Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 290
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.5.2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превраще- ния, оказывают влияние на положение температурного интервала мартенсит- ного превращения, что отражается на количестве остаточного аустенита, ко- торое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (Аl,
Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита (рис. 3.4).
Из диаграммы видно,
например, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0 °С, следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирую- щего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.
а
б
Рис. 3.4. Влияние легирующих эле- ментов на темпе- ратуру мартенсит- ного превращения
(а) и количество остаточного аусте- нита (б) сталей, содержащих 1 % С
2.5.3. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита
Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов.
Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим Cr, Mo, W, V, Ti сильно измельчают зерно; Ni, Co, Si, Cu (элементы, не образующие карбидов) слабо влияют на рост зерна; Mn, B способствуют росту зерна.
2.5.4. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске
Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некото- рые элементы, такие как Ni или Mn, влияют незначительно, тогда как боль-
56 шинство (Cr, Mo, Si и др.) – весьма заметно. Для получения одинаковых ре- зультатов сталь, легированную такими элементами, как Cr, Mo, Si и др., нуж- но нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем при- знакам: по равновесной структуре (после отжига), по структуре после ох- лаждения на воздухе (после нормализации), по составу и по назначению.
3.1. Классификация по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре перлит и избыточные
(вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы. В литом виде избыточные карбиды совме- стно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.
5. Ферритные стали, содержащие много ферритостабилизаторов.
6. Аустенитные стали,
содержащие много аустенитостабилизаторов.
Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и Е (в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными в легирован- ных сталях лежит при меньшем содержании углерода, чем в углеродистых.
3.2. Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса сталей: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) аустенитный.
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержа- нием легирующих элементов, мартенситного – более значительным и, нако- нец, аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов. Получе- ние этих классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области воз- растает, а температурная область мартенситного превращения понижается.
На рис. 3.5 приведены схемы диаграмм изотермического распада ау- стенита для сталей трех классов: а) перлитный, б) мартенситный, в) аусте- нитный. Для легированных сталей перлитного класса кривая скорости охла- ждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада, и будут
57 получаться структуры – перлит, сорбит, троостит (рис. 3.5, а). У сталей мар- тенситного класса область перлитного распада сдвинута вправо. Поэто- му аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенсит- ного превращения (рис. 3.5, б). Если мартенситное превращение протекает в области отрицательных температур, то сталь, охлажденная до комнатной температуры, сохраняет аустенитное состояние (рис. 3.5, в).
а
б
в
Рис. 3.5. Диаграмма изотермического распада аустенита: а – перлитный класс;
б – мартенситный класс; в – аустенитный класс
3.3. Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые и т. п. Классификационный при- знак – наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
3.4. Классификация по назначению
По назначению стали классифицируются следующим образом:
–
конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Конст- рукционные стали подразделяются на цементуемые (подвергаемые цементации), улучшаемые (подвергаемые закалке и высокому отпуску), высокопрочные, пру- жинные, шарикоподшипниковые, строительные, мартенситностареющие;
–
инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, изме- рительного, штампового и прочего инструмента;
–
стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обла- дающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жа- ропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые и т. д.
3.5. Маркировка легированных сталей
В соответствии с ГОСТами принята определенная система для обозначе- ния марок сталей. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец; Д – медь; К – кобальт; М – мо- либден; Н – никель; П – фосфор; Р – бор; С – кремний; Т – титан; Ф – ванадий;
X – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные металлы; Ю – алюминий.
58
Первые цифры в обозначениях показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают на пример- ное содержание данного легирующего элемента в целых процентах (при со- держании элемента менее или около 1 %цифра отсутствует). Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы ифосфора (S < 0,03 %; Р <
0,03 %), а также, что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставится буква А.
Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержат 0,20 % С, 1 % Cr; 3 %
Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная. В инструментальных сталях одна цифра в начале марки указывает на содержание углерода в де- сятых долях процента. При содержании в сталях 1 % С или более началь- ную цифру опускают. Например,
в стали ХВГ содержится более 1% С, 1
% Cr,1 % Mn и 1 % W. В обозначении некоторых групп сталей допускают- ся отступления от ГОСТов. Например, сталь ШХ15 – шарикоподшипнико- вая, в которой цифра 15 показывает содержание основного легирующего элемента Cr – 1,5 %. В этой стали 1 % С, а также имеется Мn и Si. Сталь
PI8 – быстрорежущая, в которой цифра 18 показывает среднее содержание
W – 18 %.В этой стали 0,7 - 0,8 % С, 4 % Cr, а также имеется Мо и V.
4. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ НЕКОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
4.1. Сталь 40Х
Сталь 40Х – конструкционная улучшаемая машиностроительная сталь, легированная хромом. Введение хрома способствует уменьшению критической скорости закалки, и, следовательно, улучшению прокаливае- мости. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что умень- шает деформацию изделий и опасность образования трещин. При охлаж- дении в масле сталь 40Х позволяет получить сквозную прокаливаемость до диаметра 15 мм (сталь 40 – в воде до 10 мм). Применяется сталь 40Х для изготовления средненагруженных машиностроительных деталей не- больших сечений (валов, штоков, шатунов и т. п.). Химический состав ста- ли 40X: 0,36 – 0,44 % С; 0,5 – 0,8 % Mn, 0,8 – 1,1 % Сr. Термическая обра- ботка стали 40Х заключается в улучшении: закалка с температуры 860 °С с охлаждением в масле и высокий отпуск при температуре 500–600 °С с охла- ждением в воде, а для мелких деталей в масле. Сталь склонна к отпускной хрупкости II рода, устранение которой требует быстрого охлаждения с тем- пературы высокого отпуска. После отжига (в равновесном состоянии) сталь
59 имеет структуру, состоящую из феррита и перлита (рис. 3.6). В термически обработанной стали структура состоит из продукта распада мартенсита – сорбита. Улучшение обеспечивает высокий комплекс механических свойств:
ζ
b
= 1000 МПа;. ζ
0,2
= 800 МПа; δ =10 %; ψ= 45 %, KCU=0,6 МДж/м
2
4.2. Шарикоподшипниковая сталь ШXI5
Шарикоподшипниковая сталь служит для изготовления деталей подшип- ников качения (колец, роликов, шариков), которые испытывают большое ко- личество циклов высоких контактных напряжений, а вследствие проскальзы- вания происходит их значительное местное истирание. Поэтому к стали для изготовления подшипников предъявляются требования максимального со- противления контактной усталости и истиранию. Эти требования удовлетво- ряются, когда сталь обладает высокой твердостью и малым количеством ме- таллургических дефектов. По химическому составу и структуре сталь ШХ15 относится к классу инструментальных сталей. Она содержит: 0,95 – 1,05 % С;
1,3 – 1,65 % Cr; 0,20 – 0,40 % Мn; 0,17 – 0,37 % Si. Количество хрома и дру- гих легирующих элементов в стали определяется необходимой прокаливае- мостью. Из стали ШХ15 могут быть изготовлены шарики диаметром 25 мм и ролики диаметром 15–30 мм. Термическая обработка стали заключается в неполной закалке (так как по структуре в равновесном состоянии сталь – за- эвтектоидная) в масле с температуры 830–840 °С и последующем низком от- пуске при 50–180 °С в течение 1–2 ч, что обеспечивает получение твердо- сти не ниже 62 HRC. Структура после термической обработки представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномер- но распределенными мелкими избыточными карбидами хрома (рис. 3.7).
