Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf

47 шого усилия; 3. В случае возникших неисправностей немедленно нажать красную кнопку на коробке выключателя и обратиться к лаборанту.
7. ПЛАН ОТЧЕТА
Письменный отчет по работе должен включать:
7.1. Наименование и цель работы.
7.2. Краткий обзор состояния вопроса (привести участок диаграммы состояния железо-цементит с содержанием углерода до 2,14 %(область вторичной кристаллизации) с указанием интервала оптимальных темпера- тур закалки доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей (рис. 2.2.) и диа- грамму изотермического распада аустенита (рис. 2.4).
7.3. Результаты эксперимента: таблицы с экспериментальными дан- ными; графические зависимости твердости стали от температуры закалки, отпуска, содержания углерода; рисунки микроструктур шлифов стали 40 после закалки и после отпуска.
7.4. Выводы по работе: 1. Как зависит твердость стали от температуры закалки, отпуска, содержания углерода, скорости охлаждения? 2. Как свя- заны получаемые при термической обработке стали структуры и свойства?
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П.1
Влияние температуры закалки и скорости охлаждения на твердость стали 40
Номер образца
Температура нагрева, о
С
Закалочная среда
Твердость после закалки диаметр отпечатка, мм
НВ, МПа
Влияние температуры закалки на твердость стали 40 1
Исходный образец
-
2 680 вода
3 750 вода
4 800 вода
5 850 вода
6 900 вода
Влияние скорости охлаждения на твердость стали 40 7
850 вода
8 850 масло
9 850 воздух
Таблица П.2
Влияние содержания углерода на твердость стали после закалки
Номер образца
Марка стали
Температура нагрева, о
С
Закалоч- ная среда
Твердость после закалки
Диаметр отпечатка, мм
НВ, МПа
1
Сталь 20 900 вода
2
Сталь 40 850 вода
3
Сталь У7 800 вода

48
Таблица П.3
Зависимость твердости стали 40 от температуры отпуска
Вид микроструктуры
Структурные составляющие
феррит
+ перлит
а – закалка с температуры 700 о
С феррит
+ мартенсит
б – закалка с температуры 750 о
С мартенсит мелкоигольчатый
в – закалка с температуры 850 о
С мартенсит крупноигольчатый
г – закалка с температуры 900 о
С
Рис. П1. Схемы микроструктур стали 40 после закалки с разных температур
(×725)
Номер образца
Температура отпуска, о
С
Среда охлаждения
Твердость после отпуска диаметр отпечатка, мм
НВ, МПа
1 исходный образец
–
2 200 вода
3 300 вода
4 400 вода
5 500 вода
6 600 вода
7 700 вода

49
Вид микроструктуры
Структурные составляющие мартенсит отпуска
а – закалка 850 о
С + отпуск при 200 о
С мартенсит
+ троостит
б – закалка 850 о
С + отпуск при 300 о
С сорбит
в – закалка 850 о
С + отпуск при 500 о
С зернистый перлит
г – закалка 850 о
С + отпуск при 700 о
С
Рис. П2. Схемы микроструктур стали 40 после закалки и отпуска при разных температу- рах (

725)

50
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить влияние легирующих элементов в стали.
1.2. Изучить классификацию и маркировку легированных сталей.
1.3. Изучить зависимость между структурой и свойствами заданных легированных сталей.
2. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Простые углеродистые стали далеко не всегда удовлетворяют требо- ваниям техники. В промышленности широко применяются легированные стали, которые обладают высокими механическими или особыми физиче- скими и химическими свойствами, приобретаемыми после соответствую- щей термической обработки. Легированными называются стали, в которые для получения требуемых свойств дополнительно вводятся определенные количества необходимых элементов. Для легирования стали применяют хром, никель, марганец, кремний, вольфрам, ванадий, молибден и др.
Изучая влияние легирующих элементов на свойства стали, важно знать взаимодействие легирующего элемента с железом и углеродом, а также влияние легирующих элементов на полиморфизм железа и превра- щения в стали при термической обработке.
2.1. Влияние элементов на полиморфизм железа
Все элементы, которые растворяются в железе, влияют на темпера- турный интервал существования его аллотропических модификаций, то есть сдвигают точки А
3
и А
4
по температурной шкале. Определенные эле- менты повышают температуру А
4
и снижают температуру А
3
, расширяя область существования γ-модификации (рис. 3.1, а), другие понижают А
4
и повышают А
3
, сужая область существования γ-модификации (рис. 3.1, б).
Из схематических диаграмм состояния железо-легирующий элемент следует, что при содержании марганца, никеля (аустенитостабилизаторов) свыше определенного количества (c) (рис. 3.1, а) γ-состояние существует как стабильное от температуры плавления до комнатной температуры. Та- кие сплавы на основе железа называются аустенитными. При содержании ванадия, молибдена, кремния и других элементов ферритостабилизаторов свыше определенного значения (d) устойчивым при всех температурах яв- ляется α-состояние (рис. 3.1, б). Такие сплавы на основе железа называют-

