Металловедение чёрных сплавов
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ЧЁРНЫХ СПЛАВОВ
Лабораторный практикум
Издательство Иркутского государственного технического университета
Металловедение черных сплавов. Лабораторный практикум. Составили: Константинова М.В., Николаева Е.П., Бузевич Г.И., Гусева Е.А. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. – 64 с.
В лабораторном практикуме, посвященном металловедению черных сплавов, представлены краткие сведения из теории, методические указания по выполнению лабораторных работ, контрольные вопросы. Приводятся правила классификации и маркировки сталей и чугунов, основы выбора режимов термической обработки с целью получения комплекса механических свойств, рассматривается влияние легирующих элементов на свойства сплавов, строение стального сварного шва. В работах 6, 7, 8, 9 рассматриваются общие теоретические вопросы металловедения, поэтому эти работы могут быть использованы для изучения любых металлических сплавов.
Лабораторный практикум предназначен для самостоятельной подготовки к лабораторным работам, а также для выполнения лабораторных работ по дисциплинам «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», «Металловедение и термическая обработка металлов» студентами очной и ускоренной форм обучения металлургических, механических, горных, энергетических и геологических специальностей.
Рецензент: канд. техн. наук, доцент С.Г. Донцова
Библиогр. 10 наимен. Ил. 14. Табл. 15.
Лабораторная работа 1
Диаграмма состояния «железо – углерод»
Цель работы:ознакомиться с диаграммами состояния «железо – углерод» и «железо – цементит», основными фазовыми и структурными превращениями, протекающими в железоуглеродистых сплавах при различных переохлаждениях и концентрациях углерода.
Значение диаграммы состояния «железо – углерод»
Диаграмма «Fe – C» является основой для изучения и практического применения сплавов железа с углеродом. Строение железоуглеродистых сплавов можно изменять в широких пределах. Основными методами управления структурой железоуглеродистых сплавов являются изменения химического состава, условий затвердевания, пластической деформации, термической и термомеханической обработок. Меняя фазовый состав, величину, форму, распределение и дефектность кристаллов, можно широко варьировать и свойствами железоуглеродистых сплавов.
Полиморфные превращения
Полиморфные превращения в железоуглеродистых сплавах связаны с перестройками гранецентрированной кубической (ГЦК) решетки g-Fe и объемноцентрированной решетки (ОЦК) a- и d-Fe.
При небольших переохлаждениях (и перегревах) имеет место нормальная перестройка решёток железа, осуществляющаяся в результате неупорядоченных индивидуальных переходов атомов от исходной фазы к образующейся; она сопровождается диффузионным перераспределением углерода между фазами. Образуются равноосные кристаллы твердого раствора с малым числом дефектов. Сплав I (рис. 1.2) при охлаждении испытывает полиморфное d«g превращение в интервале температур 3-4, в результате чего из кристаллов высокотемпературного феррита образуется аустенит. В интервале температур 5-6 в этом сплаве протекает полиморфное g«a превращение (рис. 1.3). В этом случае из аустенита образуется феррит.
При больших скоростях охлаждения или нагревания полиморфные превращения твёрдых растворов происходят бездиффузионным (мартенситным) путём. Решётка железа перестраивается быстрым сдвиговым механизмом в результате упорядоченных коллективных смещений атомов без диффузионного перераспределения углерода между фазами.
Порядок выполнения работы
Ознакомиться с методическим пособием. Вычертить диаграмму «железо – цементит», подписать все точки, линии, поля диаграммы. Ответить на контрольные вопросы. Построить кривую охлаждения для сплава из жидкого состояния до комнатной температуры. Объяснить, какие фазовые и структурные превращения испытывает сплав при охлаждении. Концентрация углерода выбирается согласно своему варианту из таблицы 1.1 или задается преподавателем.