Рис. 3.6. Структура стали 40Х в ото- жженном состоянии
Рис.3.7. Структура стали ШХ15 после за- калки и отпуска
Несоблюдение оптимальных режимов термической обработки ухуд- шает качество подшипников, что отражается на их стойкости в работе.
Так, небольшой перегрев при закалке ведет к укрупнению игл мартенсита,
60 что приводит к охрупчиванию стали. Завышение t отп приводит к снижению твердости и уменьшению сопротивления износу деталей подшипников.
4.3. Хромоникелевая нержавеющая сталь I2XI8H10T
Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Технически чистое железо, углеродистые нелегиро- ванные и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмо- сфере, в воде и других средах окисляющего действия. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии. При введении таких эле- ментов в сталь происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Сплавы, содержащие меньше 13 % Cr,подверже- ны коррозии. Введение в сталь 13 % Сr делает ее коррозионностойкой в ат- мосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие более 13 % Cr,ведут себя как благородные металлы: обладая положительным электрохимическим потенциалом (рис. 3.8), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.
Введение достаточного количества никеля в сталь, содержащую 18 %
Cr, переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой. Нержавею- щие стали с 18 % Сr и 9 – 10 % Ni получили наиболее широкое распро- странение в машиностроении, в изделиях широкого потребления.
Химический состав стали 12Х8H10T: 0,12 % С; 1 – 2 % Мn, 17 – 19 % Сr;
8 – 10 % Ni, 1 % Ti. В литых хромоникелевых нержавеющих сталях мо- гутобразовываться специальные карбиды, преимущественно типа М
23
С
6
, снижающие их пластичность и коррозионную стойкость.
При дополнительном легировании этих сталей титаном и ниобием по- следние могут образовывать специальный карбид типа МС. Чем больше будет отношение содержания титана и ниобия к углероду, тем больше бу- дет образовываться карбида типа TiС и меньше карбида типа Cr
23
С
6
Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса служит для устранения выделившихся карбидов и заключается в закалке в воде с тем- пературы 1050–1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (Сг
23
С
6
), а последующее быстрое охлаждение фиксирует со- стояние пересыщенного твердого раствора (аустенит). Медленное охлаждение или последующий отпуск недопустимы, т. к. при этом возможно вновь выде- ление карбидов. Это приводит к охрупчиванию стали и появлению очень опасного особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, назван-
61 ного межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией, так как выделение карбидов хрома Сг
23
С
6
в пограничных зонах приводит к обеднению этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 13 %), который обеспечивает корро- зионную стойкость. Поэтому при воздействии агрессивных сред происходит глубокое коррозионное разрушение стали по границам аустенитных зерен.
Рис. 3.8. Потенциал железохроми- стых сплавов
Рис. 3.9. Структура аустенитной нержавеющей стали 12XI8H10T
Склонность к интеркристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей можно устранить уменьшением содержания углерода и введением эле- ментов-стабилизаторов – титана или ниобия. Более химически активные, чем хром, титан и ниобий, забирая на себя углерод, препятствуют образованию хромистых карбидов и обеднению ими приграничных зон, а следовательно, и появлению интеркристаллитной коррозии. В структуре стали 12XI8H10T по- сле закалки будет только аустенит (рис. 3.9), что обеспечивает наиболее высо- кие механические и коррозионностойкие свойства. При закалке могут проис- ходить рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия предшествующего пластического деформирования. Механические свойства нержавеющей аустенитной стали 12XI8H10T в закаленном состоянии: ζ
b
= 520
- 560 МПа;. ζ
0,2
= 200 - 250 МПа; δ =50 %; ψ= 55 %, НВ =1400 – 1500 МПа.
4.4. Износостойкая высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г1ЗЛ
Устойчивость против износа достигается обычно получением высокой поверхностной твердости, поэтому используют высокоуглеродистые стали, подвергаемые закалке и низкому отпуску. Однако при работе с ударами из- за высокой хрупкости детали из таких сталей быстро разрушаются. Суще- ствует аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровож- даемого большим удельным давлением при низкой твердости (НВ 2000 –
2500 МПа), обладает высокой износостойкостью. Это сталь 110Г13Л, со- держащая 0,9 – 1,3 % С, 11,5 – 14,5 % Мn (получена немецким ученым
Гадфильдом в 1862 г.). Сталь применяют в литом (буква Л в обозначении) реже – в горячедеформированном виде. Структура стали после литья со-
62 стоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мn)
3
С, выделяющихся по границам зерен (рис. 3.10, а), что снижает прочность и вязкость стали.
а
б
Рис. 3.10. Микроструктура стали 110Г13Л : а – после литья (аустенит и карбиды по границам зерен); б – после закалки от 1100 °С (аустенит)
Для повышения прочности и пластичности литые изделия подвергают закалке, состоящей в нагреве до температуры 1050–1100 °С с последующим охлаждением в воде. При таком высокотемпературном нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру (рис. 3.10, б). Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими механическими характеристиками (вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности: ζ
b
= 800 – 900 МПа;. ζ
0,2
= 340 – 350
МПа; δ = 25 – 15 %; ψ= 30 – 20 %, НВ =1800 – 2200 МПа). Пластические свойства стали ухудшаются при нагреве выше 200–300 °С вследствие вы- деления карбидов. При низкой твердости сталь Гадфильда обладает не- обычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и удара- ми. Это объясняется повышенной способностью к наклепу (рис. 3.11), значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью.
Рис. 3.11. Влияние наклепа на твердость
Высокая упрочняемость стали Гадфильда является результатом накле- па (искажение кристаллической решетки, дробление блоков мозаики). При равной степени деформации блоки мозаики в стали Гадфильда дробятся в большей степени, чем в других, в том числе и аустенитных сталях. Чем обу-
63 словлены такие специфические свойства марганцовистого аустенита, точно не установлено. Высокая вязкость аустенита, наряду с достаточной прочно- стью и износоустойчивостью, делает сталь 110Г13Л незаменимым материа- лом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали изго- тавливают зубья черпаков экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие, где трение сопро- вождается ударами и большими давлениями. При абразивном износе, когда наклеп отсутствует, сталь Гадфильда не имеет существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями той же твердости.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
2.5.2. Влияние легирующих элементов на мартенситное превращение
Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превраще- ния, оказывают влияние на положение температурного интервала мартенсит- ного превращения, что отражается на количестве остаточного аустенита, ко- торое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (Аl,
Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита (рис. 3.4).
Из диаграммы видно,
например, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0 °С, следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирую- щего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.
