Влияние основных легирующих элементов на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей

Влияние основных легирующих элементов на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей

Реферат

Ключевые слова: сталь, свойства, примеси, структура, легирующие элементы, твердость, зерно.

Цель работы - проанализировать влияние основных легирующих элементов на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей.

Объектом исследования является микроструктура сталей с содержанием в них специально вводимых основных легирующих элементов.

Метод исследования и аппаратура - макроструктурный метод − определение твердости материала по методу Бринелля и методу Виккерса, твердомер, микроскоп.

Степень внедрения - внедрение в учебный процесс.

Область применения - научно - исследовательская лаборатория.

Содержание

Реферат

Введение

. Литературный обзор

.1 Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей

.1.1 Влияние углерода

.1.2 Влияние примесей

.1.3 Классификация сталей

.1.4 Дефекты легированных сталей

.2 Цементуемые стали

.3 Улучшаемые стали

.4 Высокопрочные стали

.5 Пружинно-рессорные стали

.6 Шарикоподшипниковые стали

.7 Износостойкие стали

.8 Строительные стали

.9 Автоматные стали

2. Методика эксперимента

2.1 Отжиг I рода

.2 Отжиг II рода

.3 Закалка

.4 Отпуск

.5 Термическая обработка сплава 30ХГСА

.6 Измерение твёрдости

.6.1 Метод Роквелла

.6.2 Порядок выполнения измерения

. Результаты эксперимента и их обсуждение

.1 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

.2 Свойства и применение легированных сталей

.3 Влияние основных легирующих элементов на свойства стали

.4 Влияние легирующих элементов на рост зерна стали

.5 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

На сегодняшний день в производстве часто используют стали, обеспечивающие значительную конструктивную прочность, а также сплавы, которые могут оставаться прочными при значительно повышенных температурах, и температурах, близких к абсолютному нулю, обладающих высокой стойкостью к коррозии в агрессивных для этих сплавов средах.

Конструкторы, выбирающие металл или сплав для детали (конструкции) придают значение не только одному или двум критериям, характеризующим свойства металла, но и его конструктивную прочность.

Конструктивной прочностью материала называют комплекс прочностных свойств, которые находятся в большой корреляции со основными свойствами данной детали или конструкции.

Прочностные и пластические свойства определяются по ГОСТам на образцах и имеют огромное значение, но при этом очень часто не могут характеризовать прочность материалов в подлинных условиях использования деталей и сооружений. Происходит это из-за значительного различия между обстоятельствами деформации образцов при механических испытаниях и реальными условиями эксплуатации деталей, конструкций и т.д.

Конструктивная прочность это комплексное понятие. По меньшей мере, следует учесть четыре критерия в условиях эксплуатации данной детали или конструкции:

-жесткость конструкции;

-прочность материала;

-надежность;

-долговечность материала.

Жесткость конструкции. Для большинства деталей или конструкций, испытывающих силовые напряжения, условиями, определяющими способность к работе, является местная или общая жесткость (устойчивость), определяемая формой конструкции, схемой напряжения и т. д., а также и свойствами металла или сплава. Показателем жесткости материала является модуль жесткости Е - структурно нечувствительная характеристика, зависимая только от самого материала.

Прочность - способность тела сопротивляться деформациям и разрушению. Прочность конструкционных материалов, используемых в технике, изменяется в очень широком диапазоне - от 100¸150 до 2500¸3500 МПа.

Прочность детали или конструкции определяют не только свойствами самих материалов, но и степенью технологии и обстоятельствами использования или работы этой конструкции. О прочности конструкции не судят только по итогам испытания образцов, так как они не могут отражать всего разнообразия воздействий, которым подвергается сплав в процессе производства деталей, также их последующей работы в конструкциях. Часто во многих областях промышленности (авиационной, ракетной, космической и т.д.), выбирая металл для какой либо детали или конструкции, огромное значение уделяют удельной прочности, под которой понимают отношение предела прочности или иной характеристики механических свойств к плотности (например, sв/g, sт/g, где g - плотность материала, г/см3). Из данных, приведенных в таблице 1, видно, что, алюминиевые сплавы, хотя и имеют меньшую абсолютную прочность, чем многие легированные стали, превосходят их по удельной прочности. Это означает, что при равной прочности, масса детали из алюминиевых сплавов меньше, чем масса детали из стали.

Таблица 1 − Удельная прочность некоторых конструкционных материалов

Материалsв, МПаg, г/см3sв/g*103г/смУглеродистая сталь450-11007,860-150Легированная сталь 30 ХГСА1100-14007,8150-190Высокопрочные стали1800-20007,8220-250Магниевые сплавы МА2, МА8220-2801,8120-150Алюминиевые сплавы Д16, В95420-6002,8160-210Титановые сплавы1200-14004,5260-400

Надежность это свойство деталей реализовывать свои функции, сохраняя при этом свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого времени или требуемой выработки. Надежность детали или целой конструкции - это ещё и способность этой детали функционировать вне заданных условиях, к примеру, выдерживать ударные нагрузки т.д. Основным показателем надежности является и запас вязкости металла или сплава, который зависит от состава, температуры, условий нагружения, работы, поглощаемой при распространении трещины. Главной характеристикой, определяющей надежность работы детали, является сопротивление материала хрупкому разрушению.

Долговечностью называют возможность детали или конструкции сохранять работоспособность до предельного состояния, при котором деталь выходит из строя. Долговечность изделия зависит от условий работы. В основном это проявляется в сопротивлении к износу при работе и контактной прочности. Кроме этого, долговечность детали зависит от предела выносливости, который зависит от состояния поверхности изделия и коррозионной стойкости металла или сплава [1].

Рассмотрим влияние легирующих элементов на свойства металлов и сплавов на примере конструкционного улучшаемого сплава 30ХГСА.

Начать рассказ о 30ХГСА следует с истории появления этой марки. Сплав был разработан коллективом советских ученых в ВИАМ (Всероссийский Институт Авиационных Материалов) в начале Великой Отечественной Войны. Главную роль в создании 30ХГСА сыграли И. И. Сидорин и Г.В. Акимов. Значение этого события трудно переоценить - ведь появление сплава было открытием в области создания металлов. Тем самым СССР обогнал конкурирующие США, как минимум, на несколько лет - у них в самолетостроении использовалась хромомолибденовая сталь, которая уступает стали 30ХГСА по многим характеристикам. Сейчас конструкционная сталь 30ХГСА применяется в различных областях (таких как машиностроение), изначально сплав 30ХГСА был создан для нужд авиации. В дальнейшем созданная нашими учеными конструкционная сталь 30ХГСА обеспечила преимущество советской авиации, и в определенной степени 30ХГСА способствовала победе в войне с Германией. В настоящее время 30ХГСА используется в мирных целях и испытывает неизменный интерес гражданских потребителей благодаря своим замечательным характеристикам. Сталь 30ХГСА имеет и другое, более благозвучное название - «хромансиль». Это тоже сокращение, образованное от названий легирующих эту сталь металлов (хром и Manganum - марганец, Silicium - кремний).

Если же говорить подробнее о легирующих элементах и о том, как они влияют на характеристики легированной стали, то касательно стали 30ХГСА можно упомянуть, что, например, хром повышает твердость и устойчивость 30ХГСА к коррозии, марганец также увеличивает твердость, и, кроме того, способствует устойчивости к ударным нагрузкам и износоустойчивости, а кремний повышает показатель ударной вязкости и температурный запас вязкости. Хромансиль 30ХГСА относится к классу так называемой конструкционной стали, а именно, к легированной конструкционной стали.

Конструкционная сталь применяется в различных областях машиностроения, а касательно легированной стали следует отметить, что она относится к специальным видам стали, так как превосходит обычную углеродистую сталь. Конструкционная сталь 30ХГСА применяется, например, в самолетостроении для создании деталей, которые предполагается использовать на ответственных участках, то есть там, где возможна высокая нагрузка и неблагоприятные условия: это крепежные детали, работающие при низких температурах, сварные конструкции, испытывающие знакопеременные нагрузки и так далее.

Помимо всего прочего, немаловажно и то обстоятельство, что конструкционная легированная сталь 30ХГСА представляет собой улучшаемую сталь, то есть 30ХГСА проходит улучшение - закалку и высокий отпуск при температуре 550-660 градусов Цельсия. Поэтому 30ХГСА используется в создании улучшаемых деталей. Помимо упомянутых выше авиационных деталей, в машиностроении это также лопатки компрессорных машин, эксплуатируемые при температуре до 400° С, различные валы, оси, различные корпуса обшивки и многое другое. В настоящее время 30ХГСА изготавливается в различных вариантах.

Химический состав сплава 30ХГСА - это кремний, марганец и хром, количеством примерно одного процента каждый. А содержание углерода в 30ХГСА равно ~ 0,30 процента, серы ≤ 0,025 %. В качестве примера можно привести химический состав сплава 30ХГСА для авиационных листов и труб - наличие углерода: 0,28-0,35%, хрома: 0,8 -1,10%, Марганца:0,8 -1,1%, кремния: 0,9 -1,2%.

Основные преимущества сплава 30ХГСА перед другими марками стали заключаются в высокой прочности, отличных показателях ударной вязкости, выносливости. Также 30ХГСА отличается хорошей свариваемостью. При всех своих примечательных свойствах сталь 30ХГСА стоит сравнительно недорого, так как не содержит дефицитных легирующих элементов.

.Литературный обзор

1.1Классификация и маркировка углеродистых и легированных сталей

Сплавы железа распространены в промышленности и производстве очень обширно. Основные из них это сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом. Несмотря на быстрое развитие производства и применения разных материалов, 92% используемых в мире конструкционных материалов составляют стали и чугуны. Для получения заданных свойств, в сталь и чугун вводят легирующие элементы. Стали должны обладать высокими технологическими свойствами: легко обрабатываться давлением, хорошо обрабатываться на металлорежущих станках и свариваться. Очень часто от них требуют высокой коррозионной стойкости и жаропрочности. Стали делят на углеродистые и легированные.