Таблица 1.1
Варианты индивидуальных заданий
| Номер варианта | Содержание углерода, % | Номер варианта | Содержание углерода, % |
| 0,05 | 1,60 | ||
| 0,12 | 2,30 | ||
| 0,16 | 2,50 | ||
| 0,20 | 2,80 | ||
| 0,35 | 3,00 | ||
| 0,40 | 3,50 | ||
| 0,50 | 3,80 | ||
| 0,60 | 4,20 | ||
| 0,80 | 4,50 | ||
| 1,00 | 5,00 | ||
| 1,20 | 5,50 | ||
| 1,40 | 6,0 |
Контрольные вопросы
1.
| |
2. Что называется фазой? Какие фазы существуют в сплавах железа с углеродом в случае стабильного равновесия? Охарактеризуйте каждую из кристаллических фаз.
3. Какие точки на диаграмме показывают температуры полиморфных превращений в железе?
4. Назовите точки диаграммы, отвечающие предельным содержаниям углерода в твердых растворах.
5. Что показывают линии ликвидус и солидус?
6. Перечислите изотермические превращения в системе «Fe – Fe3C».
7. Какое влияние оказывает скорость охлаждения на формирование структуры сплавов?
Лабораторная работа 2
Изучение микроструктуры и свойств углеродистых сталей и чугунов
Цель работы: изучить равновесную структуру углеродистых сталей и чугунов, научиться определять содержание углерода в сталях по микроструктуре, установить взаимосвязь между структурой, свойствами, применением сталей и чугунов.
Сплав железа с углеродом менее 2,14% называется сталью. Кроме железа и углерода сталь содержит технологические добавки – кремний и марганец, вводимые при выплавке для раскисления, то есть для удаления вредных оксидов, особенно FeО. В процессе выплавки, несмотря на различные технологические приемы, в сталях остаются вредные примеси – фосфор и сера.
Технически чистое железо
| |
| |
Дефекты сталей
Свойства сталей в значительной мере зависят от ее структуры, в том числе свойства доэвтектоидных (конструкционных) сталей со структурой феррит и перлит зависят от действительного размера исходного зерна аустенита, а также от взаимного распределения феррита и перлита, что определяется различными факторами. Равновесные структуры в реальных условиях получают при малых скоростях охлаждения, например при охлаждении вместе с печью (при отжиге) от температур, соответствующих аустенитной области диаграммы железо – цементит. Зерна при этом имеют компактную равноосную (полиэдрическую или округлую) форму, распределение феррита и перлита равномерное по сечению зерна.
В ряде случаев наблюдаются пороки строения. Для литой и перегретой стали характерно крупное зерно. В стальных отливках (особенно средних и крупных) формируется крупнозернистая и неравномерная по размеру зерна структура. Зерно исходного аустенита укрупняется и при перегреве, то есть при нагревании, значительно – на 200÷300 оС – превышающем температуры полного превращения в сталях. Это имеет место при цементации, диффузионном отжиге, горячем пластическом деформировании, при превышении оптимальных температур термообработки. Чем выше температура процесса, продолжительней выдержка и сталь более склонна к росту зерна (является наследственно-крупнозернистой), тем крупнее получается зерно. Рост зерна незначительно снижает механические свойства сталей, определяемые при статическом растяжении (σв, σт, δ, ψ), и твердость, но резко уменьшает ударную вязкость (KCU), повышает порог хладноломкости (t50), увеличивает склонность к хрупкому разрушению.
| |
При обработке давлением возникает другой структурный дефект (порок строения) – строчечностьв расположении структурных составляющих – феррита и перлита, что приводит к анизотропии свойств. Если деформирование ведется при температурах выше температур полного фазового превращения (в области аустенита), а завершается в межкритическом интервале температур (между А1 и А3), то феррит, выделяющийся из аустенита в первую очередь, формируется в виде строчек в направлении деформирования. Другая причина возникновения строчечной структуры – загрязнение стали неметаллическими включениями, обычно сульфидами. При обработке давлением они вытягиваются, и феррит, зарождающийся на этих включениях, образует вытянутые скопления (строчки). Сталь со строчечной структурой имеет худшие механические свойства (прочность, пластичность и особенно вязкость) в поперечном и высотном направлениях по сравнению с основным направлением деформирования.