а
б
Рис. 3.4. Влияние легирующих эле- ментов на темпе- ратуру мартенсит- ного превращения
(а) и количество остаточного аусте- нита (б) сталей, содержащих 1 % С
2.5.3. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита
Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов.
Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим Cr, Mo, W, V, Ti сильно измельчают зерно; Ni, Co, Si, Cu (элементы, не образующие карбидов) слабо влияют на рост зерна; Mn, B способствуют росту зерна.
2.5.4. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске
Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некото- рые элементы, такие как Ni или Mn, влияют незначительно, тогда как боль-
56 шинство (Cr, Mo, Si и др.) – весьма заметно. Для получения одинаковых ре- зультатов сталь, легированную такими элементами, как Cr, Mo, Si и др., нуж- но нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем при- знакам: по равновесной структуре (после отжига), по структуре после ох- лаждения на воздухе (после нормализации), по составу и по назначению.
3.1. Классификация по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре перлит и избыточные
(вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы. В литом виде избыточные карбиды совме- стно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.
5. Ферритные стали, содержащие много ферритостабилизаторов.
6. Аустенитные стали,
содержащие много аустенитостабилизаторов.
Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и Е (в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными в легирован- ных сталях лежит при меньшем содержании углерода, чем в углеродистых.
3.2. Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса сталей: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) аустенитный.
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержа- нием легирующих элементов, мартенситного – более значительным и, нако- нец, аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов. Получе- ние этих классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области воз- растает, а температурная область мартенситного превращения понижается.
На рис. 3.5 приведены схемы диаграмм изотермического распада ау- стенита для сталей трех классов: а) перлитный, б) мартенситный, в) аусте- нитный. Для легированных сталей перлитного класса кривая скорости охла- ждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада, и будут
57 получаться структуры – перлит, сорбит, троостит (рис. 3.5, а). У сталей мар- тенситного класса область перлитного распада сдвинута вправо. Поэто- му аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенсит- ного превращения (рис. 3.5, б). Если мартенситное превращение протекает в области отрицательных температур, то сталь, охлажденная до комнатной температуры, сохраняет аустенитное состояние (рис. 3.5, в).
а
б
в
Рис. 3.5. Диаграмма изотермического распада аустенита: а – перлитный класс;
б – мартенситный класс; в – аустенитный класс
3.3. Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые и т. п. Классификационный при- знак – наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
3.4. Классификация по назначению
По назначению стали классифицируются следующим образом:
–
конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Конст- рукционные стали подразделяются на цементуемые (подвергаемые цементации), улучшаемые (подвергаемые закалке и высокому отпуску), высокопрочные, пру- жинные, шарикоподшипниковые, строительные, мартенситностареющие;
–
инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, изме- рительного, штампового и прочего инструмента;
–
стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обла- дающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жа- ропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые и т. д.
3.5. Маркировка легированных сталей
В соответствии с ГОСТами принята определенная система для обозначе- ния марок сталей. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец; Д – медь; К – кобальт; М – мо- либден; Н – никель; П – фосфор; Р – бор; С – кремний; Т – титан; Ф – ванадий;
X – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные металлы; Ю – алюминий.
58
Первые цифры в обозначениях показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают на пример- ное содержание данного легирующего элемента в целых процентах (при со- держании элемента менее или около 1 %цифра отсутствует). Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы ифосфора (S < 0,03 %; Р <
0,03 %), а также, что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставится буква А.
Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержат 0,20 % С, 1 % Cr; 3 %
Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная. В инструментальных сталях одна цифра в начале марки указывает на содержание углерода в де- сятых долях процента. При содержании в сталях 1 % С или более началь- ную цифру опускают. Например,
в стали ХВГ содержится более 1% С, 1
% Cr,1 % Mn и 1 % W. В обозначении некоторых групп сталей допускают- ся отступления от ГОСТов. Например, сталь ШХ15 – шарикоподшипнико- вая, в которой цифра 15 показывает содержание основного легирующего элемента Cr – 1,5 %. В этой стали 1 % С, а также имеется Мn и Si. Сталь
PI8 – быстрорежущая, в которой цифра 18 показывает среднее содержание
W – 18 %.В этой стали 0,7 - 0,8 % С, 4 % Cr, а также имеется Мо и V.
4. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ НЕКОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
4.1. Сталь 40Х
Сталь 40Х – конструкционная улучшаемая машиностроительная сталь, легированная хромом. Введение хрома способствует уменьшению критической скорости закалки, и, следовательно, улучшению прокаливае- мости. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что умень- шает деформацию изделий и опасность образования трещин. При охлаж- дении в масле сталь 40Х позволяет получить сквозную прокаливаемость до диаметра 15 мм (сталь 40 – в воде до 10 мм). Применяется сталь 40Х для изготовления средненагруженных машиностроительных деталей не- больших сечений (валов, штоков, шатунов и т. п.). Химический состав ста- ли 40X: 0,36 – 0,44 % С; 0,5 – 0,8 % Mn, 0,8 – 1,1 % Сr. Термическая обра- ботка стали 40Х заключается в улучшении: закалка с температуры 860 °С с охлаждением в масле и высокий отпуск при температуре 500–600 °С с охла- ждением в воде, а для мелких деталей в масле. Сталь склонна к отпускной хрупкости II рода, устранение которой требует быстрого охлаждения с тем- пературы высокого отпуска. После отжига (в равновесном состоянии) сталь
59 имеет структуру, состоящую из феррита и перлита (рис. 3.6). В термически обработанной стали структура состоит из продукта распада мартенсита – сорбита. Улучшение обеспечивает высокий комплекс механических свойств:
ζ
b
= 1000 МПа;. ζ
0,2
= 800 МПа; δ =10 %; ψ= 45 %, KCU=0,6 МДж/м
2
4.2. Шарикоподшипниковая сталь ШXI5
Шарикоподшипниковая сталь служит для изготовления деталей подшип- ников качения (колец, роликов, шариков), которые испытывают большое ко- личество циклов высоких контактных напряжений, а вследствие проскальзы- вания происходит их значительное местное истирание. Поэтому к стали для изготовления подшипников предъявляются требования максимального со- противления контактной усталости и истиранию. Эти требования удовлетво- ряются, когда сталь обладает высокой твердостью и малым количеством ме- таллургических дефектов. По химическому составу и структуре сталь ШХ15 относится к классу инструментальных сталей. Она содержит: 0,95 – 1,05 % С;
1,3 – 1,65 % Cr; 0,20 – 0,40 % Мn; 0,17 – 0,37 % Si. Количество хрома и дру- гих легирующих элементов в стали определяется необходимой прокаливае- мостью. Из стали ШХ15 могут быть изготовлены шарики диаметром 25 мм и ролики диаметром 15–30 мм. Термическая обработка стали заключается в неполной закалке (так как по структуре в равновесном состоянии сталь – за- эвтектоидная) в масле с температуры 830–840 °С и последующем низком от- пуске при 50–180 °С в течение 1–2 ч, что обеспечивает получение твердо- сти не ниже 62 HRC. Структура после термической обработки представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномер- но распределенными мелкими избыточными карбидами хрома (рис. 3.7).