Углеродистая сталь - это важнейший материал для конструкций и деталей машин, который применяют в разных отраслях промышленности и производства. Углеродистые стали легче в производстве и существенно дешевле легированных. Свойства их определяются количеством углерода и содержанием находящихся в них примесей, которые взаимодействуют и с железом, и с углеродом [2].

.1.1Влияние углерода

Рисунок 1.1.1. Зависимость свойств горячекатаной углеродистой стали от содержания углерода

.1.2Влияние примесей

Сталь это сплав с большим количеством компонентов. Она содержит ряд обязательных или неминуемых примесей, таких как Mn, Si, S, P, O, N, H и др., оказывающих влияние на свойства данной стали. Присутствие таких примесей говорит о трудности удаления этих части из стали при выплавки (P, S) или переходом их в сталь в процессе её раскисления (Mn, Si), попаданием из шахты - легированного металлического лома (Cr, Ni и др.). Такие же примеси, но в больших количествах, присутствуют и в чугунах.

Влияния кремния и марганца на свойства стали. Кремний, содержащийся в углеродистой стали как примесь, обычно не превышает количества 0,35 - 0,4%, а марганец количества 0,5 - 0,8%. Кремний и марганец попадают в сталь в процессе её раскисления при производстве. Они раскисляют сталь, т. е. соединяются с кислородом закиси железа FeO, в виде окислов и переходят в шлак. Эти процессы раскисления, как правило, улучшают свойства стали. Кремний, дегазируя сплав, повышает плотность металла.

Кремний, который остался после раскисления в феррите, весьма увеличивает предел текучести. Это убавляет способность стали к вытяжке, и особенно холодной высадке. Из-за этого в стали, предназначенной для холодной штамповки и холодной высадке, содержание Si должно быть как можно наименьшим.

Марганец заметно поднимает прочность, практически не понижая пластичность и резко уменьшая красноломкость стали, т. е. хрупкость при высоких температурах, вызванную влиянием серы, что положительно влияет на работоспособность детали или конструкции произведённой из такой стали.

Влияние серы. Сера является негативной примесью в стали. С железом она образует химическое соединение FeS, которое не может раствориться в нём в твёрдом состоянии, но растворяется в жидком металле. Соединение FeS создаёт с железом легкоплавкую эвтектику с температурой плавления 9880С. Такая эвтектика может образоваться даже при малых содержаниях S. При повышении температуры до температур прокатки или ковки (1000 - 12000С) эвтектика расплавляется, нарушая связь между зёрнами металла, вследствие чего при деформации стали в местах расположения эвтектики возникают надрывы и трещины. Эти трещины весьма опасны, ведь в процессе работы деталь с примесью серы может разрушиться.

Присутствие в стали марганца, обладающего высоким сродством с серой, и образующего с ней тугоплавкое соединение MnS, практически исключает явление красноломкости. Содержание серы в сталях допускается не более 0,06 %.

Влияние фосфора. Фосфор - это негативная примесь, содержание его в стали допускается не более 0,025 - 0,045%. Фосфор растворяется в феррите и этим самым искривляет кристаллическую решётку и повышает пределы прочности и текучести, но уменьшает пластичность и вязкость. Понижение вязкости тем существеннее, чем больше в сплаве углерода. Фосфор значительно увеличивает порог хладноломкости стали или сплава и уменьшает работу развития трещины.

Вредное влияние фосфора усугубляется тем, что P обладает значительным стремлением к ликвации. По этой причине в промежуточных слоях слитка разные области сильно обогащаются P и характеризуются резко сниженной вязкостью. Нынешние методы производства сталей и сплавов не гарантируют полного очищения металла от P.

Влияние азота, кислорода и водорода. N и O находятся в стали в виде хрупких неметаллических включений, в виде твёрдого раствора. Также могут присутствовать в свободном виде, располагаясь в дефектных частях металла или сплава. Примеси внедрения (N, O), скапливаясь в объёмах по границам зёрен и образуя выделения нитридов и оксидов, повышают порог хладноломкости и как правило понижают сопротивление хрупкому разрушению.

Водород, растворяясь в стали, негативно сказывается на её свойствах, например, приводит к охрупчиванию. Впитанный, при выплавки стали H не только приводит к охрупчиванию стали, но и к образованию в катаных заготовках и крупных поковках флокенов. Флокены - это тонкие трещины овальной или округлой формы, имеющие в изломе вид пятен - хлопьев серебристого цвета. Флокены ухудшают свойства стали. Такой металл, имеющий флокены, ни в коем случае нельзя использовать в промышленности.

Специальные примеси. Такие примеси намеренно внедряют в сталь для приобретения заданных характеристик. Эти элементы называют легирующими, а стали - легированными [4].

Содержание легирующих элементов в сплавах может меняться в очень обширных границах. Сталь считается легированной Cr или Ni, если содержание этих элементов составляет 1 % или более. При содержании V, Mo, Ti, Nb и других элементов более 0,1 - 0,5 % стали считают легированными этими элементами. Сталь также является легированной, если в ней содержатся только элементы, характерные для углеродистой стали, например Mg или Si, а их количество должно превышать 1%. В конструкционных сталях легирование реализовывают с целью улучшения механических свойств - прочности, пластичности и т.д. Кроме всего прочего, при введении в сталь легирующих элементов меняются физические, химические и другие ее свойства.

К сожалению, легирующие элементы значительно поднимают стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются редкими металлами, поэтому добавление их в сталь должно быть строго обосновано.

На данный момент создано много классификаций, позволяющих систематизировать стали, что упрощает поиск стали нужной марки с учётом её свойств.

Стали разделяют по химическому составу, способу производства, по структуре в отожженном или нормализованном состоянии, по качеству, а так же по назначению [5].

.1.3Классификация сталей

По содержанию химических элементов стали делят на две большие группы, это группа углеродистых и группа легированных сталей. Легированные стали в зависимости от количества элементов легирования различают как 3-компонентные, содержащие кроме Fe и C один какой-либо легирующий элемент, 4-компонентные и т.д. Чаще применяемой является систематизация с указанием самих легирующих элементов, например, стали хромистые, стали хромоникелевые, стали хромоникельмолибденовые и т.д.

По степени легирования стали условно можно также разделить на низколегированные, содержащие в общем 2,5 - 5% легирующих элементов, среднелегированные - до 10% и высоколегированные - более10 %.

В зависимости от уровня раскисленности при производстве стали могут быть спокойными, полуспокойными, кипящими. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали при одном и том же количестве C имеют почти одинаковую прочность. Основное их отличие заключается в пластичности, обусловленной содержанием Si. Содержание Si в спокойной стали - 0,15 - 0,35%, в полуспокойной - 0,05 - 0,15%, а в кипящей < 0,05% [6].

В процессе уменьшения количества Si в феррите кипящих сталей, они становятся мягкими, из-за этого явления кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии. Но в результате большого содержания газов, особенно N, кипящие стали часто склонны к деформационному старению. Наряду с этим, большое содержание O в такой стали повышает порог хладноломкости, кипящие стали становятся хрупкими даже при -10°С, в то время как спокойные стали, которые содержат такое же количество углерода, могут эксплуатироваться даже при -40°С. Такие стали более склонны к зональной ликвации. Это довольно дешевые стали, но качество металла низкое, так что их используют только для изготовления неответственных деталей.

По структуре отожженного состояния стали можно разделить на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Легированные стали, кроме всего прочего, бывают ферритного, аустенитного и ледебуритного классов. К ферритному классу относят стали, в которых при небольшом содержании C имеется большое количество ферритообразующих легирующих элементов, таких как Cr. К ледебуритному классу относятся те стали, у которых большое содержание C и карбидообразующих элементов. В результате этого в их структура имеет первичные карбиды - это и есть легированный ледебурит.

По структуре после медленного охлаждения на воздухе легированные стали делятся на 3 основных класса: перлитный, мартенситный и аустенитный, эти классы изображены на рисунке 1.1.3. Легирующие элементы приумножают устойчивость аустенита в перлитной области и уменьшают температуру мартенситного превращения. Поэтому при одной и той же скорости охлаждения до комнатных температур, но при разном содержании легирующих элементов и C получаются неодинаковые структуры.

Рисунок 1.1.3. Диаграммы изотермического распада аустенита трех классов стали.

Содержание вредных примесей - S и P является главной составляющей классификации стали по качеству. Углеродистую сталь делят на сталь обыкновенного качества, сталь качественную конструкционную и сталь высококачественную. Углеродистые стали общего назначения (ГОСТ 380-71) содержат повышенное количество S - до 0,05%, а Р - до 0,04% - 0,07%.

Марки сталей обозначаются буквами и цифрами: буквы Cт означают "сталь" цифры от 0 до 6 - условный № марки, например: Cт0, Cт2...Cт6.

Сталь делят на 3 группы: A, Б и B, в марках указывают только группы Б и В, например Ст2кп - сталь 2, группы А, кипящая; БСт3кп - сталь 3, группы Б, кипящая) и т.д.

Химический состав стали под группой А не регламентируется, его только свидетельствуют в сертификатах металлургических заводов. Стали этой группы как правило заказчики применяют в состоянии поставки, поэтому их поставляют по механическим свойствам sв, sт, и d. С увеличением № стали, её прочность растет, а пластичность уменьшается.

Стали группы Б поставляют по химическому составу, так как эти стали в дальнейшем обычно подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения нужного заказчику комплекса механических свойств.

Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам - по нормам для сталей групп А и Б.