Перечисленные пороки строения доэвтектоидных сталей исправляются проведением отжига с полной фазовой перекристаллизацией (полным отжигом с нагревом выше температуры АС3 ), либо нормализацией (нагрев выше АС3, охлаждение на спокойном воздухе). Однако строчечность, вызванную неметаллическими включениями, нельзя устранить полностью, она становится менее выраженной при проведении нормализации.
Полученная после термообработки мелкозернистая феррито-перлитная структура обеспечивает повышение пластичности и вязкости.
Чугуны
Железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2,14% углерода, называются чугунами. В зависимости от скорости охлаждения, содержания постоянно присутствующих примесей (Mn, Si, S, P) и последующей термической обработки углерод в чугунах может находиться в виде графита различной формы (пластинчатой, хлопьевидной, шаровидной и так называемый вермикулярный графит), либо в виде цементита. В зависимости от формы выделения графита различают ковкие, высокопрочные, серые (обычные, модифицированные) чугуны.
· Марганец затрудняет графитизацию и повышает способность чугуна к отбеливанию – появлению в поверхностных слоях отливок структуры белого или половинчатого чугуна. Поэтому марганца не должно быть более 1,25%.
·
| |
· Сера тормозит процесс графитизации, способствует выделению углерода в виде цементита и тем самым ухудшает литейные и механические свойства. Поэтому содержание серы в чугуне ограничивается 0,08÷0,12%.
· Фосфор улучшает жидкотекучесть, но при его содержании более 0,3% образуется тройная фосфидная эвтектика, в состав которой входит цементит. Наличие твердых участков фосфидной эвтектики повышает общую твердость, износоустойчивость чугуна и снижает пластичность. В серых чугунах фосфора содержится 0,3÷0,4%.
Белые чугуны. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии, то есть в виде цементита. В соответствии с диаграммой состояния «Fе–Fe3С» белые чугуны классифицируютпо структурена:
· доэвтектические (менее 4,3% С),
· эвтектические (4,3% С),
· заэвтектические (более 4,3% С).
Основные структурные составляющие белых чугунов – перлит, ледебурит и цементит. Доэвтектический белый чугун состоит из перлита, ледебурита и вторичного цементита. Такой чугун очень твердый и хрупкий: НВ>4500 МПа, d=0%. Его отжигают для получения ковкого чугуна. Эвтектический белый чугун состоит из ледебурита. Заэвтектический – из первичного цементита и ледебурита. Ледебурит очень твёрд и хрупок. Твердость ледебурита НВ=7000 МПа. Наличие ледебурита является структурным признаком белых чугунов.
Белые чугуны из-за высокой хрупкости и твердости не используются как конструкционные материалы. Ограниченное применение находят отбеленные чугуны-отливки из серого чугуна со слоем белого чугуна в виде твердой корки на поверхности. Из них изготавливают прокатные валки, лемехи плугов, тормозные колодки и другие детали, работающие на износ.
Серые чугуны. Чугун, в структуре которого отсутствует ледебурит и свободный цементит, а часть углерода выделяется в виде графита различной формы, называется серым. Как и белый, серый чугун получается непосредственно при отливке в случае медленного охлаждения. При этом цементит, выделяющийся из жидкого или твердого раствора, распадается с образованием пластинок графита.
Серый чугун является одним из важнейших литейных машиностроительных материалов, так как характеризуется высокими литейными и удовлетворительными механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием, высокой износостойкостью и дешевизной.