Рис. 3.6. Структура стали 40Х в ото- жженном состоянии
Рис.3.7. Структура стали ШХ15 после за- калки и отпуска
Несоблюдение оптимальных режимов термической обработки ухуд- шает качество подшипников, что отражается на их стойкости в работе.
Так, небольшой перегрев при закалке ведет к укрупнению игл мартенсита,
60 что приводит к охрупчиванию стали. Завышение t отп приводит к снижению твердости и уменьшению сопротивления износу деталей подшипников.
4.3. Хромоникелевая нержавеющая сталь I2XI8H10T
Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Технически чистое железо, углеродистые нелегиро- ванные и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмо- сфере, в воде и других средах окисляющего действия. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии. При введении таких эле- ментов в сталь происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Сплавы, содержащие меньше 13 % Cr,подверже- ны коррозии. Введение в сталь 13 % Сr делает ее коррозионностойкой в ат- мосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие более 13 % Cr,ведут себя как благородные металлы: обладая положительным электрохимическим потенциалом (рис. 3.8), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.
Введение достаточного количества никеля в сталь, содержащую 18 %
Cr, переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой. Нержавею- щие стали с 18 % Сr и 9 – 10 % Ni получили наиболее широкое распро- странение в машиностроении, в изделиях широкого потребления.
Химический состав стали 12Х8H10T: 0,12 % С; 1 – 2 % Мn, 17 – 19 % Сr;
8 – 10 % Ni, 1 % Ti. В литых хромоникелевых нержавеющих сталях мо- гутобразовываться специальные карбиды, преимущественно типа М
23
С
6
, снижающие их пластичность и коррозионную стойкость.
При дополнительном легировании этих сталей титаном и ниобием по- следние могут образовывать специальный карбид типа МС. Чем больше будет отношение содержания титана и ниобия к углероду, тем больше бу- дет образовываться карбида типа TiС и меньше карбида типа Cr
23
С
6
Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса служит для устранения выделившихся карбидов и заключается в закалке в воде с тем- пературы 1050–1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (Сг
23
С
6
), а последующее быстрое охлаждение фиксирует со- стояние пересыщенного твердого раствора (аустенит). Медленное охлаждение или последующий отпуск недопустимы, т. к. при этом возможно вновь выде- ление карбидов. Это приводит к охрупчиванию стали и появлению очень опасного особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, назван-
61 ного межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией, так как выделение карбидов хрома Сг
23
С
6
в пограничных зонах приводит к обеднению этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 13 %), который обеспечивает корро- зионную стойкость. Поэтому при воздействии агрессивных сред происходит глубокое коррозионное разрушение стали по границам аустенитных зерен.
Рис. 3.8. Потенциал железохроми- стых сплавов
Рис. 3.9. Структура аустенитной нержавеющей стали 12XI8H10T
Склонность к интеркристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей можно устранить уменьшением содержания углерода и введением эле- ментов-стабилизаторов – титана или ниобия. Более химически активные, чем хром, титан и ниобий, забирая на себя углерод, препятствуют образованию хромистых карбидов и обеднению ими приграничных зон, а следовательно, и появлению интеркристаллитной коррозии. В структуре стали 12XI8H10T по- сле закалки будет только аустенит (рис. 3.9), что обеспечивает наиболее высо- кие механические и коррозионностойкие свойства. При закалке могут проис- ходить рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия предшествующего пластического деформирования. Механические свойства нержавеющей аустенитной стали 12XI8H10T в закаленном состоянии: ζ
b
= 520
- 560 МПа;. ζ
0,2
= 200 - 250 МПа; δ =50 %; ψ= 55 %, НВ =1400 – 1500 МПа.
4.4. Износостойкая высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г1ЗЛ
Устойчивость против износа достигается обычно получением высокой поверхностной твердости, поэтому используют высокоуглеродистые стали, подвергаемые закалке и низкому отпуску. Однако при работе с ударами из- за высокой хрупкости детали из таких сталей быстро разрушаются. Суще- ствует аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровож- даемого большим удельным давлением при низкой твердости (НВ 2000 –
2500 МПа), обладает высокой износостойкостью. Это сталь 110Г13Л, со- держащая 0,9 – 1,3 % С, 11,5 – 14,5 % Мn (получена немецким ученым
Гадфильдом в 1862 г.). Сталь применяют в литом (буква Л в обозначении) реже – в горячедеформированном виде. Структура стали после литья со-
62 стоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мn)
3
С, выделяющихся по границам зерен (рис. 3.10, а), что снижает прочность и вязкость стали.
а
б
Рис. 3.10. Микроструктура стали 110Г13Л : а – после литья (аустенит и карбиды по границам зерен); б – после закалки от 1100 °С (аустенит)
Для повышения прочности и пластичности литые изделия подвергают закалке, состоящей в нагреве до температуры 1050–1100 °С с последующим охлаждением в воде. При таком высокотемпературном нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру (рис. 3.10, б). Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими механическими характеристиками (вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности: ζ
b
= 800 – 900 МПа;. ζ
0,2
= 340 – 350
МПа; δ = 25 – 15 %; ψ= 30 – 20 %, НВ =1800 – 2200 МПа). Пластические свойства стали ухудшаются при нагреве выше 200–300 °С вследствие вы- деления карбидов. При низкой твердости сталь Гадфильда обладает не- обычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и удара- ми. Это объясняется повышенной способностью к наклепу (рис. 3.11), значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью.
Рис. 3.11. Влияние наклепа на твердость
Высокая упрочняемость стали Гадфильда является результатом накле- па (искажение кристаллической решетки, дробление блоков мозаики). При равной степени деформации блоки мозаики в стали Гадфильда дробятся в большей степени, чем в других, в том числе и аустенитных сталях. Чем обу-
63 словлены такие специфические свойства марганцовистого аустенита, точно не установлено. Высокая вязкость аустенита, наряду с достаточной прочно- стью и износоустойчивостью, делает сталь 110Г13Л незаменимым материа- лом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали изго- тавливают зубья черпаков экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие, где трение сопро- вождается ударами и большими давлениями. При абразивном износе, когда наклеп отсутствует, сталь Гадфильда не имеет существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями той же твердости.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Легирующие элементы, не влияя на кинетику мартенситного превраще- ния, оказывают влияние на положение температурного интервала мартенсит- ного превращения, что отражается на количестве остаточного аустенита, ко- торое фиксируется в закаленной стали. Некоторые элементы повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита (Аl,
Со), другие не влияют на нее (Si), но большинство снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита (рис. 3.4).
Из диаграммы видно,
например, что 5% Мn снижает мартенситную точку до 0 °С, следовательно, при таком (или большем) содержании этого легирую- щего элемента охлаждением можно зафиксировать аустенитное состояние.
а
б
Рис. 3.4. Влияние легирующих эле- ментов на темпе- ратуру мартенсит- ного превращения
(а) и количество остаточного аусте- нита (б) сталей, содержащих 1 % С
2.5.3. Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита
Влияние легирующих элементов на рост зерна аустенита является прямым следствием различной устойчивости карбидов этих элементов.
