Изучение микроструктуры углеродистых сталей и чугунов в равновесном состоянии

Цель работы: изучить классификацию железоуглеродистых сплавов по химическому составу и структуре; ознакомиться со свойствами и применением наиболее употребительных марок сталей и чугунов, изучить их микроструктуры.

Теоретические сведения

Основными компонентами железоуглеродистых сплавов явля­ются железо и углерод. Кроме того, в них всегда содержатся кремний, марганец, сера и фосфор. В зависимости от содержания углерода сплавы называют сталями (если углерода менее 2,14%) или чугунами (при содержании углерода от 2,14% до 6, 67%).

В сталях углерод присутствует в виде цементита, а в чугунах в виде цементита (белый чугун) или графита (обыкновен­ный серый, ковкий и высокопрочный).

В структуре сталей и чугунов присутствуют также твердые растворы феррит и аустенит, механические смеси перлит и леде­бурит. Подробная характеристика этих фаз и структурных сос­тавляющих приведена в предыдущей лабораторной работе.

Углеродистые стали

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы “железо-углерод”.

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рис. 7.1.).

а б в г

Рис. 7.1. Микроструктура углеродистых сталей:

а – сталь 20; б – сталь 40; в – сталь У8; г – сталь У12

По количеству углерода стали делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали – стали, содержащие от 0,02 до 0,80% углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита уменьшается.

По соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, можно, пользуясь правилом рычага, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25% площади шлифа, то содержание углерода будет

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02% называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С=0,008%) или из феррита и третичного цементита (в сплавах с С=0,008 – 0,020%).

Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах: s_В=180…290 МПа; s_0,2 = 90…170 МПа; d = 30…50%; KCU = 180…250 Дж/ см²; НВ = 45…80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали по ГОСТ 1050 – 78 применяются, главным образом, для цементируемых изделий машиностроения. Среднеуглеродистые (стали 30, 40, 50) в термически обработанном виде – для различных машиностроительных деталей.

Эвтектоидная сталь – сталь с содержанием углерода 0,8%, состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: d_В = 900 МПа; s_0,2 = 600 МПа; d = 15%; y = 30%; KCU = 20 Дж/ см²; НВ = 200.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80…2,14% С. Структура – перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита. По площади вторичного цементита и площади перлита на шлифе можно определить примерное содержание углерода в стали.

Пример: если на поле шлифа вторичный цементит занимает примерно 10% площади, а перлит - 90%, то содержание углерода будет:

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют для различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Чугуны.

Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.

Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость.

Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий.

По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe₃С – цементита, и чугуны, в которых весь углерод, или большая его часть, находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов отражена на диаграмме железо-углерод (рис.6.1.).

В зависимости от содержания углерода белые чугуны разделяют на три группы:

доэвтектические – с содержанием углерода от 2,14 до 4,3%;

эвтектические – с содержанием углерода 4,3%;

заэвтектические – с содержанием углерода от 4,3 до 6,67% (рис.3.4).

Белые чугуны имеют очень высокую твердость и не поддаются обработке резанием. В машиностроении их применяют только для деталей, подвергающихся обработке шлифованием (валки холодной прокатки), или для изделий, используемых без всякой механической обработки (грузы, противовесы, мелящие тела). В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц.

Термической обработкой белый чугун перерабатывают в ковкий чугун.

а б в

Рис. 7.2. Микроструктура белых чугунов:

а – доэвтектический (ледебурит + перлит)

б – эвтектический (ледебурит)

в – заэвтектический (ледебурит + цементит)

Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений:

1. Серый обыкновенный чугун. В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.

2. Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.

3. Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму.

Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис.7.3.). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.

Графитные включения располагаются на металлической основе, которая может быть перлитной, ферритнойили феррито-перлитной.