В марке серого чугуна (СЧ15, СЧ21, СЧ35 и др.) буквы «СЧ» означают – серый чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм2 (килограмм силы на миллиметр в квадрате).
| |
Графит – важнейшая фазовая и структурная составляющая серых чугунов. Он обуславливает малую усадку при кристаллизации, высокие антифрикционные свойства, малую изнашиваемость, большое внутреннее трение, обеспечивающее уменьшение вибраций и ряд других полезных свойств. Графит выделяется в виде пластин, располагающихся в форме разветвленных крабовидных включений. Пластичность, сопротивление растяжению, изгибу зависят, главным образом, от количества, формы и характера расположения графитовых включений. Чем они мельче, компактно и равномернее расположены, а их форма ближе к округлой, тем указанные свойства будут выше. Повысить прочность серых чугунов можно модифицированием – введением в расплав порошка ферросилиция или силикокальция (0,3÷0,6% от массы шихты), частицы которого являются центрами кристаллизации графитовых включений. Марки серых модифицированных чугунов – СЧ30, СЧ35.
Ковкий чугун– это чугун с хлопьевидной формой графита. По сравнению с пластинчатым графитом хлопьевидный графит располагается в металлической основе чугуна более компактно, включения графита не действуют как острые надрезы, поэтому такие включения в меньшей степени ослабляют металлическую основу. Получают ковкий чугун путем графитизирующего отжига белого чугуна. При отжиге цементит белого чугуна распадается, углерод выделяется в виде графита в форме хлопьевидных гнездообразных включений. Такой чугун хорошо сопротивляется изгибу и удару. Получение определенной металлической основы ковкого чугуна (ферритная, феррито-перлитная) обеспечивается специальным режимом отжига. Наиболее пластичны ферритные ковкие чугуны (КЧЗ0-6, КЧ35-10 и др.). Лучшая износостойкость – у перлитных чугунов (КЧ60-3, КЧ70-2 и др.), благодаря высокой твердости и прочности. Ковкий чугун находит широкое применение в машиностроении как хороший конструкционный материал для изготовления деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Недостаток ковких чугунов по сравнению с другими – повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.
В марке ковкого чугуна (КЧЗ0-6, КЧ35-10и др.) буквы «КЧ» означают – ковкий чугун, первые цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм2, вторые – относительное удлинение, %.
| |
В марке высокопрочного чугуна (ВЧ40, ВЧ45, ВЧ60и др.) буквы «ВЧ» означают – высокопрочный чугун, цифры – предел прочности на растяжение в кГс/мм2.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с методическим пособием. Под микроскопом МИМ-7 при увеличении в 100 раз последовательно изучите все шлифы из коллекции. Для изучения строения перлита (сталь У8), а также белого чугуна используйте увеличение в 500 раз (микроскоп МИМ-8). Зарисуйте микроструктуры сплавов.
2. Отчеты по лабораторной работе представить в виде таблиц 2.1 и 2.2. При составлении отчетов используйте таблицы 2.3–2.7.
3. Для подготовки к защите лабораторной работы рекомендуется ответить на контрольные вопросы.
Таблица 2.1
Структура, свойства и назначение углеродистых сталей
| Наименование, марка стали | Химический состав | Микроструктура | Механические свойства | Назначение стали | |
| Рисунок | Название | ||||
Таблица 2.2
Структура, свойства и назначение чугунов
| Наименование, марка чугуна | Химический состав, модификатор | Микроструктура | Механические свойства | Назначение чугуна | |
| Рисунок | Название | ||||
Контрольные вопросы
1. Какие сплавы называют сталями и чугунами?
2. Как классифицируют стали и чугуны по структуре?
3. Назовите и охарактеризуйте структурные составляющие доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали.
4. Перечислите классы качества углеродистых сталей. Какой признак является основным в классификации по качеству?
5. Перечислите структурные пороки сталей. Как они формируются?
6. Какие сплавы называют белыми чугунами?
7. Какие формы графита встречаются в чугунах?
8. Что такое модификатор? Для чего применяется модификатор в чугунах?
9. Как получают высокопрочные чугуны?