51 ся ферритными. Аустенитные и ферритные сплавы не имеют превращений в твердом состоянии при нагревании и охлаждении.
а
б
Рис. 3.1. Схема диаграмм состояния железо-легирующий элемент: а – элементы, расширяющие γ-область; б – элементы, расширяющие α-область
2.2. Распределение легирующих элементов в стали
В промышленных легированных сталях легирующие элементы могут: а) находиться в свободном состоянии: свинец, серебро, медь (если его не более 1%), не образуют соединения и не растворяются в железе; б) образовывать интерметаллические соединения с железом или между собой при большом содержании легирующих элементов (встречаются, в основном, в высоколегированных сталях); в) образовывать окислы, сульфиды и другие неметаллические включения
– элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. В процессе производства стали такие элементы (например, Mn, Si, Al), введенные в по- следний момент плавки, раскисляют сталь, отнимая кислород у железа. Коли- чество окислов, сульфидов и других неметаллических включений в обычных промышленных сталях невелико и зависит от метода ведения плавки; г) растворяться в цементите или образовывать самостоятельные кар- бидные фазы. Карбидообразующими могут быть элементы, имеющие боль- шее, чем железо, сродство к углероду (элементы, расположенные в перио- дической системе элементов левее железа): Ti, V, Cr, Mn, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf,
Ta, W, Re. Указанные элементы, кроме того, что они растворяются в цемен- тите или образуют карбиды, растворяются в феррите или аустените, следо- вательно, они в известной пропорции распределяются между этими фазами; д) растворяться в железе. Элементы, расположенные в периодической системе правее железа (Сu, Ni, Сo и др.), образуют только растворы с же-

52 лезом и не входят в карбиды.
Таким образом, легирующие элементы преимущественно растворяют- ся в основных фазах железоуглеродистых сплавов – феррите и аустените, а также цементите или образуют специальные карбиды.
2.3. Влияние легирующих элементов на феррит
Растворение легирующих элементов в α-железе происходит путем за- мещения атомов железа атомами этих элементов. Атомы легирующих эле- ментов, отличаясь от атомов железа размерами и строением, создают в ре- шетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода. Изменение размеров α-решетки вызывает и изменение свойств феррита.
На рис. 3.2 показаны изменения механических свойств феррита (твер- дость, ударная вязкость) при растворении в нем различных элементов.
а
б
Рис. 3.2. Влияние легирующих элементов на свойства феррита: а - твердость;
б - ударная вязкость
Как видно из диаграмм, хром, молибден, вольфрам (более 1 %) упроч- няют феррит меньше, чем Ni, Si и Mn. Молибден, вольфрам, марганец и кремний снижают вязкость феррита. Хром уменьшает вязкость значительно слабее перечисленных элементов, а никель не снижает вязкости феррита.
Важное значение имеет влияние элементов на порог хладноломко- сти, что характеризует склонность стали к хрупкому разрушению. Наличие хрома в железе способствует некоторому повышению порога хладнолом- кости, тогда как никель интенсивно снижает порог хладноломкости, уменьшая тем самым склонность железа к хрупким разрушениям. Таким образом, из перечисленных элементов наиболее ценным является никель, интенсивно упрочняющий феррит, не снижающий его вязкости и пони- жающий порог хладноломкости.