Углеродистая сталь обыкновенного качества - это, как правило, недорогая и распространённая сталь, часто удовлетворяющая запросам по механическим свойствам, предъявляемым к металлу или сплаву. Её производство составляет около 80% - 85% всего потребления углеродистых сталей.

Качественные стали. В качественных сталях наибольшее содержание негативных примесей, таких как S и P, составляет не более 0,04% каждого элемента. Качественная сталь минимально загрязнена неметаллическими внедрениями и обладает меньшим содержанием газов, растворённых в металле. В случае, когда количество C одинаково и в качественных, и в обыкновенных сталях, качественные стали имеют большую пластичность и вязкость. Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее количество C в сотых долях %, границы по C - 0,07 - 0,08% для одной марки стали. Степень раскисленности обозначается буквами - пс, кп (спокойные, качественные стали маркируют без индекса). Например, сталь 20кп (0,20% С, кипящая), сталь 35пс (0,35% С, полуспокойная), сталь 40 (0,40% С, спокойная) и т.д. Качественные углеродистые стали поставляют заказчику в разном состоянии: без Т. О., после нормализации, различной степени пластической деформации и т.д.

В сталях высокого качества стараются получить минимально возможное содержание S и P (S £0,035% и Р £ 0,035%). Но из-за того что при этом стоимость стали значительно повышается, конструкционные углеродистые стали не часто производят высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце марки стали ставят букву А. Легированные стали производят только качественными, но и так же не редко высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей в России принята система букв и цифр.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами: хром - Х, никель - Н, молибден - М, вольфрам - В, кобальт - К, титан - Т, азот - А, марганец - Г, медь - Д, ванадий - Ф, кремний - С, фосфор - П, алюминий - Ю, бор - Р, ниобий - Б, цирконий - Ц.

В марках конструкционных сплавов вначале стоят две цифры, обозначающие содержание C в сотых долях %. Количество легирующего элемента, содержащегося в стали, если оно превышает 1 %, ставится после соответствующей буквы в целых единицах. Например, сталь марки 35ХГСА содержит около 0,35% С; 1% Сг; 1% Мn; 1% Si. Высококачественными производят исключительно легированные стали и сплавы, такие сплавы содержат не более 0,015% S и 0,025% P. К ним предъявляют повышенные запросы и по содержанию других примесей, так как из таких сплавов изготавливают ответственные детали. [7].

По применению стали делятся на 3 основные группы: конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. В основу классификации первой и второй группы можно положить содержание C. Стали с содержанием углерода до 0,25%, используют как стали для производства котлов, для строительства и для изготовления деталей машин и конструкций, подвергаемых цементации. Не высокое количество C в котельных и строительных сталях объясняется тем, что детали и конструкции из таких сталей соединяют сваркой, а C плохо поддаётся свариваемости [8].

Для частей конструкций, испытывающих постоянные ударные нагрузки, используют стали и сплавы с содержанием углерода 0,36 - 0,50%. Такие стали или сплавы подвергают обработке температурой - закалке с последующим высокотемпературным отпуском.

Для изготовления пружин и рессор в машиностроительной отрасли применяют стали, с количеством углерода 0,50 - 0,70%. Такие стали тоже используют только после соответствующей термической обработки.

Из стали с 0,7 - 1,5% углерода производят ударный и режущий инструмент.

Углеродистые стали также маркируют У7, У8..., У13, где буква У обозначает углеродистую сталь, число показывает количество C в десятых долях %, например сталь У11 содержит 1,1% углерода. Такие стали не так часто производят высококачественными и тогда к их марке в конце добавляют букву А, например У10А или УЗА и т.д. Химический состав и механические свойства углеродистых инструментальных сталей приведены в ГОСТ 1435-74 [9].

У инструментальных легированных сталей количество C тоже обозначают в десятых долях %, к примеру, в стали 9ХС содержание углерода 0,9%; содержание хрома 1% и содержание кремния 1,4%. Если в стали содержание C больше 1%, то цифры не указывают - ХВГ, ХГ и т.д.

Стали и сплавы с особыми свойствами.

К сталям и сплавам с особыми свойствами относят коррозионностойкие и кислотоупорные; жаропрочные и жаростойкие стали и сплавы и стали с особыми магнитными свойствами.

.1.4 Дефекты легированных сталей

Наряду с дефектами, характерными для углеродистых сталей, в легированных сталях выражаются и характерные только для легированных сталей дефекты: дендритная ликвация, флокены и отпускная хрупкость II рода.

Дендритная ликвация. Наличие элементов легирования поднимает температурный интервал кристаллизации. Также и диффузионные процессы в легированных сталях протекают медленнее. В результате повышается стремление этих сталей к дендритной ликвации и полосчатости в структуре. Ликвидируется дендритная ликвация диффузионным отжигом.

Флокены. Как уже отмечалось флокены - газы, оказывающие различное влияние на свойства сталей, их присутствие нежелательно, так как свойства сталей ухудшаются. Например, возникают трещины, которые можно выявить при макротравлении. На изломах такие трещины имеют вид блестящих круглых или овальных пятен, являющихся их поверхностью. Определено, что эти трещины могут образовываться при быстром охлаждении металла или сплава от 200°С после ковки, а также прокатки, из-за присутствия в металле H. Этот водород растворяется в жидком металле при выплавке. Выделяясь из твёрдого раствора в стали в процессе деформирования, водород порождает сильные внутренние напряжения. Именно эти напряжения приводят к образованию флокенов. Флокены очень часто появляются в конструкционных сталях, которые содержат Cr и Ni. Для предотвращения образования флокенов, после горячей пластической деформации металл при температурах 210 - 260°С медленно охлаждают или подвергают выдержке при этих температурах. Это дает возможность водороду удалиться из стали не вызывая трещин [10].

1.2Цементуемые стали

Некоторые детали, такие как коленвалы, распредвалы в автомобильных двигателях, работают в условиях износа поверхности, а так же испытывают при этом динамические нагрузки. Эти детали приходится изготавливать из низкоуглеродистых сталей, содержащих углерод в количестве 0,10 - 0,30%, после подвергая их цементации.

Детали небольших размеров, применяемых в неответственных частях конструкций, применяют стали 10, 15, 20, а для деталей сложной формы, которые периодически сильно нагружаются, а так же крупных изделий, применяют низколегированные стали с малым содержанием C. Легирующими элементами в таких сталях, подвергаемых цементации являются Cr, Ni и др.

Детали с небольшим сечением и несложной формой, которые работают при повышенных удельных нагрузках (втулки, оси, кулачковые муфты, поршневые пальцы), производят из сталей легированных Cr количеством примерно 1%, например 15Х, 20Х. При содержании Cr до 1,5% в слое цементации возрастает количество углерода и образуется легированный цементит (Fе, Сг)3С, при этом углубляется эвтектоидный слой, а после обработки температурой возрастает и глубина закаленного слоя. Дополнительное легирование этих сталей V в размере 0,1 - 0,2%, например сталь 15ХФ, содействует приобретению более мелкого зерна, что увеличивает пластичность и вязкость.

Для производства цементуемых изделий средних размеров, испытывающих на себе при работе высокие удельные нагрузки, используют стали, в состав которых входит Ni, например, стали: 20ХН, 12ХНЗА. Немного уменьшая глубину слоя цементации, никель так же повышает глубину закаленного слоя, мешает росту зерна и образованию грубой цементитной сетки. Ni положительно воздействует и на свойства стали даже в сердцевине изделия. Из-за дефицитности Ni эти стали заменяют другими легированными сталями или заменяют Ni другими легирующими элементами, схожими с никелем. К сталям заменителям относятся хромомарганцевые стали с малым количеством титана, примерно 0,006-0,12 %, например, стали 18ХГТ, 30ХГТ. В стали, подвергаемые цементации, Ti добавляют только для измельчения зерна. При большем содержании титан уменьшает глубину закаленного слоя цементации, а так же уменьшает прокаливаемость.

Высоколегированные цементуемые стали, такие как 12Х2Н4, 18Х2Н4В, применяют для производства деталей больших сечений. Такие стали являются максимально высокопрочными по сравнению с другими цементуемыми сталями [11].

Для увеличения прочности цементуемых сталей их легируют бором, в количестве 0,002 - 0,005%, например 15ХР, 20ХГР и др. Сталь 20ХГНР в целях экономии Ni применяют вместо стали 12ХНЗА. Но следует учесть, что B, хотя и увеличивает прокаливаемость, но способствует росту зерна при нагреве. Для понижения чувствительности сталей к перегреву их дополнительно легируют титаном или цирконием. Часто детали, произведённые из высоколегированных цементуемых сталей, цементируют на небольшую глубину.

1.3Улучшаемые стали

Улучшаемые стали - это конструкционные стали с среднем содержанием углерода, в количестве 0,3 - 05%. Эти стали подвергают закалке и последующему высокотемпературному отпуску. После термической обработки стали получают структуру сорбита, которая хорошо воспринимает периодические ударные нагрузки. Углеродистые улучшаемые стали с содержанием углерода от 0,35 - 0,5%, обладают низкой прокаливаемостью, всего до 10 мм, из-за этого механические свойства с увеличением сечения детали снижаются. Для мелких деталей после термообработки получают механические свойства: sв от 600 до 700 МПа и КСU от 0,4 до 0,5 МДж/м2. Если от деталей, таких как валы, оси, шпиндели и др., требуют более высокой твердости поверхности, то после закалки проводят отпуск на твердость НRС 40 - 50. Для получения значительной твердости поверхности деталей, например шестерней, коленчатых валов, поршневых пальцев и т.д., используют закалку токами высокой частоты.