10.
| |
Таблица 2.3
Химический состав, механические свойства углеродистых сталей в нормализованном состоянии
ГОСТ 1050-88
| Марка стали | Содержание углерода, % | Механические свойства | |||||
| Предел текучести s0,2, МПа | Прочность на растяжение sВ, МПа | Относительное сужение y, % | Относительное удлинение d, % | Ударная вязкость KCU, МДж/м2 | Твердость НВ (не более), МПа | ||
| 05кп | £0,06 | - | 1110÷1310 | ||||
| 0,05-0,12 | - | ||||||
| 0,07-0,14 | - | ||||||
 15 | 0,12-0,19 | - | |||||
| 0,17-0,24 | - | ||||||
| 0,22-0,30 | 0,9 | ||||||
| 0,27-0,35 | 0,8 | ||||||
| 0,32-0,40 | 0,7 | ||||||
| 0,37-0,45 | 0,6 | ||||||
| 0,42-0,50 | 0,5 | ||||||
| 0,47-0,55 | 0,4 | ||||||
| 0,52-0,60 | - | ||||||
| 0,55-0,63 | - | ||||||
| 0,57-0,65 | - |
Таблица 2.4
Назначение углеродистых конструкционных сталей
| Марка стали | Назначение |
| 05 кп | Детали, изготавливаемые холодной штамповкой |
| Для деталей, изготавливаемых очень сложной холодной штамповкой | |
| Цементируемые, цианируемые детали: втулки, ушки, держатели и др., не требующие высокой прочности сердцевины | |
| Цементируемые и цианируемые детали: болты, гайки, винты, ключи | |
| В котло-турбостроении – крепежные изделия, трубы для нагревателей, коллекторы, трубопроводы | |
| Оси, валы, муфты, болты, шайбы, фланцы и др. | |
| Детали, не испытывающие больших напряжений. Тяги, серьги, оси, звездочки, диски, ободы, гайки, шайбы. | |
| Шатуны, шестерни, оси, валы, штоки, подвески, диски | |
 40 | Детали повышенной прочности: валики, втулки, бандажи, фрикционные диски, шестерни |
| Коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели и др. детали, от которых требуется повышенная прочность | |
| Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры | |
| Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач | |
| Детали с тонкими сечениями упрочняемых элементов: шестерни среднего модуля, втулки, пластины и др.; детали, к которым предъявляются требования высокой износостойкости при вязкой сердцевине, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях | |
| Прокатные валки, эксцентрики, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы, цельнокатанные колеса вагонов, диски сцепления, регулировочные шайбы, регулировочные прокладки | |
| Рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость |
Таблица 2.5
Сталь углеродистая инструментальная. ГОСТ 1435-90. Химический состав, твердость, назначение
| Марка стали | Содержание углерода, % | Твердость (НВ) после отжига, МПа | Назначение | |
| У7 | 0,66÷0,73 | Для изготовления режущих и ударных инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки или рабочей части | Зубила, долота, молотки, топоры, колуны | |
| У7А | ||||
| У8 | 0,76÷0,83 | Слесарный инструмент, пилы, зубила для камня | ||
| У8А | ||||
 У9 | 0,86÷0,93 | Инструмент, требующий твердости и некоторой вязкости: столярный, слесарно-монтажный; штемпели, кернеры | ||
| У9А | ||||
| У10 | 0,96÷1,03 | Инструмент, работающий без больших ударных нагрузок (метчики, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки) | ||
| У10А | ||||
| У12 | 1,16÷1,23 | Измерительный инструмент простой формы (гладкие калибры, скобы гладкие регулируемые), хирургический инструмент | ||
| У12А | ||||
| У13А | 0,66÷0,73 | Резцы по твердым материалам, граверный инструмент, бритвы |
Таблица 2.6
Химический состав, механические свойства чугунов
| Марка чугуна | Массовая доля элементов, % | Механические свойства | |||||||
| С | Si | Mn | P | S | sB, МПа | s0,2, МПа | d, % | НВ, МПа | |
| СЧ15 | 3,5÷3,7 | 2,0÷2,4 | 0,5÷0,8 | 0,2 | 0,15 | - | до 0,5 | 1430÷2290 | |
| СЧ35 | 2,9÷3,0 | 1,0÷1,1 | 0,7÷1,1 | 0,2 | 0,12 | - | до 0,5 | 1850÷2550 | |
| ВЧ40 | 3,2÷3,8 | 1,9÷2,9 | 0,2÷0,7 | 0,1 | 0,02 | 1400÷2020 | |||