Рис. 7.3. Схемы микроструктур серого обыкновенного, ковкого и высокопрочного чугунов

Серый обыкновенный чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении s_в в кг/мм² (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (s_в = 12 кг/мм² или 120 ПМа). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального графитизирующего отжига (томление). Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С , выдерживается длительное время и охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. После томления отливок в зависимости от скорости охлаждения, при температуре немного ниже 727^оС, получают ковкий чугун с различными структурами металлической основы:

при очень медленном охлаждении – ферритный;

при ускоренном охлаждении – ферритно-перлитный;

при быстром охлаждении – перлитный.

Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении s_в в кг/мм² – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра . Например, КЧ30-6 (s_в = 300МПа, d = 6 %). Применяется ковкий чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна ‑ при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.

Недостаток ковких чугунов- повышенная по сравнению с остальными чугунами стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении s_в .Например, ВЧ80 ((s_в = 800 МПа). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.

Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунамиспециального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучить основные теоретические сведения о структуре углеродистых сталей и их свойствах.

2. Изучить микроструктуры сталей 20, 40, У8 и У12 под микроскопом и в альбоме микроструктур. 1

3. Изучить основные теоретические сведения о структурах чугунов и их свойствах.

4. Изучить микроструктуры белых, серых, высокопрочных и ковких чугунов под микроскопом и в альбоме микроструктур.

5. Самостоятельно зарисовать схему классификации чугунов по структуре металлической основы и форме включений графита.

6. Составить отчет. Содержание отчета: название и цель работы,основные теоретические сведения об углеродистых ста­лях и их свойствах,микроструктуры сталей 20, 40, У8, У12 в равновесном состоянии (после полного отжига), расчет содержания углерода в стали по площади перлита, феррита, цементита (по конкретным заданиям препода­вателя),основные теоретические данные о чугунах и их свойст­вах, микроструктуры белого, серого, высокопрочного и ков­кого чугунов (по одной каждого),схема - классификация чугунов.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов и их свойства.

2. Как классифицируют стали по содержанию углерода?

3. Как зависят свойства сталей от содержания углерода?

4. Как изменяются структуры сталей от содержания углерода?

5. Какие виды чугунов и их основные различия вы знаете?

6. Как классифицируют чугуны по структуре металлической основы и форме графитовых включений?

7. Покажите области применения рассмотренных сталей и чугунов.

Лабораторная работа № 8

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛЕГИРОВАННЫХ
СТАЛЕЙ В РАВНОВЕСНОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы: ознакомить студентов с закономерностями влияния легирующих элементов на структуру сплавов железа с углеродом, проиллюстрировать действие этих закономерностей на наиболее распространенных марках легированных сталей; показать типы микроструктур, образующихся при легировании.

Теоретические сведения

Сталь называется легированной, если в ее составе содержатся специально введенные элементы или повышенные количества постоянно присутствующих марганца или кремния.

Наиболее распространенными легирующими элементами являются: хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, титан, цирконий, ниобий, бор, медь, алюминий, азот, редкоземельные элементы. По названию содержащихся легирующих элементов стали называют: хромистыми, марганцовистыми, кремнистыми, хромоникелевыми, хромоникель-молибденовыми и т.д.

По содержанию легирующих элементов стали условно разделяют:

на низколегированные, содержащие в сумме менее 5% всех легирующих элементов;

среднелегированные, содержащие в сумме до 20% всех легирующих элементов;

высоколегированные, содержащие в сумме более 20% всех легирующих элементов. В легированных сталях сумма легирующих элементов не может превышать 55%, т.к. при дальнейшем ее увеличении изменяется основа сплава.

Влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

Почти все легирующие элементы изменяют температуры полиморфных превращений железа, температуру эвтектоидной и эвтектической реакции и влияют на растворимость углерода в аустените. Некоторые легирующие элементы способны так же, как и железо, взаимодействовать с углеродом, образуя карбиды, а так же взаимодействовать друг с другом или с железом, образуя промежуточные фазы – интерметаллиды.