Для приобретения значительных механических свойств в деталях с сечениями больше 25 - 30 мм, используют легированные стали, обладающие большей прокаливаемостью, более мелким зерном, и меньшей критической скоростью закалки, отсюда, следовательно, меньшие закалочные напряжения и выше устойчивость против отпуска. Основное преимущество таких сталей перед углеродистыми конструкционными сталями это оптимальный комплекс механических свойств: выше прочность при сохранении вязкости и пластичности, а так же ниже порог хладноломкости. Большинство легированных конструкционных сталей причисляется к перлитному классу.

При производстве легированных сталей очень часто придают значение стоимости легирующих элементов и их дефицитность.

Основными легирующими элементами в конструкционных сталях является: Cr, содержание которого обычно составляет от 0,8 до 1,1%; Mn в сталях до 1,5%; Si от 0,9 до 1,2%; Mo от 0,15 до 0,45%; Ni от 1 до 4,5%. Общая сумма легирующих элементов не должна превышать 3 - 5%.

Выше перечисленные элементы, кроме Ni, увеличивают прочность стали, но понижают её пластичность и вязкость. Ni является исключением, он проявляет особенно положительное влияние на свойства стали, увеличивая её прочность, не понижая пластичность и вязкость. Также Ni снижает порог хладноломкости. Стали, которые содержат Ni, особенно ценны как конструкционный материал.

Наряду с названными элементами, в конструкционные стали для деталей машин или конструкций вводят около 0,1% ванадия, титана, ниобия и циркония. Эти элементы вводят для измельчения зерна. Введение бора в количестве 0,002 - 0,003% увеличивает прокаливаемость стали.

Улучшаемые стали условно делят на несколько групп. Часто используют стали, легированные хромом, особенно это стали под марками 40Х, 45Х. Для повышения прокаливаемости в эти сплавы нередко добавляют B, например сталь 40ХР. Увеличение прокаливаемости в деталях с сечением до 40 мм достигается также добавлением в хромистые стали около 1% марганца, например стали: 30ХГ, 40ХГ, 40ХГР и др. Для уменьшения склонности хромистых сталей к отпускной хрупкости II рода вводят 0,15 - 0,25% молибдена.

Хромомарганцевые стали, такие как 20ХГС, 25ХГС, 30ХГС, называемые хромансиль, легированы Cr, Si и Mn, они дешевле в производстве, так как не содержат дефицитных легирующих элементов. Эти стали имеют хорошую свариваемость и прочность, к примеру, сталь 30ХГС после термообработки имеет sв = 1650 МПа при КСU = 0,4 МДж/м2. Недостаток таких сталей - это склонность к отпускной хрупкости II рода и к обезуглероживанию поверхности при нагреве.

Чем больше размер детали, чем сложнее ее конфигурация и выше напряжения, возникающие в этом изделии в процессе работы, тем с большим количеством Ni применяют сталь для изготовления такой детали. Пример таких марок сталей: 40ХНМ, 30ХН2МФ, 38ХНЗМФ и т.д.

Такие элементы как Mo и W вводят в состав сталей также для уменьшения склонности этих сталей к отпускной хрупкости. На рисунке 1.3 приведена диаграмма, позволяющая найти нужную марку стали, в зависимости от заданных прочности и размеров сечения.

Рисунок 1.3. Диаграмма для выбора марок конструкционной стали в зависимости от заданной прочности и размера сечения детали: 1 - 30ХН3М; 2 - 30ХН3; 3 - 34ХМА; 4 - 33ХСА; 5 - 30Н3; 6 - 35ХА; 7 - 35СГ; 8 - сталь 30

1.4Высокопрочные стали

С каждым годом растет потребность в материалах, обладающих высокой прочностью и вместе с этим необходимыми пластичностью и вязкостью. В обычных конструкционных сталях предел прочности sв как правило, получают не более 1100-1200 МПа, так как при большей прочности сталь практически становится хрупкой.

Стали, в которых подбором химического состава и оптимальной термической обработки получают sв=1800¸2000 МПа, называют высокопрочными.

Стали 30ХГСНА, 40ХГСНЗВА, 30Х2ГСНЗВМ и т.п. после термической обработки на структуру нижнего бейнита (закалка и низкий отпуск или изотермическая закалка) приобретают высокую прочность-такая обработка сообщает сталям меньшую чувствительность к надрезам. Прочность sв=1600¸1850 МПа при »d15¸12 % и КСU=0,4¸0,2 МДж/м2.

Высокая прочность легированных конструкционных сталей может быть получена и за счет применения термомеханической обработки (ТМО). Так, сталь 30ХГСА, 40ХН, 40ХНМА, 38ХНЗМА после НТМО имеют временное сопротивление разрыву до 2800 МПа, относительное удлинение и ударная вязкость увеличиваются в 1,5-2 раза по сравнению с обычной термической обработкой. Объясняется это тем, что частичное выделение углерода из аустенита при деформации облегчает подвижность дислокаций внутри кристаллов мартенсита, что и способствует повышению пластичности (охрупчивание при закалке сталей объясняется именно малой подвижностью дислокаций в мартенсите при значительном содержании в нем углерода) [12].

Мартенситностареющие (Марэйджинг) стали. Эти стали сочетают высокие прочностные свойства с хорошей пластичностью и вязкостью. Достигается это легированием специальной термической обработкой. Их достоинства-высокая технологическая пластичность при обработке давлением в широком интервале температур; отсутствие трещинообразования при охлаждении с любыми скоростями после обработки давлением; хорошая свариваемость. Недостатком этих сталей является их склонность к ликвации.

Мартенситностареющие стали относятся к высоколегированным сталям. Основным легирующим элементом является никель (10-26 %). Кроме того, различаясь по составу, разные марки этих сталей содержат 7-9 % Со; 4,5-5 % Мо; 5-11 % Сг; 0,1-0,35 Аl; 0,15-1,6 % Тi; иногда ~0,3-0,5% Nb; £0,2 % Si, Mn; ~0,01 % S, Р каждого. Титан и алюминий вводят для образования интерметаллидов.

В мартенситностареющих сталях стремятся получить минимальное количество углерода (£0,03 %), так как углерод, образуя с легирующими элементами карбиды, способствует охрупчиванию сталей; Кроме того, при этом понижается содержание легирующих элементов в твердом растворе. Термическая обработка таких сталей заключается в закалке с 800-860 °С, охлаждении на воздухе и затем отпуске-старении.

Высокая стоимость легирующих элементов, а также дефицитность никеля и кобальта ограничивают широкое применение таких сталей. Поэтому появились так называемые «экономнолегированные» мартенситностареющие стали: Н8Х6МТЮ, 10Н4Г4Х2МЮ, Н12М2Л2ТЮ, Н8ГЗМ4 и др.

Мартенситностареющие стали используют для изготовления шасси самолетов, оболочек космических летательных аппаратов, прецизионных хирургических инструментов и штампов и т.д. Используют эти стали и для криогенной техники, так как и при отрицательных температурах они обладают высокой прочностью в сочетании с достаточной пластичностью.

Таблица 1.3 − Состав и механические свойства мартенситностареющих сталей

СтальСодержание легирующих элементовМеханические свойстваNiCoMoTisв, МПаdКСU, Дж/м2Н18К9М5Т18950,92100500,5Н18К8М318830,21400650,8Н12К15М10121510-2500300,3Н18К12М5Т181251,52400300,2Н10Х11М2Т10-20,91600500,5Примечание. Во всех сталях содержится: <0,03 % C; 0,01 % S; 0,01 % P; 0,05 - 0,20 % Al.

.5 Пружинно-рессорные стали

Основное требование к материалам, используемым для изготовления пружин, рессор, торсионных валиков и т.д.-сохранение в течение длительного времени упругих свойств. Пружинные стали должны иметь высокий предел упругости (sуп), высокое сопротивление разрушению (Sk) и усталости при пониженной пластичности.

Термически упрочняемые пружинно-рессорные стали обычно содержат 0,5-0,7 % С. Для менее ответственных пружин и пружин с мелким сечением витков применяют углеродистые стали по ГОСТ 1050-74. Для пружин более ответственного назначения и при большем сечении витков применяют легированные пружинные стали (ГОСТ 14959-79). Чаще всего пружинные стали легируют кремнием. Задерживая распад мартенсита при отпуске и упрочняя феррит, кремний создает высокое значение предела упругости. Кремнемарганцовистые и хромомарганцовистые стали (55СГ2, 50ХГ и др.) имеют хорошую прокаливаемость, и их применяют для изготовления пружин из прутков диаметром до 25 мм. Крупные наиболее ответственные пружины изготовляют из сталей 65С2ВА, 60С2ХФА.

Рисунок 1.4 − Схема изменения прочности пружинных сталей в зависимости от температуры отпуска

Режим термической обработки назначают в зависимости от состава стали и условий работы пружин. Наиболее высокая упругая прочность достигается в результате среднего отпуска на тростит. При этом отношение sуп/sв становится близким к единице (рис. 1.4).

Для повышения выносливости пружин и рессор широко применяют дробеструйную обработку.

.6 Шарикоподшипниковые стали

Детали шарикоподшипников (кольца, шарики, ролики) в процессе работы испытывают высокие удельные переменные нагрузки. Поэтому стали, используемые для их изготовления, должны иметь высокую прочность, износостойкость и высокий предел выносливости. Кроме того, к шарикоподшипниковым сталям предъявляют высокие требования по содержанию неметаллических включений (сульфидных, оксидных), макро- и микрополостей, ликвации, размеру и расположению карбидных включений. Это обусловлено характером работы шарикоподшипников. Указанные дефекты являются концентраторами напряжений, особенно если они находятся в поверхностных слоях деталей. Кроме того, при работе подшипников возможно выкрашивание неметаллических включений, что резко снижает долговечность подшипника.

Для изготовления шариковых и роликовых подшипников применяют высокоуглеродистую сталь, легированную хромом (табл. 1.4).

