Конструкционные легированные стали
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить микроструктуру и свойства конструкционных легированных сталей
ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ
Металлографические микроскопы, коллекции микрошлифов легированных сталей, таблицы химических составов сталей.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Конструкционные легированные стали делят по назначению на: цементуемые и улучшаемые, широко используемые для изготовления деталей машин; строительные, применяемые в строительных и корпусных конструкциях; рессорно-пружинные и др.Кроме того их классифицируют по химическому составу. Например: хромистые, хромоникелевые.
По ГОСТу 4543-71 принято обозначать хром – Х; никель – H; марганец – Г; кремний – С; молибден – М; вольфрам – В; алюминий – Ю; медь – Д; ниобий – Б; бор – Р; кобальт – К; титан – Т; ванадий – Ф. Цифра, стоящая после буквы, указывает среднее содержание легирующего элемента в процентах. Если цифра отсутствует, то содержание легирующего элемента 1 %. Цифры в начале марки конструкционной легированной стали соответствуют содержанию углерода в сотых долях процента.
Например, сталь 40ХН в среднем содержит 0,40 %C, 1 %Cr, 1 %Ni. Буквы в конце марки означают, что сталь высококачественная – A или особовысококачественная – Ш.
Некоторые стали содержат дополнительные обозначения. Например, марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш.
ЛЕГИРОВАННЫЕ ЦЕМЕНТУЕМЫЕ (НИТРОЦЕМЕНТУЕМЫЕ) СТАЛИ
К легированным конструкционным сталям, упрочняемым в поверхностном слое цементацией и нитроцементацией относятся низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,2 %C по массе. В табл. 3.7 приведена массовая доля элементов (%) сталей этой группы.
В равновесном состоянии они имеют феррито-перлитную структуру. На рис. 3.16 а представлена схема микроструктуры стали 15X после отжига.
Рис.3.16. Схема микроструктуры стали 15Х: а) после отжига; б) после закалки и низкого отпуска
Растворение хрома в феррите происходит путем замещения в решетке атомов железа атомами Cr, что вызывает изменение параметров кристаллической решетки феррита, его свойств и свойств стали в целом. Так добавление 1 %Cr приводит к увеличению пластичности и ударной вязкости стали и небольшому росту прочности. Сталь 15Х после отжига имеет низкую твердость, хорошо обрабатывается резанием.
Готовую деталь подвергают упрочняющей химико-термической обработке – цементации или нитроцементации и последующей закалке и низкому отпуску. При этом, поскольку легирование способствует повышению прокаливаемости стали при закалке, сердцевина детали будет несколько упрочнена. Получаем структуру мартенсита отпущенного (рис. 3.16 б). Твердость поверхности детали после такой обработки будет HRC 60, а сердцевины – HRC 15 – 20.
В исходном отожженном состоянии свойства сталей этой группы практически одинаковы: σb = 500 – 600 МПа; σ0,2= 350 – 450 МПа; δ = 30%; Ψ = 60 %. Поэтому основным критерием выбора марки стали для изготовления детали служит критический диаметр, определяющий размер сечения изделия, прокаливающегося насквозь.
После закалки и низкого отпуска прочность стали повышается, пластичность снижается незначительно. У стали 15Х: σb = 750 МПа; σ0,2= 650 МПа; δ = 15 %; Ψ = 55 % – после закалки в масло и отпуска при 200 ºC.
УЛУЧШАЕМЫЕ ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
Улучшаемые (среднеуглеродистые) стали содержат 0,3 – 0,5 %C и до 5 % различных легирующих элементов.
Стали этой группы подвергают обычно (улучшению) закалке в масле и высокому отпуску (600 ºC). Прокаливаемость стали при увеличении количества легирующих элементов в ней возрастает.
На рис. 3.17 представлена схема микроструктуры стали 40Х, после отжига и после улучшения.
Рис. 3.17. Схема микроструктуры стали 40Х: а) после отжига; б) после закалки и высокого отпуска
Основным параметром, по которому выбирается марка улучшаемой стали является прокаливаемость (критический диаметр), так как механические свойства в случае прокаливаемости у сталей разных марок этой группы отличаются незначительно. В табл. 3.8 приведены массовые доли элементов (%) и назначение некоторых легированных улучшаемых сталей, критические диаметры и порог хладноломкости.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Название работы.
Цель работы.
Схема микроструктур исследуемых сталей с указанием структурных составляющих.
Химический состав заданных сталей, их механические свойства, термическая обработка и применение.
Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Как классифицируют конструкционные легированные стали?
Каким образом маркируют легированные стали?
Какое количество углерода содержат цементуемые легированные конструкционные стали?
Какую микроструктуру они имеют?
Какие изменения происходят при легировании феррита?
Какой термической обработке подвергают цементуемые стали после цементации?
Как изменяются механические свойства в процессе термической обработки?
Что такое улучшение?
Какие легированные стали подвергают улучшению?
Таблица 3.7
Массовая доля элементов (%) в легированных цементуемых сталях
| Марка стали | C | Si | Mn | Cr | Ni не более | Другие |
| 15Х | 0,12 – 0,18 | 0,17 – 0,37 | 0,40 – 0,70 | 0,70 – 1,00 | 0,30 | – |
| 20Х | 0,17 – 0,23 | 0,17 – 0,37 | 0,50 – 0,80 | 0,70 – 1,00 | 0,30 | – |
| 15ХМ | 0,11 – 0,18 | 0,17 – 0,37 | 0,40 – 0,70 | 0,80 – 1,10 | 0,30 | Мо – 0,4 – 0,55 |
| 18ХГТ | 0,17 – 0,23 | 0,17 – 0,37 | 0,80 – 1,10 | 1,00 – 1,30 | 0,30 | Тi – 0,03 – 0,09 |
Таблица 3.8
Массовая доля элементов (%) в улучшаемых легированных сталях
| Марка стали | C | Si | Mn | Cr | Niне более | Sне более | Pне более | Критич. диаметр, мм | Порог хладноломкости,ºC |
| 40Х | 0,36 – 0,44 | 0,17 – 0,37 | 0,5 – 0,8 | 0,8 –1,1 | 0,3 | 0,035 | 0,035 | 15 – 25 | -50 |
| 30ХГСА | 0,28 – 0,34 | 0,90 – 1,20 | 0,8 – 1,1 | 0,8 –1,1 | 0,3 | 0,025 | 0,025 | 30 – 40 | -20 |
| 40ХН | 0,36 – 0,44 | 0,17 – 0,37 | 0,5 – 0,8 | 0,45 –0,75 | 1,0 – 1,4 | 0,035 | 0,035 | 40 – 50 | -70 |