53
2.4. Карбидная фаза в легированных сталях
В сталях карбиды образуются только металлами, расположенными в периодической системе элементов левее железа. Эти металлы имеют менее достроенную d-электронную полосу. Чем левее расположен в периодической системе карбидообразующий элемент, тем менее достроена его d-полоса.
Вместе с тем, многочисленные опыты показывают, что, чем левее в периоди- ческой системе расположен элемент, тем более устойчив карбид.
В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электро- ны на заполнение d-электронной полосы атома металла. Только металлы с d- электронной полосой, заполненной меньше, чем у железа, являются карбидо- образующими; активность их как карбидообразователей тем сильнее и устой- чивость образующихся карбидных фаз тем больше, чем менее достроена d- полоса у металлического атома. В сталях встречаются карбиды шести видов:
Карбиды, образуемые Cr и Mn, отнесенные в I группу, имеют слож- ную кристаллическую структуру и легко растворяются в аустените. Осо- бенность строения карбидов II группы,
образуемых тугоплавкими метал- лами W, Mo, Ta, Ti, Nb, Zr, заключается в том, что они имеют простую кристаллическую решетку и кристаллизуются обычно со значительным дефицитом по углероду. Карбиды II группы трудно растворимы в аустени- те. Это значит, что при нагреве (даже очень высоком) они могут не перей- ти в твердый раствор. Карбиды I группы легко растворяются в аустените.
Все карбидные фазы обладают высокой температурой плавления и вы- сокой твердостью. Карбиды II группы в этом отношении превосходят карби- ды I группы. Порядок растворения карбидов в аустените определяется их от- носительной устойчивостью, а степень перехода в раствор – их количеством.
2.5. Влияние легирующих элементов на превращения в стали при ТО
2.5.1. Влияние легирующих элементов на кинетику распада аустенита
Кинетика распада аустенита определяет поведение стали при терми- ческой обработке. Легирующие элементы, которые только растворяются в феррите или цементите, не образуя специальных карбидов, оказывают лишь количественное влияние на процессы превращения. Большинство
M
3
C карбиды
I группы
MC
Карбиды
II группы
,
M
23
C
6
M
7
C
3
M
2
C
M
6
C где под М подразумевается сумма карбидообразующих элементов.

54 элементов (Ni, Сu и другие) замедляют его (рис. 3.3, а), исключением явля- ется Со, который ускоряет превращение.
Карбидообразующие элементы вносят не только количественные, но и качественные изменения в кинетику изотермического превращения. Леги- рующие элементы при разных температурах по-разному влияют на ско- рость распада аустенита: 700-500 °С (образование перлита) – замедляют превращение; 500-400°С – весьма значительно замедляют превращение;
400–300 °С (образование бейнита) – ускоряют превращение (рис. 3.3, б).
Таким образом, в сталях, легированных карбидообразующими элемен- тами (Cr, Mo, W и др.), наблюдаются два максимума скорости изотермиче- ского распада аустенита, разделенных областью относительной устойчивости переохлажденного аустенита. Изотермический распад аустенита имеет два явно выраженных интервала превращений – превращение в пластинчатые
(перлитное превращение) и превращение в игольчатые (бейнитное превра- щение) структуры. Схематическое изображение диаграммы изотермического превращения (показано лишь начало превращения) приведено на рис 3.3.
а
б
Рис. 3.3. Схема диаграмм изотермического распада аустенита: а – углеродистая сталь и сталь, легированная некарбидообразующими элементами; б – углеродистая сталь и сталь, легированная карбидообразующими элементами
Практически наиболее важной является способность легирующих эле- ментов замедлять скорость распада аустенита в районе перлитного превра- щения, что выражается в смещении вправо линии на диаграмме изотерми- ческого распада аустенита. Это способствует более глубокой прокаливаемости и переохлаждению аустенита до интервала мартенситного превращения при более медленном охлаждении, например, при охлаждении в масле или на воздухе. Наиболее сильно увеличивают прокаливаемость Cr,
Ni, Mo, Mn, поэтому они входят в состав большинства конструкционных ле- гированных сталей. Прокаливаемость стали может быть существенно уве- личена при совместном легировании несколькими элементами. Таково, на- пример, совместное действие никеля и хрома. Очень эффективно действует

55 молибден при введении его в хромоникелевую сталь. Своеобразно влияют на кинетику распада такие сильные карбидообразователи, как Ti, V, Nb и от- части W. Так как элементы образуют труднорастворимые карбиды, то при обычных температурах закалки (800–900 °С) они остаются связанными в карбиды и не переходят в аустенит. В результате этого прокаливаемость стали уменьшается, так как карбиды действуют как готовые центры кри- сталлизации перлита. При высоком нагреве под закалку эти карбиды уже растворяются в аустените, что увеличивает прокаливаемость.