Принято температуры равновесных превращений, совершающихся в железе в сталях в твердом состоянии, обозначать буквой А с соответствующим индексом. Температуры фазового равновесия указаны на диаграмме состояния Fe-Fe₃C, поэтому обозначения связаны с линиями этой диаграммы.

Эвтектоидную температуру (линия PSK) обозначают А₁, температуру линии GS – А₃, температуру полиморфного превращения Fe_γ® Fe_α (линия NJ) - А₄, температуру линии SE – А_m. Равновесные температуры А₃ и А₄ для чистого железа равны соответственно 911 и 1392^о С. В интервале указанных температур устойчива модификация Fe_γ с решеткой ГЦК.

По влиянию на температуры полиморфных превращений А₃ и А₄ легирующие элементы можно разбить на две группы. В первую группу входят элементы группы никеля, которые понижают температуру А₃ и повышают температуру А₄. К ним относятся Ni, Mn, Co, Cu.

В сплавах железа с никелем, марганцем и кобальтом γ - область «открывается», т.е. в определенном интервале температур существуют твердые растворы с ГЦК решеткой. При этом температура А₃ при определенной концентрации легирующего элемента понижается ниже нуля. На рис. 8.1. показан участок диаграммы Fe – легирующий элемент с открытой γ-областью. В сплавах с концентрацией легирующего элемента, равной или превышающей точку b, ГЦК решетка устойчива при температуре 20-25^о С; такие сплавы называют аустенитными сталями. Таким образом, аустенитом называют не только твердый раствор углерода в Fe_g, но и любые твердые растворы на основе Fe_g.

Во вторую группу входят элементы группы хрома, которые повышают температуру А₃ и понижают температуру А₄. В этом случае температурный интервал устойчивости аустенита уменьшается и, соответственно, расширяется температурный интервал устойчивости Fe_a. Таких легирующих элементов большинство: Cr, Mo, W, V, Si, Ti и др.

Все перечисленные элементы образуют с железом диаграмму с «замкнутой» g-областью (рис. 8.2). Концентрация, соответствующая точке с, для хрома составляет 12%.

Из перечисленных элементов, дающих замкнутую g-область, только хром и ванадий не образуют с железом промежуточных фаз, и поэтому a-область «открывается». Остальные легирующие элементы, замыкающие область, образуют с железом промежуточные фазы, поэтому при определенных концентрациях на диаграммах появляется линия, ограничивающая растворимость, правее которой расположены двухфазные области (рис. 8.2, б).

Рис 8.1 Схема состояния “железо- легирующий элемент группы никеля”

Рис. 8.2 Схема диаграммы состояния “железо — легирующий элемент группы хрома”

а) с замкнутой g-областью; б) с промежуточной фазой

Однофазные сплавы с ОЦК решеткой, устойчивой при всех температурах вплоть до солидуса, называют ферритными сталями. Таким образом, ферритом называют не только твердый раствор углерода в Fe_a, но и любые твердые растворы на основе Fe_a.

По отношению к углероду легирующие элементы разделяют на:

не образующие карбиды, которые, в свою очередь, подразделяются на графитизирующие – кремний, алюминий, медь; и нейтральные – кобальт и никель ;

карбидообразующие – марганец, хром, молибден, вольфрам, ниобий, ванадий, цирконий и титан (элементы перечислены в порядке возрастания их карбидообразующей способности).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом количестве (десятые доли; для несильных карбидообразователей – 1…2%) образование карбида этого элемента чаще не происходит. В этом случае атомы легирующего элемента частично замещают атомы железа в решетке цементита; образуется легированный цементит, мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Процесс взаимодействия легирующего элемента с фазами стали (ферритом и цементитом) можно представить протекающим в следующей последовательности: вначале происходит взаимодействие с карбидной фазой, в результате которого образуется легированный цементит либо специальные карбиды. Неизрасходованная часть легирующего элемента растворится в феррите (железе). Если легирующий элемент карбидов не образует, то он целиком растворится в железосодержащей (ферритной) фазе и оказывает влияние на полиморфные превращения железа.