Таблица 1.4 − Химический состав, %, шарикоподшипниковой стали

СтальCCrMnSiШХ61,05-1,150,4-0,70,20-0,400,17-0,37ШХ91,05-1,100,9-1,20,20-0,400,17-0,37ШХ150,95-1,05-0,20-0,400,17-0,37ШХ15СГ0,95-1,05-0,90-1,200,40-0,65Примечание - Во всех сталях содержится < 0,02 % S; < 0,027 P.

Маркировку ШХ следует расшифровывать как шарикоподшипниковую хромистую. Цифра показывает среднее содержание хрома в десятых долях процента.

Шарики и ролики небольших диаметров изготавливают из стали ШХ9. Из стали ШХ15-шарики диаметром больше 22,5 мм, ролики диаметром 15-30 мм, а также кольца всех размеров; ролики диаметром более 30 мм и кольца с толщиной стенки: более 15 мм-из стали ШХ15СГ.

Для изготовления деталей крупногабаритных подшипников, работающих при больших ударных нагрузках (например, подшипников прокатных станов), применяют цементуемую сталь 20Х2Н4А. При этом проводят глубокую цементацию, получая цементованный слой глубиной 5-10 мм.

1.7 Износостойкие стали

Износ деталей машин и аппаратов является сложным процессом. Типовыми случаями являются обычное трение скольжения и абразивный износ. В первом случае металл наклепывается с поверхности, поэтому износостойкость существенно зависит от способности металла наклепываться. Во втором случае, когда частицы металла вырываются с поверхности, износостойкость определяется твердостью и сопротивлением отрыву. Износостойкость может быть повышена химико-термической обработкой.

Графитизированные стали содержат повышенное количество углерода (до 1,75 %) и до 1,6 % Si. Кремний вводят как графитизирующий элемент. Часть углерода в этих сталях после графитизирующего отжига (напоминающего отжиг для получения ковкого чугуна) выделяется в виде графита. После термической обработки структура стали состоит из зернистого перлита с некоторым количеством мелких округлых включений графита. При неабразивном износе графит играет роль смазки, предотвращая сухое трение и схватывание. Кроме того, эти стали обладают антивибрационными свойствами [13].

Графитизированную сталь применяют для изготовления штампов, матриц, коленчатых валов, шаров, лопастей, дробеструйных аппаратов и т.д.

Высокомарганцовистые стали содержат около 1 % С и 12-13 % Мn, обозначают их так: сталь Г13Л (1,2 % С; 13 % Мn; £0,5 % Si) и сталь Г13Л (1,2 % С; 12 % Мn и 1 % Si). Буква Л означает, что сталь литая. Такая сталь имеет структуру аустенита с избыточными карбидами (Fe, Мn)3С. Выделяясь по границам, карбиды снижают вязкость и прочность стали. Поэтому обычно изделия подвергают закалке с 1050 - 1100 °С в воде, получая структуру однородного марганцовистого аустенита (sв=800 ¸1000 МПа; d=40 ¸50 %; НВ=200 ¸250). Характерной особенностью марганцовистого аустенита является его повышенная склонность к наклепу. При деформации на 60-70 % твердость стали Г13 увеличивается до НВ 500 (рис. 1.5), что объясняется большими искажениями кристаллической решетки, дроблением блоков мозаики и даже образованием структуры мартенсита в поверхностных слоях.

Рисунок 1.5 − Влияние степени деформации на твердость стали Г13(1) и углеродистой стали 40 (2)

Сталь Гадфильда широко используют для изготовления деталей, испытывающих в процессе эксплуатации ударные нагрузки и износ одновременно. Вследствие большой вязкости аустенита эта сталь плохо обрабатывается режущим инструментом, изделия из нее изготавливаются главным образом литьем.

Из стали Г13 делают крестовины железнодорожных и трамвайных путей, зубья ковшей землечерпательных машин, траки гусеничных машин, щеки дробилок и др.

.8 Строительные стали

Так как детали строительных конструкций соединяют сваркой, то основным требованием к строительным сталям является хорошая свариваемость. Поэтому строительные стали содержат до 0,25 % С. При более высоком содержании углерода в зонах, нагретых при сварке до температур выше критических, возможно образование структуры мартенсита. В этом случае наблюдается объемный эффект, что способствует образованию холодных трещин в зонах около сварных швов. Кроме того, углерод, расширяя интервал кристаллизации металла шва, способствует образованию горячих трещин в металле шва.

В качестве строительных сталей используют главным образом углеродистые стали обыкновенного качества марок Ст3, Ст4, имеющие sт=200¸270 МПа.

Прочность строительных сталей повышается в результате легирования. Поскольку строительную сталь используют в больших количествах, то целесообразно вводить в ее состав дешевые легирующие элементы. Такими элементами являются марганец и кремний. Низколегированная строительная сталь содержит до 1,75 % Мn и до 0,7 % Si. Предел текучести увеличивается до 360¸380 МПа.

Низколегированные строительные стали, кроме улучшения механических свойств, имеют еще одно преимущество - пониженную критическую температуру перехода в хрупкое состояние. Эти стали могут работать до -40 °С, а стали 10ХСНЛ и 15ХСНД, легированные дополнительно никелем и медью, и до -60 °С.

.9 Автоматные стали

Для неответственных деталей, производимых в большом количестве на станках-автоматах (болты, гайки, винты, втулки и т.д.), используют так называемые автоматные стали (ГОСТ 1414-75). В таких сталях допускается повышенное содержание серы и фосфора, поэтому они обладают меньшей вязкостью, благодаря чему стружка образуется короткая и ломкая, а поверхность обработанных сталей получается чистой и ровной. При изготовлении деталей из автоматных сталей можно допускать большие скорости резания [14].

Добавки свинца (~0,25 %) улучшают обрабатываемость резанием (АС11, АС40). Автоматные стали подвергают диффузионному отжигу, при температуре 1100-1150 °С для устранения ликвации серы, тем самым исключается возможность красноломкости. Для повышения прочности автоматные стали иногда нагартовывают холодной протяжкой. В последнее время автоматные стали, кроме свинца, легируют и другими элементами: марганцем, хромом, никелем (А40Г, АС20ХГНМ и др.).

Таблица 1.5 − Химический состав, %, автоматных сталей

Марка сталиCMnSPА120,08-0,160,60-0,900,08-0,200,08-0,15А200,15-0,250,60-0,900,08-0,15£0,06А300,25-0,350,70-1,000,08-0,15£0,06А40Г0,35-0,451,2-1,550,18-0,30£0,05Примечание - Во всех сталях содержится 0,15-0,35 % Si.

2. Методика эксперимента

Более 10 миллионов тон стали в год подвергается термической обработке, это составляет примерно 8 - 10 процентов от всей выплавляемой стали в нашей стране. В одной только машиностроительной отрасли количество термической переработки стали составляет 40% . Список деталей подвергаемых обработке огромен - от комплектующих приборов, деталей машин, до габаритных элементов различного оборудования.

Главными видами термообработки, меняющими свойства и структуру стали являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Рассмотрим каждый вид Т. О. в отдельности.

.1 Отжиг первого рода

Данная разновидность отжига в зависимости от условий температурной выдержки убирает физическую или химическую разнородность, сформированную предыдущими обработками. Главной особенностью данного отжига является то, что ликвидация разнородности происходит свободно, не завися от протекания в сплавах фазовых превращений, поэтому отжиг первого рода можно совершать при температурах больших или меньших температур фазовых превращений.

Диффузионный отжиг. Этот вид отжига используют для слитков легированной стали для понижения дендритной или внутрикристаллитной ликвации. Ликвация увеличивается склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому разрушению, к анизотропии свойств и возникновению дефектов: слоистый излом, флокены и др. Производят диффузионный отжиг, ещё его называют гомогенизация, нагревая сталь до 1100 - 12000С, так как при данной температуре более полно протекают диффузионные процессы, выравнивающие состав стали по объёму. Вся длительность гомогенизации больших слитков стали доходит до 40 - 90 часов. Для меньших садок время выдержки сокращается до 5 - 15 часов. После отжига слитки подвергают нагреву до 660 - 6800С, в течение 1 - 15 часов для удаления поверхностных дефектов.

Рекристаллизационный отжиг. Этот вид отжига производят, нагревая холоднодеформированную сталь выше температуры рекристаллизации. Далее выдерживают при заданной температуре и охлаждают. Рекристаллизацию производят до или после холодной обработки давлением и для снятия наклёпа между операциями. Температурный режим отжига для стали с 0,08 - 0,2%С составляет 670 - 7000С, высокоуглеродистой легированной стали - 7300С. Продолжительность нагрева от 30 до 90 минут.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Данная разновидность отжига I рода применяется для сварных деталей, изделий обработанных резанием, в которых в процессе предыдущих операций возникли остаточные напряжения, которые могут вызвать изменение размеров, коробление или поводку детали. Отжиг для снятия остаточных напряжений производят при температуре 160 - 7000С в течение 1 - 3 часов, с последующим медленным охлаждением. Остаточные напряжения можно снять и при проведении других видов отжига: рекристаллизационного, с фазовой перекристаллизацией, а также при отпуске закалённой стали.

.2 Отжиг второго рода

Отжиг II рода или фазовая перекристаллизация состоит в нагреве стали до температур выше точек Ас1, Ас3 Выдержке и последующем медленном охлаждении. В результате такого отжига фазовые превращения приводят к достижению практически равновесного структурного состояния.

После отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния железо - цементит (рисунок 2.1). Феррит и перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит и вторичный цементит в заэвтектоидных сталях. После отжига сталь имеет малую твёрдость и прочность, но высокую пластичность. При фазовой перекристаллизации размельчается зерно, и прочие ненужные структуры в стали. Отжиг II рода подразделяется на:

)Полный;

)Изотермический;

)Неполный.