| ВЧ45 | 1400÷2550 | ||||||||
| ВЧ50 | 1530÷2450 | ||||||||
| КЧ35-10 | 2,5÷2,8 | 1,1÷1,3 | 0,3÷0,6 | 0,12 | 0,20 | - | 1000÷1630 |
Таблица 2.7
Применение чугунов
| Марка чугуна | Применение |
| СЧ 15 | Для изготовления слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики; корпуса редукторов, подшипников, тормозные барабаны, диски сцепления и др. |
| СЧ 35 | Детали, работающие в условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. |
| ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50 | Для массивных отливок ответственного назначения, обладающих высокой усталостной прочностью, работающих при переменных нагрузках: прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, лопатки, распределительные и коленчатые валы, поршни, шестерни |
| КЧ35-10 | Детали, работающие при высоких динамических и статических нагрузках: картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и др. |
Лабораторная работа 3
Закалка
1. Перед выполнением экспериментов необходимо ознакомиться с методическим пособием. Выписать в отчет определение закалки. Вычертить фрагмент диаграммы «железо-углерод» – область сталей. Подписать поля диаграммы, обозначить критические точки Ас1, Ас3, Асm и температурные интервалы закалки для всех сталей.
2.
| |
3. Зачистить образцы с двух сторон на наждачной бумаге, замерить их твердость по Роквеллу, шкала В, на твердомере ТК-2М с шариковым наконечником (HRB). Результаты измерения перевести по таблице в твердость по Бринеллю (НВ) и записать в отчет.
4. Перед закалкой необходимо нагреть образцы в муфельных печах:
· выше Ас1 но ниже Ас3 – 1 образец;
· выше Ас3 на 100°С – 1 образец;
· выше Ас3 на 30÷50°С –5 образцов;
5. После выдержки образцов в печи в течение 15 минут один из пяти образцов, нагретых выше Ас3 на 30÷50°С, охладить в масле, а один – на воздухе. Все остальные охладить в воде. При помещении образцов в печь и выемки их из печи использовать специальные щипцы, печь предварительно отключать от электросети.
6. Замерить твердость образцов на твёрдомере с алмазным наконечником (HRC). После охлаждения на воздухе измерять HRВ. Полученные результаты записать в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Результаты испытаний, микроструктура закаленной стали
| Вид термообработки | Температура нагрева образцов, °С | Охлаждающая среда | Твердость, HRC НВ, МПа | Микроструктура | |
| Название | Рисунок | ||||
7. По полученным результатам постройте графическую зависимость в координатах: «твёрдость – скорость охлаждения (охлаждающие среды)». Сделайте вывод о влиянии скорости охлаждения на твердость закаленной стали.
8. Постройте график в координатах «твердость – температура закалки». Сравните твердость образцов после закалки с разных температур в воде и объясните влияние перегрева и недогрева на твердость закаленной стали.
9. Изучите коллекцию микрошлифов, зарисуйте структуры.
Отпуск
1. Проведите отпуск образцов после полной закалки. Проведите высокий (600 °С), средний (400 °С), низкий (200 °С) отпуск нагретых выше Ас3 на 30÷50°С и закаленных в воде образцов.
2. После отпуска замерьте твердость всех образцов на твердомере с алмазным наконечником (HRC). Полученные результаты запишите в отдельную таблицу (см. табл. 3.2).
3. Изучите коллекцию микрошлифов, зарисуйте структуры.
4.
| |
Контрольные вопросы
1. Что называется термической обработкой? Перечислите основные виды термической обработки.
2. Для чего проводят полный отжиг конструкционных сталей?
3. Что называется нормализацией сталей?
4. В чем назначение закалки? Как изменяется температура нагрева под закалку сталей с увеличением содержания углерода?
5. Что такое мартенсит?
6. Что такое критическая скорость охлаждения?
7. Что такое отпуск? В чем его назначение? Назовите виды отпуска.