Легирующие элементы существенно влияют на концентрацию углерода в эвтектоиде (перлите) и максимальную растворимость углерода в аустените (точки S и Е диаграммы). Такие элементы, как никель, кобальт, кремний, марганец, хром, молибден, вольфрам, сдвигают точки S и Е влево, т.е. в сторону меньших концентраций углерода. Очевидно, что в присутствии этих легирующих элементов ледебурит в структуре сплава появится при меньших концентрациях углерода, чем в нелегированных железоуглеродистых сплавах. Например, в стали с 10-11% Cr ледебурит появляется в структуре при содержании углерода около 1%. В связи с этим легированные стали, содержащие ледебурит, классифицируют как ледебуритные или карбидные. По сути данные стали фактически являются легированными чугунами.

Рассмотрим, какой будет структура различных легированных сталей в равновесном состоянии с учетом указанных закономерностей.

Пример 1. Сталь 30ХГСА содержит небольшие количества (около 1% карбидообразующих элементов – хрома и марганца – и не образующий карбидов кремний). Часть хрома и марганца израсходуется на легирование цементита, а остальная часть этих элементов и кремний пойдут на легирование феррита. В связи с изменением состава феррита и цементита изменяется состав эвтектоида в сторону меньших концентраций углерода, следовательно, в структуре стали 30ХГСА количество перлита увеличивается по сравнению со сталью 30.

Пример 2. Сталь шарикоподшипниковая ШХ15 содержит большое количество углерода (0,95-1,05%) и небольшое количество хрома (1,30-1,65%). Поскольку хром является активным карбидообразователем, он весь израсходуется на легирование цементита и образование собственных карбидов. Кроме того, он снижает содержание углерода в эвтектоиде. Поэтому структура стали в этом состоянии будет содержать перлит и повышенное количество карбидов хрома и легированного цементита.

Пример 3. Сталь нержавеющая 08Х13 содержит более 0,08% углерода и 12-14% хрома. Поскольку содержание углерода невелико, то расход хрома на образование карбидов будет незначительным. Поэтому практически весь хром израсходуется на легирование феррита. А поскольку хром при концентрации около 12% замыкает область аустенита, то сталь 08Х13 будет иметь ферритную структуру при всех температурах, вплоть до плавления.

Пример 4. Сталь шарикоподшипниковая 95Х18 содержит около 1% углерода и 17-19% хрома. Ввиду большого содержания хрома меньшая часть его израсходуется на образование карбидов, а большая - на легирование феррита. Поэтому структура этой стали будет состоять из легированного феррита и большого количества карбидов хрома и железа, а точнее - из перлита и карбидов. Поскольку хром сдвигает точки S и Е диаграммы влево, и поскольку содержание его велико, то в структуре литой стали появится ледебуритная эвтектика, т.е. это сталь ледебуритного класса.

Пример 5. Сталь 12Х18Н10Т содержит не более 0,12% углерода, 17-19%, хрома, 9-11% никеля, 0,65% титана. Поскольку титан является более сильным карбидообразователем, чем хром, то в первую очередь будут образовываться карбиды титана, а хром и никель будут легировать твердый раствор. При совместном легировании стали хрома и никеля, которые противоположно воздействуют на полиморфизм железа, влияние никеля проявляется сильнее, поэтому сталь будет иметь аустенитную структуру с небольшим количеством карбидов.

Пример 6. Сталь 110Г13Л (сталь Гатфильда) содержит 0,9-1,3% углерода и 11,5-14,5% марганца. Часть марганца израсходуется на легирование цементита, а большая часть - на легирование феррита. Поскольку марганец является элементом, расширяющим область существования аустенита и его содержание достаточно велико, то равновесная структура стали будет состоять из аустенита и легированного марганцем цементита.