Полный отжиг. Заключается в повышении температуры доэвтектоидной стали на 40 - 500С выше температуры точки Ас3, выдержки при данной температуре и завершении фазовых превращений в объёме стали и последующем медленном охлаждении (рисунок 2.2). При таком отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация металла. На заводах скорость нагрева составляет примерно 1000С в час, а продолжительность выдержки - 0,5 - 1M, где M это масса садки в тоннах. Сталь загружают в печь при температуре печи 400 - 5000С. Легированные стали обладают значительной устойчивостью переохлаждённого аустенита и их охлаждают медленнее: от 10 до 1000С в час, а углеродистые - 200 - 2500С в час.

Изотермический отжиг. В данном случае легированную сталь обычно нагревают как для полного отжига и быстро охлаждают до температуры примерно 6500С. Затем выбирают изотермическую выдержку для распада аустенита и охлаждают на воздухе. Превосходство изотермического отжига перед другими заключается в экономии времени процесса, а так же в получении более однородной структуры металла.

Неполный отжиг. Данный отжиг отличается от полного отжига тем, что сталь нагревают до меньшей температуры (немного выше точки Ас1). Этот вид отжига применяют для доэвтектоидных сталей с целью улучшения обрабатываемости резанием. Хотя при неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация стали только из-за превращения перлит - аустенит. Избыточный феррит только частично переходит в аустенит, поэтому большая его часть не подвергается перекристаллизации. Из-за этого неполный отжиг доэвтектоидных сталей используют тогда, когда горячая механическая обработка была выполнена правильно, и не было получено крупного зерна структуры.

Рисунок 2.1 Диаграмма состояния Fe - Fe3C

Рисунок 2.2 Схема полного отжига доэвтектоидной стали.

Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. В таких сталях нагрев немного выше точки Ас1 на 10 - 300С. Это вызывает почти полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистую структуру перлита вместо пластичной структуры.

Стали эвтектоидного состава имеют небольшой интервал температурного нагрева (740 - 7700С) для отжига на зернистый цементит. Для заэвтектоидных углеродистых сплавов интервал температур расширяется до 770 - 7900С. Легированные заэвтектоидные стали нагревают до более высоких температур в широком интервале - 770 - 8200С.

Отжиг нормализационный. Этот отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше точки Ас3 на 500С, а эвтектоидной стали выше точки Аст тоже на 500С, недолгой выдержки для прогрева всего объёма садки и окончания фазовых превращений и последующее охлаждение на воздухе. Нормализационный отжиг рождает полную фазовую перекристаллизацию сплава и убирает крупнозернистость, приобретённую в процессе литья, прокатки, ковке или штамповки.

Нормализацию используют по-разному, в зависимости от составляющих стали. К низкоуглеродистой стали применяют нормализацию вместо отжига. К отливкам из среднеуглеродистой стали вместо закалки с высоким отпуском используют нормализацию или нормализацию с высоким отпуском. Механические свойства при этом будут снижены, но зато произведённые детали подвергнутся меньшей деформации, и возможность появления трещин практически полностью исключается. Нормализационный отпуск с высоким отпуском (600 - 6500С) не редко используют для исправления структуры легированных сталей вместо полного отжига.

.3 Закалка

Это обработка высокой температурой, заключаемая в нагревании стали до температуры выше температуры растворения избыточных фаз, последующей выдержке и затем охлаждении со скоростью, выше критической скорости. Закалка - это не окончательная операция термической обработки. Для уменьшения хрупкости и напряжений, рождённых закалкой, и приобретения требуемых механических показателей, металл после обработки обязательно подвергают отпуску. Инструментальную сталь часто подвергают закалке и отпуску для увеличения твердости, износостойкости и прочности, а конструкционную сталь - для роста прочности, твердости, получения высокой пластичности и вязкости, а для некоторых деталей также и требуемой износостойкости.

Рисунок 2.3 Диаграмма состояния Fe - Fe3C с нанесенными температурами закалки доэвтектоидной н эаэвтектоидной стали.

Выбор температуры закалки. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 - 50°С выше точки Ас3, изображённой на рисунке ?. При этом сталь с начальной структурой перлит - феррит, при нагреве получает аустенитную структуру, которая при дальнейшем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранившегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют меньшие значения по сравнению с полученными при закалке от температур выше Ас3 значениями. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ас3. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении малого количества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ас3 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик (15 - 20°С). Для многих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические точки Ас1 и Ас3 (на 150 - 250°С), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированности аустенита. Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

.4 Отпуск

Отпуск состоит в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1 ,выдержке при такой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15 - 30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150-200°С, реже до 240-250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5-1,3% С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC 58 - 63, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 -500°С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие предел упругости, предел выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали (0,45 - 0,8% С) после среднего отпуска - троостит отпуска или троостомартенсит с твердостью HRC 40 - 50. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости. Охлаждение после отпуска при 400 - 450°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 - 680°С. Структура стали после высокого отпуска - сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.

Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.

Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины 2(работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости. Отпуск при 550 -600° С в течение 1 - 2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1,0 - 6 ч - в зависимости от габаритных размеров изделия.

.5 Термическая обработка сплава 30ХГСА

Проанализируем влияние термической обработки на сплав 30ХГСА. Химический состав: углерод - 0,3 %, хром - 1 %, марганец - 1 %, кремний - 1 %, железо - 96,7 %; А - высококачественная, то есть содержит пониженное количество серы и фосфора (по 0,025 %). Класс стали в равновесном состоянии доэвтектоидный, а после охлаждения на воздухе - перлитный. Пользуясь диаграммой, изображённой на рисунке 2.4, выбираем температуру закалки, она равна 8800С. Далее нам следует подобрать время выдержки при данной температуре для полного прогревания всего объёма детали. Наша деталь представляет собой шпильку, изображённую на фотографии 2.4 длинной 135 мм и диаметром 30 мм. Пользуясь таблицей 2.1 подбираем время термообработки. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоёв сплава. Из таблицы видно, что при нагревании детали в электропечи, продолжительность нагрева на 1 мм сечения составляет 40 - 50 секунд, следовательно, для шпильки диаметром 30 мм время закалки составит: 30 * 50 = 1500 секунд или 25 минут.

Таблица 2.1 Ориентировочная продолжительность нагрева изделий для закалки.

Условия нагреваПродолжительность нагрева, на 1 мм сечения, сКруглогоКвадратногоПрямоугольногоВ электропечи40 - 5050 - 6060 - 75В плазменной печи35 - 4045 - 6055 - 60В соляной ванне12 - 1515 - 1818 - 22В соляной ванне6 - 88 - 1010 - 12

Рисунок 2.4 Шпилька

Далее подберём охлаждающую среду для закалки. Для легированных сталей при закалки применяют минеральное масло (чаще нефтяное). Масло как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур (20 - 1500С). К недостаткам следует отнести повышенную воспламеняемость, недостаточную стабильность и низкую охлаждающую способность в области температур перлитного превращения, а также повышенную стоимость. В таблице 2.2 приведена относительная охлаждающая способность некоторых закалочных сред.

Таблица 2.2 Относительная охлаждающая способность закалочных сред.

Охлаждающая средаТемпература, 0СОтносительная интенсивность охлаждения в интервале пузырькового кипенияОхлаждающей средыПузырькового кипенияВода20400 - 1001,040350 - 1000,780250 - 1000,210%-ный раствор NaCl в воде20650 - 1003,0Раствор NaOH в воде:10%-ный20650 - 1002,050%-ный20650 - 1002,0Масло минеральное20 - 200500 - 2500,3

После проведения термической обработки мы получили закалённую шпильку, изображённую на фотографии 2.5

Фотография 2.5 Шпилька после закалки

Следующим нашим действием является проведение высокого отпуска. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. В данной детали, содержащей 0,3% С, осевые напряжения в результате отпуска при 550°С уменьшаются с 60 до 8 кгс/мм2. Так же сильно уменьшаются тангенциальные и радиальные напряжения.

Проведя термическую обработку детали, мы получили структуру, показанную на фотографиях 2.6, 2.7, 2.8.

Фотография 2.6 Изображение структуры сплава 30ХГСА при увеличении в 500 раз.

Фотография 2.7 Изображение структуры сплава 30ХГСА при увеличении в 1000 раз.

Фотография 2.8 Изображение структуры сплава 30ХГСА при увеличении в 1600 раз.

.6 Измерение твёрдости

Твердость - это способность материала сопротивляться внедрению в него других тел определенной формы и размеров под действием определенных сил. Измерение твердости можно осуществлять по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. В данной работе мы рассмотрим метод измерения твёрдости по Роквеллу.

.6.1 Метод Роквелла

Измерение твердости металлов и сплавов по методу Роквелла осуществляется вдавливанием алмазного конуса или стального шарика с последующим определением твердости по глубине получаемого отпечатка (ГОСТ 9013-59).

Алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм (1/16ўў) вдавливается в испытуемый образец (изделие) под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок - предварительной Р0=10 кгс и общей Р, равной сумме предварительной и основной Р1 нагрузок. Общая нагрузка Р составляет 100 кгс при вдавливании шарика и 150 или 60 кгс при вдавливании конуса.

Схема определения твердости по Роквеллу приведена на рис. 2.9.

Рис. 2.9 − Схема определения твердости по Роквеллу

Твердость по Роквеллу НR вычисляют так:

(2.4)

где h0 - глубина внедрения наконечника под действием предварительной нагрузки, мм; - глубина внедрения наконечника под действием общей нагрузки, мм; - постоянная величина, равная 0,26 мм для шарика и 0,2 мм для алмазного конуса;

с - цена деления шкалы индикаторного прибора, соответствующая внедрению наконечника на 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу выражается в условных единицах и отсчитывается по шкале индикатора непосредственно в процессе испытания.

