Мета роботи.

3. Малюнки мікроструктур з поясненнями.

4. Діаграма стану залізо-цементит із вказаними на ній досліджуваними сталями і критичними точками.

5. Розрахунки по визначенню процентного вмісту вуглецю в досліджуваних сплавах і кількісному співвідношенні фазових складових.

6. Відповіді на контрольні запитання.

7. Виконане домашнє завдання.

Зразок змальованої мікроструктури представлено на рис.4.4.

Рис. 4.4. Надлишковий ферит і перліт. Травлення 3%-вим розчином HNO₃.

Зразковий опис структури

Доевтектоїдна сталь фази ферит і цементит. Структурні складові: світла сітка надлишкового фериту і перліту пластинчастої структури.

Ф = 25% П = 75% С_общ. = = 0,6 %.

Таблиця 4.1

Протокол мікроаналізу сталей

№	Найменування і марки сталі	Вміст вуглецю, %	Мікроструктура
Замальовка	Найменування
		доевтектоїдна
		евтектоїдна
		заевтектоїдна
		після загартування

Контрольні запитання

1. Що таке ферит, перліт, аустеніт, цементит і мартенсит?

2. Які структури технічного заліза і сталі?

3. Як класифікуються сталі за структурою і вмістом вуглецю.

4. Як змінюється структура сталі зі збільшенням вмісту вуглецю?

5. Які характерні особливості структури мартенситу?

Домашнє завдання

Виконати за додатком домашнє завдання №7 та №8. Завдання виконується письмово після звіту про лабораторну роботу.

Лабораторна робота №5