При определении структуры легированных сталей необходимо учитывать следующие закономерности:

1. В зависимости от содержания углерода и легирующих элементов, легированные стали по структуре в равновесном состоянии могут быть отнесены к одному из классов: перлитному, ферритному, аустенитному, ледебуритному (карбидному).

2. Прежде чем рассматривать влияние легирующего элемента на полиморфные превращения железа, необходимо определить отношение этого легирующего элемента к углероду. Элементы, расширяющие область аустенита, имеют решетку ГЦК, т.е. изоморфную решетке аустенита. И наоборот, элементы с решеткой ОЦК, изоморфные решетке феррита, расширяют a-область. Если же легирующий элемент является карбидообразующим, то при кристаллизации образуется сложная кристаллическая решетка, отличающаяся от ОЦК и ГЦК решетки, т.е. если легирующий элемент образует карбид, то его влияние на полиморфизм проявляться не будет.

3. Большинство легированных сталей относятся к перлитному классу, в основном это - низколегированные стали с любым количеством углерода.

4. Стали аустенитного класса могут содержать любое количество углерода, но обязательно присутствие никеля (не менее 6-7%) или другого элемента группы никеля.

5. В сталях ферритного класса должен присутствовать хром в количестве не менее 12% при низком содержании углерода (до 0,1%). С увеличением количество углерода для образования ферритной структуры содержание хрома должно быть тоже увеличено.

При совместном легировании хромом и никелем, которые противоположно действуют на полиформизм железа, влияние никеля проявляется сильнее приблизительно в 2,5 раза.

6. Стали ледебуритного (или карбидного) класса - это средне - или высоколегированные стали с содержанием углерода более 0,8%.

Порядок выполнения работы и содержание отчета

1. Изучив теоретическую часть лабораторной работы, под руководством преподавателя аналитически определить равновесную структуру в сталях: конструкционной 40Х, пружинной 60С2, быстрорежущей Р18, шарикоподшипниковой ШХ15, трансформаторной 1511 и нержавеющей 12Х18Н10Т.

2. Изучить микроструктуры указанных сталей под микроскопом и в альбоме микроструктур.

3. Получить у преподавателя задание для аналитического определения равновесных структур не менее трех марок легированных сталей (таблица 8.1).

4. Составить отчет. Содержание отчета :название и цель работы, краткие теоретические сведения о легирующих элементах в сталях и закономерности их влияния на структуру,рисунки микроструктур легированных сталей, аналитический вывод структур заданных марок сталей.

Таблица 8.1.