Избыточные карбиды, не растворенные в аустените, препятствуют росту аустенитного зерна. В связи с этим Cr, Mo, W, V, Ti сильно измельчают зерно; Ni, Co, Si, Cu (элементы, не образующие карбидов) слабо влияют на рост зерна; Mn, B способствуют росту зерна.
2.5.4. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске
Легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита. Некото- рые элементы, такие как Ni или Mn, влияют незначительно, тогда как боль-
56 шинство (Cr, Mo, Si и др.) – весьма заметно. Для получения одинаковых ре- зультатов сталь, легированную такими элементами, как Cr, Mo, Si и др., нуж- но нагревать при отпуске до более высокой температуры или увеличивать продолжительность отпуска, по сравнению с углеродистой сталью.
3. КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
Легированные стали могут быть классифицированы по четырем при- знакам: по равновесной структуре (после отжига), по структуре после ох- лаждения на воздухе (после нормализации), по составу и по назначению.
3.1. Классификация по равновесной структуре
1. Доэвтектоидные стали, имеющие в структуре избыточный феррит.
2. Эвтектоидные стали, имеющие перлитную структуру.
3. Заэвтектоидные стали, имеющие в структуре перлит и избыточные
(вторичные) карбиды.
4. Ледебуритные стали, имеющие в структуре первичные карбиды, выделившиеся из жидкой фазы. В литом виде избыточные карбиды совме- стно с аустенитом образуют эвтектику – ледебурит, который при ковке или прокатке разбивается на обособленные карбиды и аустенит.
5. Ферритные стали, содержащие много ферритостабилизаторов.
6. Аустенитные стали,
содержащие много аустенитостабилизаторов.
Большинство легирующих элементов сдвигают точки S и Е (в сторону меньшего содержания углерода, поэтому граница между доэвтектоидными и заэвтектоидными сталями, заэвтектоидными и ледебуритными в легирован- ных сталях лежит при меньшем содержании углерода, чем в углеродистых.
3.2. Классификация по структуре после охлаждения на воздухе
Исходя из структуры, получаемой после охлаждения на спокойном воздухе образцов небольшой толщины, можно выделить три основных класса сталей: 1) перлитный; 2) мартенситный; 3) аустенитный.
Стали перлитного класса характеризуются относительно малым содержа- нием легирующих элементов, мартенситного – более значительным и, нако- нец, аустенитного – высоким содержанием легирующих элементов. Получе- ние этих классов стали обусловлено тем, что по мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в перлитной области воз- растает, а температурная область мартенситного превращения понижается.
На рис. 3.5 приведены схемы диаграмм изотермического распада ау- стенита для сталей трех классов: а) перлитный, б) мартенситный, в) аусте- нитный. Для легированных сталей перлитного класса кривая скорости охла- ждения на воздухе будет пересекать область перлитного распада, и будут
57 получаться структуры – перлит, сорбит, троостит (рис. 3.5, а). У сталей мар- тенситного класса область перлитного распада сдвинута вправо. Поэто- му аустенит здесь переохлаждается без распада до температур мартенсит- ного превращения (рис. 3.5, б). Если мартенситное превращение протекает в области отрицательных температур, то сталь, охлажденная до комнатной температуры, сохраняет аустенитное состояние (рис. 3.5, в).
а
б
в
Рис. 3.5. Диаграмма изотермического распада аустенита: а – перлитный класс;
б – мартенситный класс; в – аустенитный класс
3.3. Классификация по составу
В зависимости от состава легированные стали классифицируются как никелевые, хромистые, хромоникелевые и т. п. Классификационный при- знак – наличие в стали тех или иных легирующих элементов.
3.4. Классификация по назначению
По назначению стали классифицируются следующим образом:
–
конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Конст- рукционные стали подразделяются на цементуемые (подвергаемые цементации), улучшаемые (подвергаемые закалке и высокому отпуску), высокопрочные, пру- жинные, шарикоподшипниковые, строительные, мартенситностареющие;
–
инструментальные стали, идущие на изготовление режущего, изме- рительного, штампового и прочего инструмента;
–
стали и сплавы с особыми свойствами. К ним относятся стали, обла- дающие каким-нибудь резко выраженным свойством: нержавеющие, жа- ропрочные и теплоустойчивые, износоустойчивые и т. д.
3.5. Маркировка легированных сталей
В соответствии с ГОСТами принята определенная система для обозначе- ния марок сталей. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: А – азот; Б – ниобий; В – вольфрам; Г – марганец; Д – медь; К – кобальт; М – мо- либден; Н – никель; П – фосфор; Р – бор; С – кремний; Т – титан; Ф – ванадий;
X – хром; Ц – цирконий; Ч – редкоземельные металлы; Ю – алюминий.
58
Первые цифры в обозначениях показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры, идущие после буквы, указывают на пример- ное содержание данного легирующего элемента в целых процентах (при со- держании элемента менее или около 1 %цифра отсутствует). Для того, чтобы показать, что в стали ограничено содержание серы ифосфора (S < 0,03 %; Р <
0,03 %), а также, что соблюдены все условия металлургического производства высококачественной стали, в конце обозначения марки ставится буква А.
Например, сталь 20ХНЗА в среднем содержат 0,20 % С, 1 % Cr; 3 %
Ni. Буква А означает, что сталь высококачественная. В инструментальных сталях одна цифра в начале марки указывает на содержание углерода в де- сятых долях процента. При содержании в сталях 1 % С или более началь- ную цифру опускают. Например,
в стали ХВГ содержится более 1% С, 1
% Cr,1 % Mn и 1 % W. В обозначении некоторых групп сталей допускают- ся отступления от ГОСТов. Например, сталь ШХ15 – шарикоподшипнико- вая, в которой цифра 15 показывает содержание основного легирующего элемента Cr – 1,5 %. В этой стали 1 % С, а также имеется Мn и Si. Сталь
PI8 – быстрорежущая, в которой цифра 18 показывает среднее содержание
W – 18 %.В этой стали 0,7 - 0,8 % С, 4 % Cr, а также имеется Мо и V.
4. ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ, СВОЙСТВ И УСЛОВИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ НЕКОТОРЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ
4.1. Сталь 40Х
Сталь 40Х – конструкционная улучшаемая машиностроительная сталь, легированная хромом. Введение хрома способствует уменьшению критической скорости закалки, и, следовательно, улучшению прокаливае- мости. Из-за большей прокаливаемости и меньшей критической скорости закалки замена углеродистой стали легированной позволяет производить закалку деталей в менее резких охладителях (масле, воздухе), что умень- шает деформацию изделий и опасность образования трещин. При охлаж- дении в масле сталь 40Х позволяет получить сквозную прокаливаемость до диаметра 15 мм (сталь 40 – в воде до 10 мм). Применяется сталь 40Х для изготовления средненагруженных машиностроительных деталей не- больших сечений (валов, штоков, шатунов и т. п.). Химический состав ста- ли 40X: 0,36 – 0,44 % С; 0,5 – 0,8 % Mn, 0,8 – 1,1 % Сr. Термическая обра- ботка стали 40Х заключается в улучшении: закалка с температуры 860 °С с охлаждением в масле и высокий отпуск при температуре 500–600 °С с охла- ждением в воде, а для мелких деталей в масле. Сталь склонна к отпускной хрупкости II рода, устранение которой требует быстрого охлаждения с тем- пературы высокого отпуска. После отжига (в равновесном состоянии) сталь
59 имеет структуру, состоящую из феррита и перлита (рис. 3.6). В термически обработанной стали структура состоит из продукта распада мартенсита – сорбита. Улучшение обеспечивает высокий комплекс механических свойств:
ζ
b
= 1000 МПа;. ζ
0,2
= 800 МПа; δ =10 %; ψ= 45 %, KCU=0,6 МДж/м
2
4.2. Шарикоподшипниковая сталь ШXI5
Шарикоподшипниковая сталь служит для изготовления деталей подшип- ников качения (колец, роликов, шариков), которые испытывают большое ко- личество циклов высоких контактных напряжений, а вследствие проскальзы- вания происходит их значительное местное истирание. Поэтому к стали для изготовления подшипников предъявляются требования максимального со- противления контактной усталости и истиранию. Эти требования удовлетво- ряются, когда сталь обладает высокой твердостью и малым количеством ме- таллургических дефектов. По химическому составу и структуре сталь ШХ15 относится к классу инструментальных сталей. Она содержит: 0,95 – 1,05 % С;
1,3 – 1,65 % Cr; 0,20 – 0,40 % Мn; 0,17 – 0,37 % Si. Количество хрома и дру- гих легирующих элементов в стали определяется необходимой прокаливае- мостью. Из стали ШХ15 могут быть изготовлены шарики диаметром 25 мм и ролики диаметром 15–30 мм. Термическая обработка стали заключается в неполной закалке (так как по структуре в равновесном состоянии сталь – за- эвтектоидная) в масле с температуры 830–840 °С и последующем низком от- пуске при 50–180 °С в течение 1–2 ч, что обеспечивает получение твердо- сти не ниже 62 HRC. Структура после термической обработки представляет собой отпущенный мелкоигольчатый мартенсит с равномер- но распределенными мелкими избыточными карбидами хрома (рис. 3.7).
Рис. 3.6. Структура стали 40Х в ото- жженном состоянии
Рис.3.7. Структура стали ШХ15 после за- калки и отпуска
Несоблюдение оптимальных режимов термической обработки ухуд- шает качество подшипников, что отражается на их стойкости в работе.
Так, небольшой перегрев при закалке ведет к укрупнению игл мартенсита,
60 что приводит к охрупчиванию стали. Завышение t отп приводит к снижению твердости и уменьшению сопротивления износу деталей подшипников.
4.3. Хромоникелевая нержавеющая сталь I2XI8H10T
Поверхностное разрушение металла под воздействием внешней среды называется коррозией. Технически чистое железо, углеродистые нелегиро- ванные и низколегированные стали неустойчивы против коррозии в атмо- сфере, в воде и других средах окисляющего действия. Некоторые элементы повышают устойчивость стали против коррозии. При введении таких эле- ментов в сталь происходит не постепенное, а скачкообразное повышение коррозионной стойкости. Сплавы, содержащие меньше 13 % Cr,подверже- ны коррозии. Введение в сталь 13 % Сr делает ее коррозионностойкой в ат- мосфере и во многих других промышленных средах. Сплавы, содержащие более 13 % Cr,ведут себя как благородные металлы: обладая положительным электрохимическим потенциалом (рис. 3.8), они не ржавеют и не окисляются на воздухе, в воде, в ряде кислот, солей и щелочей.
Введение достаточного количества никеля в сталь, содержащую 18 %
Cr, переводит ее в аустенитное состояние во всем диапазоне температур, что обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, а также делает сталь более коррозионностойкой. Нержавею- щие стали с 18 % Сr и 9 – 10 % Ni получили наиболее широкое распро- странение в машиностроении, в изделиях широкого потребления.
Химический состав стали 12Х8H10T: 0,12 % С; 1 – 2 % Мn, 17 – 19 % Сr;
8 – 10 % Ni, 1 % Ti. В литых хромоникелевых нержавеющих сталях мо- гутобразовываться специальные карбиды, преимущественно типа М
23
С
6
, снижающие их пластичность и коррозионную стойкость.
При дополнительном легировании этих сталей титаном и ниобием по- следние могут образовывать специальный карбид типа МС. Чем больше будет отношение содержания титана и ниобия к углероду, тем больше бу- дет образовываться карбида типа TiС и меньше карбида типа Cr
23
С
6
Термическая обработка нержавеющих сталей аустенитного класса служит для устранения выделившихся карбидов и заключается в закалке в воде с тем- пературы 1050–1100 °С. Нагрев до этих температур вызывает растворение карбидов хрома (Сг
23
С
6
), а последующее быстрое охлаждение фиксирует со- стояние пересыщенного твердого раствора (аустенит). Медленное охлаждение или последующий отпуск недопустимы, т. к. при этом возможно вновь выде- ление карбидов. Это приводит к охрупчиванию стали и появлению очень опасного особого вида коррозионного разрушения по границам зерен, назван-
61 ного межкристаллитной (интеркристаллитной) коррозией, так как выделение карбидов хрома Сг
23
С
6
в пограничных зонах приводит к обеднению этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 13 %), который обеспечивает корро- зионную стойкость. Поэтому при воздействии агрессивных сред происходит глубокое коррозионное разрушение стали по границам аустенитных зерен.
Рис. 3.8. Потенциал железохроми- стых сплавов
Рис. 3.9. Структура аустенитной нержавеющей стали 12XI8H10T
Склонность к интеркристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей можно устранить уменьшением содержания углерода и введением эле- ментов-стабилизаторов – титана или ниобия. Более химически активные, чем хром, титан и ниобий, забирая на себя углерод, препятствуют образованию хромистых карбидов и обеднению ими приграничных зон, а следовательно, и появлению интеркристаллитной коррозии. В структуре стали 12XI8H10T по- сле закалки будет только аустенит (рис. 3.9), что обеспечивает наиболее высо- кие механические и коррозионностойкие свойства. При закалке могут проис- ходить рекристаллизационные процессы, устраняющие последствия предшествующего пластического деформирования. Механические свойства нержавеющей аустенитной стали 12XI8H10T в закаленном состоянии: ζ
b
= 520
- 560 МПа;. ζ
0,2
= 200 - 250 МПа; δ =50 %; ψ= 55 %, НВ =1400 – 1500 МПа.