8. При каком отпуске образуется микроструктура «отпущенный мартенсит», какие механические свойства для нее характерны?
9. Какой отпуск нужно применять для пружин и рессор, почему?
10. В каком случае применяется высокотемпературный отпуск, какую структуру приобретает сталь?
11. Что такое термическое улучшение, к каким сталям оно применимо?
Лабораторная работа 4
Лабораторная работа 5
Основные понятия
Легированной сталью называется такая сталь, в состав которой, кроме железа и углерода, входят специальные легирующие элементы, изменяющие ее свойства (прочностные, физические, химические или технологические).
К легирующим элементам относятся никель, вольфрам, хром, ниобий, титан, кобальт, цирконий, медь, бор, азот и другие. Легирующими также могут быть элементы, которые присутствуют в углеродистой стали в виде постоянных (или случайных) примесей. Например, марганец и кремний, применяемые для раскисления, остаются в стали в небольшом количестве (< 1%). Они считаются постоянными примесями. Если кремний и марганец специально введены в сталь в повышенном количестве, то они являются легирующими элементами, а стали называются легированные (марганцовистой при содержании Mn ≥ 0,8÷1%, кремнистой при содержании Si ≥ 0,5%). В некоторых случаях сталь легируется фосфором, серой, селеном, теллуром для улучшения технологических свойств.
Легирующие элементы изменяют свойства фаз (феррита, аустенита, мартенсита, карбидов), из которых состоит структура стали. Легирующие элементы, не образующие карбиды (никель, кремний, кобальт, медь), полностью растворяются в феррите или аустените и изменяют их свойства.
Атомы карбидообразующих элементов растворяются в карбиде железа или образуют содержания с углеродом (специальные карбиды), частично растворяясь в феррите. При нагреве выше критических точек эти легирующие элементы растворяются в аустените. Устойчивые карбиды титана, циркония, ванадия сохраняются в структуре до высоких температур. Следовательно, карбидообразующие элементы изменяют свойства феррита, карбидов, аустенита.
| |
а. б. в.
Рис. 5.1. Диаграмма состояния железо-легирующий элемент:
а – с открытой γ-областью;
б – с замкнутой γ-областью;
в – влияние легирующих элементов на протяженность замкнутой γ-области
Элементы, замыкающие γ-область (хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, титан и другие) повышают температуру А3 и снижают А4 (рис. 5.1, б), называются α-стабилизаторами. α-стабилизаторы могут уменьшать критическую скорость охлаждения и увеличивать прокаливаемость, но только при нагреве сплавов до температуры, при которой карбиды растворяются в аустените. Одновременное легирование несколькими элементами еще сильнее увеличивает прокаливаемость.
Растворяясь в аустените легирующие элементы замедляют изотермическое превращения аустенита. В процессе закалки стали происходит превращение аустенита в мартенсит, легирующие элементы несколько повышают пластичность мартенсита.
Рессорно-пружинные стали
50С2, 50ХФА, 50ХГФА, 55С, 55С2, 60С2Н2А, 70С3А и др.
Используются для изготовления пружин, упругих элементов, рессор различного назначения. Стали для пружин должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям (s0,2, s0,005), пределом выносливости (s-1), релаксационной стойкостью, достаточной пластичностью и вязкостью. Стали содержат 0,5÷0,8% углерода и 3÷4%легирующих элементов, подвергаются упрочняющей термообработке – закалке и среднему отпуску. Сталь перлитного класса 50ХФА после закалки от 780÷850 °С в воде и последующего отпуска от 480÷520 °С имеет в структуре тростит отпуска.
Кремнийповышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске, упрочняет феррит.
Хром, марганец, вольфрам, никель увеличивают прокаливаемость, уменьшают склонность к обезуглероживанию, графитизации и росту зерна при нагреве.
Шарикоподшипниковые стали
ШХ4, ШХ15, ШХ15СГ, 95Х18-Ш и др.
Стали используются для изготовления колец, шариков, роликов подшипников. После