Марки и химический состав легированных сталей

для аналитического определения их равновесной
структуры

№ п/п	Марка стали	Химический состав, %
I	09Г2С	По марке
	16Г2АФ	Ванадия до 0,14; азота до 0, 025; остальное по марке
	15ХСНД	По марке, сумма легирующих не более 2,6
	25Г2С	По марке
	12ХН3А	По марке
	12Х2Н4А	По марке
	20ХГНР	Бора до 0, 005; остальное по марке
	38Х2МЮА	Молибдена до 0, 25; остальное по марке
	40ХС2	По марке
	30ХГСН2А	По марке
	40ХН2МА	Молибдена до 0,25; остальное по марке
	30ХН3А	По марке
	45Г2	По марке
	20Х13	По марке
	40Х13	По марке
	20Х17Н2	По марке
	15Х28	По марке
	06ХН28МТ	Хрома до 25, 0; титана до 0, 7; молибдена до 2,5
	10Х17Н13М3Т	Титана до 0,7; остальные по марке
	09Х15Н8Ю	По марке
	10Х23Н18	По марке
	10Х14Г14Н4Т	Титана до 0,6; остальное по марке
	07Х21Г7АН5	Азота до 0, 025; остальное по марке
	0Н9	Углерода не более 0,1; остальное по марке
	45Х14Н14В2М	Молибдена до 0, 4; остальное по марке
	20Х3МВФ	Вольфрама и молибдена по 0, 5; остальное по марке
	15Х6С2Ю	По марке
	10Х11Н23Т3МР	Бора до 0, 02; алюминия до 0, 80; остальное по марке
	20Х20Н14С2	По марке
	10Х14АГ15	Азота до 0, 025; остальное по марке
	70С2ХА	По марке
	ХВСГ	Углерода до I, 05; остальное по марке
	9ХФ	По марке
	Х12МФ	Углерода до 1,65; остальное по марке
	4Х4ВМФС	По марке
	5ХНМ	Молибдена до 0, 3; остальное по марке
	Р6М5	Углерода до 0, 88; хрома до 4, 4, ванадия до 2,1; остальное по марке
	Р18	Углерода до 0,8; хрома до 4, 4; молибдена 1,0; ванадия до 1,4; остальное по марке
	Р9М4К8	Углерода до I, I; хрома до 3,6; ванадия до 2,5; остальное по марке
	Р13Ф4К5	Углерода до 1,4; хрома до 4, 3; молибдена до I, 0; остальное по марке
	12Х21Н5Т	По марке
	09Г15Н8Ю	По марке
	25ХМФ	Молибдена до 0,35; ванадия до 0, 3; остальное по марке
	15Г12ВНМФ	Никеля до 0, 8; ванадия до 0, 3; молибдена до 0,7; остальное по марке
	40Х9С2	По марке
	09Х14Н18В2БР	По марке
	40Х15Н7Г7Ф2МС	По марке
	10Х11Н20Т3Р	Бора до 0,02; алюминия до 0, 8; ост. по марке
	ХН35ТВЮ	Углерода до 0,08; хрома до 16,0; титана до 3,2; вольфрама до 3, 5; бора до 0, 02;остальное по марке
	6Х6ВЗМФС	По марке

Контрольные вопросы

1. Какую сталь называют легированной?

2. Какими элементами легируют сталь?

3. Как расшифровываются марки легированных сталей?

4. Как влияют легирующие элементы на ферритную фазу стали?

5. Как влияют легирующие элементы на карбидную фазу стали?

6. Как аналитически определить равновесную структуру легированной стали?

7. Какие структурные классы легированных сталей встречаются?

Лабораторная работа №9

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: проработав данное методическое указание и выполнив предложенные задания, научиться с помощью теплового воздействия получать у одной и той же стали различные сочетания свойств, необходимые для условий эксплуатации.

Теоретические сведения

Основные параметры термообработки

Термическая обработка – это технологический процесс, состоящий из нагрева и охлаждения материала изделия с целью изменения его структуры и свойств.

На стадии изготовления деталей необходимо, чтобы металл был пластичным, нетвердым, имел хорошую обрабатываемость резанием.

В готовых изделиях всегда желательно иметь материал максимально прочным, вязким, с необходимой твердостью.

Такие изменения в свойствах материала позволяет сделать термообработка. Любой процесс термообработки может быть описан графиком в координатах температура-время и включает нагрев, выдержку и охлаждение. При термообработке протекают фазовые превращения, которые определяют вид термической обработки. Температура нагрева стали зависит от положения ее критических точек и выбирается по диаграмме состояния Fe – Fe₃С в зависимости от вида термической обработки (рис.9.1.).

Рис.9.1. Интервалы рекомендуемых температур нагрева при различных видах

Критические точки (температуры фазовых превращений) определяют: линия PSK – точку А₁, GS – точку А₃ и SE – точку А_m. Нижняя критическая точка А₁ соответствует превращению А ® П при 727^ОС. Верхняя критическая точка соответствует началу выделения феррита из аустенита (при охлаждении) или концу растворения феррита в аустените (при нагреве). Температура линии SE, соответствующая началу выделения вторичного цементита из аустенита, обозначается А_m.

Время нагрева до заданной температуры зависит, главным образом, от химического состава стали и толщины наиболее массивного сечения детали (в среднем 60 с на каждый миллиметр сечения).