Шкала, вид наконечника и нагрузка выбираются в зависимости от примерной твердости НВ испытуемого материала по табл. 2.4.

Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими число твердости, и буквами НR с указанием шкалы твердости, например 60 НRС.

В целях обеспечения единства измерений в СССР с 01.07.88 г. введены государственный специальный эталон и единая шкала твердости Сэ по Роквеллу (ГОСТ 8.064-79).

Таблица 2.3 − Выбор шкалы твердости, нагрузки и вида наконечника

Примерная твердость металла НВ, кгс/мм2Обозначение шкалыВид наконечникаНагрузка, кгсДопустимые границы измерения твердости60 - 240ВСтальной шарик10025 - 100240 - 495СКонус из твердого сплава15020 - 67240 - 900САлмазный конус15020 - 67390 - 900ААлмазный конус6070 - 90

Твердость, измеренную по шкале Сэ, воспроизводимой этим эталоном, обозначают НRСэ в отличие от обозначения НRС, ранее применявшегося в промышленности СССР. Для перевода чисел твердости НRС в числа твердости НRСэ существует специальная таблица.

По сравнению с методом Бринелля метод Роквелла является более универсальным, так как позволяет испытывать металлы и сплавы любой твердости, включая твердые сплавы. По методу Роквелла можно также определять твердости сравнительно тонких образцов (толщиной до 0,4 мм). Наличие индикаторного прибора позволяет определить число твердости непосредственно отсчетом по шкале и тем самым делает этот метод более производительным, однако точность определения числа твердости ниже, поэтому надо проводить несколько замеров и определять среднюю величину [15].

Для сравнения твердости металлов, испытанных различными методами, в табл. 2.4 приведены приближенные соотношения между числами твердости.

Общий вид прибора ТК-2М для определения твердости по Роквеллу приведен на рис. 2.5.

Таблица 2.4 − Соотношение между числами твердости

Твердость по Бринеллю НВ (D=10 мм, Р=3000 кгс)Твердость по РоквеллуТвердость по Виккерсу НV (Р=5-100 кгс)НRС (конус, Р=150 кгс)НRА (конус, Р=60 кгс)НRВ (шарик, Р=100 кгс)7807289-12207457087-11167126886-10226826685-9416536484-8686276283-8046016082-7465785881-6945555679-6495345478-6065145277-5874955076-5514774976-5344614875-5024444674-4734294573-4604154472-4354094372-4234014271-4123884171-4013754070-3903633970-3803523869-3613413768-3443313668-3353213567-3203113467-3123023367-3052933166-2912863066-2852772965-2782692865-2722622764-2612552664-2552482563-2502412463100240235236299235228226298226223216197221217206197217212196096213207186095209202165993201196155894197192-5893190187-5792186183-5691183179-5689177174-5587174170--86171166--85165163--84162159--83159156--82154153--81152149--80149146--79146143--78143140--77-137--76-134--74-131--72-128--71-125--70-

Нагрузка на наконечник 1 создается с помощью грузов 6, подвешенных к системе рычагов. Весь процесс испытания осуществляется приводом, работающим от электродвигателя, с помощью которого прикладывают и снимают нагрузку на наконечник.

Индикаторный прибор 9 служит для отсчета числа твердости. На его циферблате (рис. 2.6) нанесены две шкалы: красная В и черная С, имеющие по 100 делений каждая.

Шкала В смещена относительно шкалы С на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника.

Рисунок 2.5 − Общий вид твердомера ТК-2М

Рисунок 2.6 − Индикаторный прибор твердомера ТК-2М

.6.2 Порядок выполнения измерения

. Проверить соответствие образцов требованиям.

. По табл. 2.4 выбрать шкалу, нагрузку и вид наконечника.

. Включить прибор тумблером 8 (см. рис. 2.5), при этом должна загореться сигнальная лампочка 7.

. Проверить соответствие груза выбранному наконечнику и шкале, по которой предполагается проводить измерение.

. Установить испытуемый образец на столик 2 прибора.

. Вращением рукояток маховика 3 плавно подвести испытуемый образец до соприкосновения с наконечником, а затем дальнейшим вращением произвести предварительное нагружение. При этом малая стрелка должна совпасть с красной точкой на циферблате, а большая - принять вертикальное положение. Если малая стрелка индикатора перейдет за красную точку, необходимо повторить испытание. Вращением барабана 4 совместить нуль черной шкалы с большой стрелкой индикатора (при любом наконечнике).

. Плавным нажатием руки на клавишу 5 включить привод механизма нагружения.

. После окончания цикла нагружения отсчитать твердость по выбранной шкале индикатора.

. Опустить предметный столик вращением маховика 3 против часовой стрелки и снять образец.

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

.1 Структура легированных сталей в нормализованном состоянии

Легированные стали в зависимости от структуры, получаемой после нагрева до 900° С и охлаждения на воздухе (т.е. после нормализации), подразделяются на пять классов:

перлитный;

мартенситный;

аустенитный;

ферритный;

карбидный,

По мере увеличения содержания легирующих элементов устойчивость аустенита в интервале температур перлитного превращения возрастает, а температурная область мартенситного превращения понижается. Это схематично отражено на диаграмме распада аустенита (рис.3.1)

Рисунок 3.1. − Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трёх классов (схема)

В зависимости от содержания легирующих элементов и углерода при заданной скорости охлаждения (на воздухе) можно получить разную структуру.

Стали мартенситного класса содержат большее количество легирующих элементов (обычно 7... 15 %). В присутствии никеля, даже при общем количестве легирующих элементов около 5 %, сталь может относиться к мартенситному классу. Содержание углерода в сталях мартенситного класса обычно не превышает 0,55 %, Область перлитного распада в этих сталях сдвинута вправо, поэтому охлаждение на воздухе приводит к переохлаждению аустенита до температур мартенситного превращения, где и происходит образование мартенсита [16].

Стали аустенитного класса содержат более 15 % легирующих элементов, в том числе не менее 8 % никеля или около 13 % марганца. В большинстве этих сталей содержание углерода не превышает 0,2 %. Легирующие элементы (особенно никель), растворяясь в аустените, очень сильно повышают его устойчивость. При этом не только сдвигается вправо область перлитного распада, но и точка начала мартенситного превращения снижается в область отрицательных температур. В результате сталь, охлажденная на воздухе до комнатной температуры, сохраняет аустенитную структуру.

Стали ферритного класса содержат от 17 до 30 % хрома или не менее 2,5 % кремния. Это малоуглеродистые стали, в которых процент углерода не превышает 0,2. Растворяясь в феррите, хром очень сильно повышает его устойчивость. Такие стали практически не имеют фазовых превращений при нагреве вплоть до плавления, то есть сохраняют ферритную структуру во всех интервалах температур.

К сталям карбидного (ледебуритного) класса относятся высокоуглеродастые (более 0,7 % С), легированные большим количеством карбидообразующих элементов, преимущественно вольфрамом, ванадием, молибденом, хромом. Легирующие элементы образуют с углеродом большое количество специальных карбидов. Уже в процессе кристаллизации стали образуются карбиды, входящие в состав эвтектики, напоминающей ледебурит. При охлаждении в сталях карбидного класса, подобно сталям мартенситного класса, основа структуры получается мартенситной.

Микроструктура сталей различных классов в нормализованном состоянии показана на рис.3.2.

а) перлит и феррит; б) мартенсит игольчатый; в) аустенит; г) феррит; д) бесструктурный мартенсит и карбиды.

Рисунок 3.2 − Микроструктуры сталей различных классов в нормализованном состоянии, увеличение 100

Рассмотренная классификация легированных сталей условна и относится к случаю охлаждения на воздухе образцов небольших сечений. Меняя условия охлаждения можно в одной и той же стали получать различные структуры и свойства.

.2 Свойства и применение легированных сталей

По назначению легированные стали разделяются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами.

Стали перлитного класса с различным содержанием углерода нашли широкое применение как конструкционные материалы для изготовления различных конструкций и деталей машин. Для изготовления конструкций применяют преимущественно низколегированные стали с невысоким содержанием углерода, что обеспечивает им хорошую свариваемость.

Стали предназначенные для изготовления деталей машин и приборов, разделяют в зависимости от применяемой к ним термообработки на цементуемые (содержат не более 0,25 %С) и улучшаемые (0,25... 0,5 %С). Детали из цементуемых сталей подвергают цементации, закалке и низкому отпуску. В результате получается твёрдая, износостойкая поверхность (НRС 56... 62), со структурой высокоуглеродистого мартенсита и более мягкая, вязкая сердцевина (НRС 15...45) со структурой малоуглеродистого мартенсита [17].

Детали из улучшаемых сталей подвергают закалке в масле и высокому отпуску. Такая термообработка называется улучшением. Закалка даёт мартенситную структуру. Мартенсит при высоком отпуске распадается на сорбит, сочетающий достаточную прочность с повышенной вязкостью. Такие детали хорошо работают в условиях динамических нагрузок.

Стали, легированные кремнием, марганцем и некоторыми другими элементами и содержащие 0,5...0,65 % С, используются для изготовления пружин и рессор. Они подвергаются закалке и среднему отпуску на тростит, который обеспечивает хорошую упругость и прочность.

К перлитному классу принадлежат и шарикоподшипниковые стали. Это высокоуглеродистые стали, легированные небольшим количеством хрома (не более 1,5 %). Закалка и низкий отпуск обеспечивают им мартенситную структуру, прочность и износостойкость.