4.4. Износостойкая высокомарганцовистая аустенитная сталь 110Г1ЗЛ
Устойчивость против износа достигается обычно получением высокой поверхностной твердости, поэтому используют высокоуглеродистые стали, подвергаемые закалке и низкому отпуску. Однако при работе с ударами из- за высокой хрупкости детали из таких сталей быстро разрушаются. Суще- ствует аустенитная сталь, которая в условиях обычного трения, сопровож- даемого большим удельным давлением при низкой твердости (НВ 2000 –
2500 МПа), обладает высокой износостойкостью. Это сталь 110Г13Л, со- держащая 0,9 – 1,3 % С, 11,5 – 14,5 % Мn (получена немецким ученым
Гадфильдом в 1862 г.). Сталь применяют в литом (буква Л в обозначении) реже – в горячедеформированном виде. Структура стали после литья со-
62 стоит из аустенита и избыточных карбидов (Fe, Мn)
3
С, выделяющихся по границам зерен (рис. 3.10, а), что снижает прочность и вязкость стали.
а
б
Рис. 3.10. Микроструктура стали 110Г13Л : а – после литья (аустенит и карбиды по границам зерен); б – после закалки от 1100 °С (аустенит)
Для повышения прочности и пластичности литые изделия подвергают закалке, состоящей в нагреве до температуры 1050–1100 °С с последующим охлаждением в воде. При таком высокотемпературном нагреве растворяются карбиды, и сталь после закалки приобретает более устойчивую аустенитную структуру (рис. 3.10, б). Сталь обладает типичными для аустенитных сталей высокими механическими характеристиками (вязкостью и пластичностью при достаточно хорошей прочности: ζ
b
= 800 – 900 МПа;. ζ
0,2
= 340 – 350
МПа; δ = 25 – 15 %; ψ= 30 – 20 %, НВ =1800 – 2200 МПа). Пластические свойства стали ухудшаются при нагреве выше 200–300 °С вследствие вы- деления карбидов. При низкой твердости сталь Гадфильда обладает не- обычайно высокой износоустойчивостью при трении с давлением и удара- ми. Это объясняется повышенной способностью к наклепу (рис. 3.11), значительно большей, чем у обычных сталей с такой же твердостью.
Рис. 3.11. Влияние наклепа на твердость
Высокая упрочняемость стали Гадфильда является результатом накле- па (искажение кристаллической решетки, дробление блоков мозаики). При равной степени деформации блоки мозаики в стали Гадфильда дробятся в большей степени, чем в других, в том числе и аустенитных сталях. Чем обу-
63 словлены такие специфические свойства марганцовистого аустенита, точно не установлено. Высокая вязкость аустенита, наряду с достаточной прочно- стью и износоустойчивостью, делает сталь 110Г13Л незаменимым материа- лом для деталей, работающих на износ и удар одновременно. Из стали изго- тавливают зубья черпаков экскаваторов, траки гусениц тракторов, трамвайные крестовины, детали камнедробилок и другие, где трение сопро- вождается ударами и большими давлениями. При абразивном износе, когда наклеп отсутствует, сталь Гадфильда не имеет существенных преимуществ в отношении износоустойчивости перед другими сталями той же твердости.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
4.5. Быстрорежущая инструментальная сталь PI8
Основным требованием, предъявляемым к стали для режущего инст- румента, является сохранение режущей кромки в течение длительного времени. Чтобы эта полоска металла была устойчивой против истирания, она должна иметь высокую твердость, как правило, выше 60HRC. На отде- ление стружки от обрабатываемой детали при резании затрачивается опре- деленная механическая работа, которая в процессе резания превращается в тепло. Это тепло нагревает кромки режущего инструмента свыше 600 °С и может приводить к снижению их твердости и быстрому затуплению.
В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой красностойкостью, то есть способностью сохранять мартенситную структуру и, соответственно, высокую твердость, прочность и износостойкость, и, следовательно, высокие режущие свойства при по- вышенных температурах (до 600–620 °С). Применение их позволяет значи- тельно повышать скорость резания (в 2 – 4 раза) и стойкость инструментов
(в 10 – 30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими красностойко- стью. Так, твердость закаленной углеродистой стали начинает быстро па- дать после нагрева до 200 °С (вследствие распада мартенсита).
Высокая красностойкость быстрорежущих сталей обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидо- образующими элементами (Mo, V), а также кобальтом. Быстрорежущие стали обозначаются буквой Р, цифра, после которой указывает содержание
W – основного легирующего элемента, в процентах (ГОСТ 19265–73).
Химический состав наиболее распространенной стали P18: 0,7 – 0,8 % С;
3,8 – 4,4 % Сr; 17,0 – 18,5 % W, ≤1,0 % Мо; 1,0 – 1,4 % V. Из-за высокого со- держания карбидообразующих элементов быстрорежущие стали, содержа- щие 0,7 – 0,8 % С по структуре после отжига относятся к ледебуритному классу. В литом виде имеют хрупкую ледебуритную эвтектику. Ее устраня-
64 ют путем измельчения первичных карбидов горячей деформацией (ковкой), что возможно, так как в ледебурите литой быстрорежущей стали углерода значительно меньше, чем в чугунах. Для снижения твердости (до 2070 –
2550 НВ) деформированную сталь перед механической обработкой под- вергают изотермическому отжигу. Общее количество карбидов в стали со- ставляет примерно 28 %. Основным карбидом в стали PI8 является слож- ный карбид вольфрама переменного состава Fe
3
W
3
C (М
6
С), который растворяет в себе часть ванадия и хрома. В карбидах находится 80 – 95 %
W и V и около половины хрома. Остальная часть легирующих элементов растворена в феррите. Высокие режущие свойства инструмент из быстро- режущей стали приобретает после закалки и трехкратного отпуска (рис.
3.12). Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перли- та, вторичных и более крупных первичных карбидов (рис. 3.13).
Рис.
3.12.
Схема терми- ческой обра- ботки быстро- режущей стали (без об- работки холо- дом)
Рис. 3.14. Микроструктура стали PI8 после закал- ки
(нетравящийся высоколегированный мартен- сит, первичные карбиды и остаточный аустенит)
Рис. 3.13. Микроструктура быстро- режущей стали (ковано-отожженная)
Из-за низкой теплопроводности быстрорежущие стали при закалке на- гревают медленно с прогревами при 450 °С и 850 °С. Особенность закалки быстрорежущих сталей – высокая температура нагрева, которая необхо- дима для обеспечения красностойкости за счет получения после закалки
65 высоколегированного мартенсита в результате перехода в аустенит макси- мального количества вторичных специальных карбидов. Высокая темпера- тура закалки (около 1300 °С) не вызывает перегрева – роста зерна из-за его торможения включениями первичных карбидов, не растворяющимися в ау- стените, и высокой скорости нагрева в расплаве солей в соляных ваннах, дополнительно уменьшающего окисление и обезуглероживание. После за- калки сталь не обладает максимальной твердостью (не выше 60 НRС), так как в структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов, содержится 30 –
40 %остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением точки М
к ниже 0 о
С из-за высокого содержания растворенных в нем леги- рующих элементов и углерода (рис. 3.14).