Выдержка при температуре термообработки необходима для завершения фазовых превращений, происходящих в металле, выравнивания температуры по всему объему детали. Продолжительность выдержки зависит от химического состава стали и для нелегированных сплавов определяется из расчета 60 с на один миллиметр сечения.

Скорость охлаждения зависит, главным образом, от химического состава стали, а также от твердости, которую необходимо получить.

Самыми распространенными видами термообработки сталей являются закалка и отпуск. Производятся с целью упрочнения изделий. Температура нагрева под закалку выбирается по диаграмме железо-углерод.

Закалка сталей

ЗАКАЛКОЙ называется фиксация при комнатной температуре высокотемпературного состояния сплава. Основная цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости. Для достижения этой цели стали нагревают до температур на 30 – 50^ОС выше линии GSK (рис. 9.1), выдерживают определенное время при этой температуре и затем быстро охлаждают. Для доэвтектоидных сталей температура нагрева под закалку определяется А_С3+(30…50)^оС, для эвтектоидных и заэвтектоидных А_С1+(30…50)^оС.

Процессы, происходящие в сплаве на различных стадиях закалки, можно рассмотреть на примере эвтектоидной стали У8. В исходном отожженном состоянии эта сталь имеет структуру перлита (эвтектоидная смесь феррита и цементита). При достижении температуры А₁ (727^оС) произойдет полиморфное превращение, т.е. перестройка кристаллической решетки феррита (ОЦК) в решетку аустенита (ГЦК), вследствие чего растворимость углерода резко возрастает. В процессе выдержки весь цементит растворится в аустените и концентрация углерода в нем достигнет содержания углерода в стали, т.е. 0,8 %

Следующий этап – охлаждение стали из аустенитной области до комнатной температуры – является определяющим при закалке. При охлаждении стали ниже температуры А₁ происходит обратное полиморфное превращение, т.е. решетка аустенита (ГЦК) перестраивается в решетку феррита (ОЦК) и при этом растворимость углерода уменьшается в 40 раз (с 0,8 до 0,02%). Если охлаждение происходит медленно, то “лишний” углерод успевает выйти из решетки феррита и образовать цементит. В результате формируется структура феррито-цементитной смеси (перлит). Если же охлаждение производится быстро, то после полиморфного превращения углерод остается вследствие подавления диффузионных процессов в решетке ОЦК. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a - железе, который называется МАРТЕНСИТ. Перенасыщенность мартенсита углеродом создает в его решетке большие внутренние напряжения, которые приводят к искажению ее формы и превращению из кубической в тетрагональную. Уровень внутренних напряжений оценивается степенью тетрагональности.

Чем выше степень тетрагональности решетки мартенсита, тем выше его твердость. Степень тетрагональности, в свою очередь, будет зависеть от содержания углерода в стали.

Рис. 9.2. Кристаллическая решетка феррита (с/а=1) (а) и кристаллическая решетка мартенсита (с/а 1) (б)

Получить структуру мартенсита (или закалить сталь) можно только в том случае, если обеспечить скорость охлаждения больше или равную критической (V_кр) (рис 9.3), чтобы не успели пройти процессы распада аустенита в верхнем районе температур.

КРИТИЧЕСКАЯ СКОРОСТЬ закалки, таким образом, – это минимальная скорость охлаждения (V_кр), при которой аустенит переходит в мартенсит. Если же скорости охлаждения будут меньше V_кр, при распаде аустенита получим феррито-цементитные смеси различной дисперсности ТРООСТИТ, СОРБИТ И ПЕРЛИТ.

Перлит (грубодисперсионная смесь феррита и цементита) может быть получен при очень медленных скоростях охлаждения (на рис. 9.3 - это скорость V₁). Такие скорости охлаждения характерны для отжига (охлаждение вместе с печью).

При охлаждении углеродистых сталей на воздухе (вид термообработки – нормализация) со скоростями V₂ и V₃