Рис. 3.15. Схема термической обработки быст- рорежущей стали (с обработкой холодом)
Рис. 3.16. Микроструктура быстрорежу- щей стали PI8 после закалки и отпуска
Чтобы полностью превратить снижающий режущие свойства инструмен- та остаточный аустенит в мартенсит, после закалки проводится отпуск при температуре 560 °С. В процессе выдержки при отпуске (1 ч) из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные вторичные карбиды М
6
С. Этот процесс протекает наиболее интенсивно при 560 °С в течение первого часа, а затем замедляется. У аустенита, обедненного углеродом и легирующими эле- ментами, повышаются точки М
н и при охлаждении ниже М
н
, происходит мар- тенситное превращение. Однократный отпуск не обеспечивает превращения всего А
ост
. Применяют трехкратный отпуск с выдержкой 1 ч и охлаждением на воздухе. Применение после закалки обработки холодом сокращает цикл
ТО (рис. 3.15). После окончательной термической обработки быстрорежущая сталь имеет структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов (рис.
3.16) и твердость HRC 64 – 65. В результате сложной ТО быстрорежущая сталь приобретает высокую твердость и красностойкость.
66
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1. Изучить влияние легирующих элементов на структуру и свойства легированных сталей.
5.2. Рассмотреть классификацию легированных сталей.
5.3. Изучить и зарисовать микроструктуры легированных сталей.
5.4. Вписать химсостав каждой стали и объяснить принцип маркировки.
5.5. Определить, к какому классу по структуре и назначению принад- лежат заданные стали, для каких изделий применяются, какими свойства- ми должны обладать.
5.6. Выписать типичные режимы термической обработки для каждой стали и получаемые значения механических свойств.
5.7. Рассмотреть особенности термической обработки каждой стали.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет по лабораторной работе должен содержать следующий материал:
6.1. Наименование и цель работы.
6.2. Микроструктуры легированных сталей с обозначениями струк- турных составляющих.
6.3. Химический состав изучаемых легированных сталей.
6.4. Режимы термической обработки изучаемых легированных сталей.
6.5. Механические свойства изучаемых легированных сталей.
6.6. Описание возможных областей применения изученных сталей.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П.4
Химический состав, структура, механические свойства и типичные режимы тер-
мической обработки изучаемых сталей
Марка стали
40Х
ШХ15 12XI8HI0T
110Г13Л
PI8
Хи м
ич ес ки й с ос та в
С
Cr
Mn
Si
Ni
Ti
W
Mo
V прочие
Типичные режимы ТО
Микроструктура после ТО
Меха ни че ск ие сво йс тва
ζ
b
, МПа
ζ
Т
, MПa
HB, MПa
KCU, МДж/м
2
HRC
δ, %
ψ, %.
67
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить макроструктуры цветных сплавов на основе Al, Cu и Ti.
1.2. Установить связь между структурой и свойствами изучаемых сплавов.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
2.1. Ознакомление с методическими указаниями к лабораторной рабо- те и поставленной задачей.
2.2. Проведение металлографических исследований.
2.3. Изучение свойств исследуемых цветных сплавов.
2.4. Установление зависимости между структурой и свойствами.
3. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Все металлы могут быть разделены на две большие группы:
Черные металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую плот- ность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным ме- таллом этой группы является Fe. К этой же группе относят Co, Ni, Mn, а также тугоплавкие металлы, урановые металлы, редкоземельные и щелоч- ноземельные металлы. Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Они обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления.
Цветные металлы подразделяются на следующие группы:
1. Легкие металлы – Be, Mg, Al, обладающие малой плотностью.
2. Легкоплавкие металлы – Zn, Sn, Pb, Cd, Bi и др.
3. Благородные металлы – Ag, Au, металлы платиновой группы. К ним же относитсяполублагородная Cu. Обладают высокой устойчивостью про- тив коррозии. В данной работе рассматриваются важнейшие технические материалы на базе цветных металлов – это сплавы на основе Al, Cu и Ti.
3.1. Алюминий и его сплавы
Алюминий – легкий металл с плотностью 2700 кг/м
3
. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 660 °С. Алюминий хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная плен- ка Al
2
O
3
предохраняет его от коррозии. Механические свойства отожженно- го алюминия технической чистоты (АДМ): ζ
b
= 80 МПа; ζ
Т
= 30 МПа; δ = 35
%. Технический алюминий (АД и АД1) не применяется как конструкцион- ный материал из-за низкой прочности. Однако высокая пластичность, кор- розионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве
68 проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хране- ния продуктов питания. Чистый алюминий имеет низкие механические свойства, плохую обрабатываемость резанием, неудовлетворительные ли- тейные качества (большую усадку затвердевания при кристаллизации – до
6 %). В связи с этим большое применение находят сплавы на основе алю- миния, в которых добавление различных элементов позволяет при сохра- нении достоинств алюминия получить другие более высокие свойства.
Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: при- меняемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел на- сыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рис. 4.1.).
Рис. 4.1. Классификация алю- миниевых сплавов по диа- грамме состояния и техноло- гическим свойствам:
1
– деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой; 2
–
деформируе- мые сплавы, упрочняемые термической обработкой.
Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния показывает, что сплавы с содержанием легирующего компонен- та меньше предела растворимости обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью при высокой температуре, следовательно, хоро- шо подвергаются горячей обработке давлением. Наилучшую жидкотеку- честь, меньшую пластичность и большую прочность имеют сплавы, содер- жащие эвтектику. Такие сплавы используются как литейные. Содержание эвтектики в литейных сплавах не должно превышать 15 - 20 %по объему из- за ухудшения механических и некоторых технологических свойств. Дефор- мируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термиче- ской обработкой. Границей между этими сплавами является предел насыще- ния твердого раствора при комнатной температуре.
69
К деформируемым, не упрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и магнием (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высо- кой коррозионной стойкостью. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мn и Мg в Al или за счет наклепа при деформировании.Поставляются в виде листового проката, а также прессо- ванного материала. К деформируемым, упрочняемым термической обработ- кой, относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и другие. Ти- пичные представители сплавов – дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относят- ся к сплавам системы Аl-Сu-Мg, в которые дополнительно вводят марганец, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий механические свой- ства. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений, вызывающих старение, таких как СuАl
2
, Mg
2
Si, Al
2
CuMg, Аl
12
Мn
2
Сu и др.
Структура дуралюмина в отожженном состоянии состоит из твердого рас- твора ивторичных включений указанных интерметаллических соединений.
Термическая обработка этих сплавов заключается в закалке с 500 °С в воде с последующим естественным (в течение 5 - 7 дней) или искусствен- ным старением, которым предшествует 2 - 3 часовой инкубационный пе- риод. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность.
Так как коррозионная стойкость дуралюмина невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым Al. Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 600 МПа при отно- сительном удлинении до 12 %. В настоящей работе более подробно изучают- ся литейные алюминиевые сплавы с большим содержанием Si – силумины.
Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестъю, сравнительно неболь- шой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористо- сти в сочетании с хорошими механическими свойствами (особенно после мо- дифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным темпера- турным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13 % Si (рис. 4.2).
Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом.
Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (α+Si) и первичных кристаллов Si (рис. 4.3 а). При кристаллизации эвтектики, Si вы- деляется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Такой сплав обладает низкими механи-