Кроме деталей машин из легированных сталей перлитного класса с высоким содержанием углерода (более 0,8 %) изготавливают режущий и мерительный инструмент. Такой инструмент подвергается неполной закалке и низкому отпуску. Приобретая высокую твёрдость и износостойкость, инструмент, однако, не обладает достаточной теплостойкостью. Некоторые марки перлитных сталей используют для изготовления инструмента для горячего деформирования. Пониженное по сравнению с другими инструментальными сталями содержание углерода (от 0,3 до 0,7 %) позволяет получить достаточную вязкость, т.к. такой инструмент часто работает с ударными нагрузками.

Легирующие элементы в сталях перлитного класса не оказывают существенного влияния на структуру. В основном они способствуют увеличению прокаливаемости и тем самым дают возможность получить высокие механические свойства в деталях больших сечений.

Среди сталей мартенситного класса широкое применение находят стали, содержащие около 13 % хрома и до 0,4 % углерода. При содержании хрома более 12,5 % сталь становится коррозионностойкой. Стали этой группы хорошо сопротивляются атмосферной коррозии и коррозии в среде водяного пара, т.е. являются нержавеющими из них изготавливают различные детали машин, требующие повышенной прочности и коррозионной стойкости, а также некоторые виды инструмента. Упрочнение достигается закалкой в масле или на воздухе на структуру мартенсита. Отпуск в зависимости от назначения может быть высоким (для деталей машин) или низким (для инструмента).

Набольшее применение среди сталей аустенитного класса находят хромоникелевые стали, содержащие около 18 % хрома и 8…10 % никеля (углерода не более 0,2 %). Эти стали имеют более высокую коррозионную стойкость, чем хромистые стали мартенситного класса. В нормализованном состоянии эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита и небольшого количества карбидов типа (FeCr)23C6. При нагреве под закалку (так называемая аустенизацня) карбиды растворяются в аустените, и при резком охлаждении в воде фиксируется однофазная аустенитная структура. Однофазные структуры характеризуются более высокой коррозионной стойкостью, т.к. в этом случае уменьшается вероятность образования микрогальванических пар, вызывающих электрохимическую коррозию. Закалка аустенитных сталей не является упрочняющей операцией.

Аустенитные стали используются как кислотостойкие для изготовления химической аппаратуры, а также для деталей машин и криогенного оборудования, работающего при температурах до -253 С. Стали этого класса могут использоваться и как жаростойкие, жаропрочные материалы.

Наиболее известными сталями ферритного класса являются высокохромистые стали, содержащие 17...30 % хрома и не более 0,2 % углерода. Они хорошо сопротивляются как электрохимической так и газовой коррозии при высоких температурах, т.е. являются кислотостойкими и жаростойкими (окалиностойкими). Недостатком этих сталей является низкая прочность и возникающая при перегреве (например, при сварке) крутшозернистость, которая не устраняется термической обработкой, Крупнозернистость придаёт сталям повышенную хрупкость. Используются эти стали преимущественно в отожженном состоянии.

Рассмотренные стали мартенситного, аустенитного и ферритного класса относятся с особыми свойствами.

Стали карбидного класса по назначению являются инструментальными. Они отличаются повышенной изноетойкостью и теплостойкость (красностойкостью). Благодаря этому их используют для изготовления режущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Наилучшие режущие свойства стали приобретают после сложной термической обработки. Отожженные заготовки имеют структуру сорбитообразного перлита и карбидов. После механической обработки заготовок и придания инструменту необходимой формы он подвергается закалке и трёхкратному отпуску.

С целью выравнивания температуры по всему сечению инструмента и в избежании его деформации производится подогрев до температуры около 800° С, а затем окончательный нагрев в расплавах солей до температур 1260... 1290° С (для стали Р18). Высокие температуры закалки необходимы для более полного растворения карбидов и получения при нагреве высоколегированного аустенита. Это обеспечивает получение после закалки в масле (или на воздухе) высоколегированного мартенсита, обладающего высокой устойчивостью против отпуска, т.е. теплостойкостью. Часть карбидов, не растворившихся при нагреве, препятствуют росту зерна аустенита [18].

В процессе охлаждения часть аустенита превращается в мартенсит. Кроме того в структуре сохраняются не растворенные карбиды и некоторое количество остаточного аустенита, т.к. точка Мк лежит ниже нуля градусов и мартенситное превращение не заканчивается. Остаточный аустенит понижает твёрдость и режущие свойства, поэтому его присутствие в структуре недопустимо.

После закалки следует отпуск при температуре около 560° С, при котором происходит превращение остаточного аустенита в мартенсит с выделением дополнительного количества дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твёрдости. Чтобы весь остаточный аустенит превратился в мартенсит, отпуск проводят 3 раза подряд с выдержкой по одному часу. Для инструмента простой формы можно делать после закалки обработку холодом и однократный отпуск при 560° С.

Твёрдость стали после закалки составляет HRC 62...63, а после трёхкратного отпуска HRC 64...65. Высокая твёрдость сохраняется при последующих нагревах в процессе работы до температур до 600° С, что обеспечивает теплостойкость инструмента.

.3 Влияние основных легирующих элементов на свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1 % и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

Влияние примесей

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р,S). Так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Cr и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Углерод

При увеличении содержания углерода до 1,2 % возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1 % С повышает температуру порога хладноломкости на 20° С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических характеристик - таких, как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так, хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение, и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью, если его содержание, не превышает 0,8 %. Марганец как технологическая примесь существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37 %. Кремний как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12-0,25 %.

Сера

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035-0,06 %. Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025-0,045 %. Фосфор, как и сера, относится наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания, даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая повышение хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03 % происходит старение стали, а более 0,1 % - красноломкости. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250° С.

Водород

Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникнуть флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

Влияние легирующих элементов

Легирование сталей и сплавов используют для улучшения их технологических свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15-20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых.

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Классификация

По применимости для легирования можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных элементов определяется не столько физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

- Mn,Si,Cr,B;

Ni,Mo;

- V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие элементы по механизму их воздействия на свойства сталей и сплавов можно разделить на три группы:

влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;

образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)7С3; (Сr,Ре)23С6; Мо2С и др.;

образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе7Мо6; Fe3Nb и др.

По характеру влияния на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две группы:

элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.

Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный аустенит парамагнитен, обладает большим коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре достигает 1 %, повышают его прочность при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.

Легированный аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных и немагнитных сплавов. Он легко наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие элементы (исключение кобальт), повышая устойчивость аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Для многих аустенитных сплавов критическая скорость закалки снижается до 20° С/с и ниже, что имеет большое практическое значение [19].

Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (за исключением марганца) препятствуют росту зерна аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe7Mo6, Fe3Nb2 и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

Таблица 3.1 − Влияние легирующих элементов на свойства стали

Легирующий элементNiCrMn (> 1%)Si (> 0,8%)WСu (0,3 -0,5%)Входит в твердый раствор с Fe и упрочняет его++++-+Увеличивает ударную вязкость+-++--Расширяет область аустенита+-+---Сужает область аустенита-+-+--Увеличивает прокаливаемость+-+---Способствует раскислению--++--Образует устойчивые карбиды-++-+-Повышает сопротивление коррозии+++--+

Таблица 3.2 − Влияние отдельных компонентов на свойства стали (для малоуглеродистой и низколегированной стали)

ЭлементМеханические свойстваТехнологические свойствау0утдHBKCUу-1СВКорСХЛКСУглерод+++=++---000Марганец++-+-+0+00Кремний++-+=0--00Никель++0++0+++00Хром++-++00-++00Медь0000000++00Ниобий++++-+0++000Ванадий++-+0++++00Нитрид ванадия++++-+0+0000Молибден++-+0++++00Бор++++-+-++000Титан++0+-0+000Алюминий0000-00000Сера--0---=00++Фосфор++=+=0=-=0Мышьяк---0---000Азот++++=++=--000Кислород===+===--+

Примечания

у0-предел прочности

ут- предел текучести

д- относительное удлинение

HB - твёрдость

KCU - ударная вязкость

у-1 - усталостная прочность

СВ - свариваемость

КоррС - коррозионная стойкость

ХЛ - хладноломкость

КС - красностойкость

Знаки обозначают: (+) - повышает; (++) - значительно повышает; (-) - снижает; (=) - значительно снижает; (0) - не оказывает заметного влияния.

.4 Влияние легирующих элементов на рост зерна стали

Легирующие элементы оказывают существенное влияние и на рост зерна аустенита при нагревании. Все элементы, за исключением Мn, уменьшают склонность аустенита к росту зерна при нагревании, но их количественное влияние различно и зависит также от междуфазового распределения в стали.

Элементы, растворенные в феррите, оказывают относительно слабое влияние «а рост зерна аустенита. Элементы, содержащиеся в карбидах, если образованные карбиды дисперсны и обладают значительной устойчивостью при нагревании, вызывают резкое понижение чувствительности стали к росту зерна аустенита.

Фактически зерно аустенита начинает заметно расти лишь после того, как основная масса труднорастворимых дисперсных карбидов будет "переведена в твердый раствор (аустенит). Между тем карбиды многих элементов и, в частности, Ti, Nb, Zr, V полностью не переходят в твердый раствор даже в случае нагрева стали на сотни градусов выше равновесных критических точек.

Все это приводит к тому, что в присутствии указанных элементов, как это показано И.С. Гаевым и К.А. Малышевым, создается значительная устойчивость зерна аустенита при нагревании. Располагая карбидообразующие элементы в ряд по возрастающей степени устойчивости их карбидов против растворения в аустените (Сг, Mo, W, Nb, V, Zr, Ti) можно качественно судить об относительной эффективности тормозящего действия этих элементов на рост зерна аустенита при нагревании., V, Zr и Ti обладают особенностью оказывать огромное задерживающее влияние на рост зерна аустенита и в тех случаях, когда они присутствуют ъ стали в виде дисперсных окислов. Ценное свойство этих элементов широко используется в практике.

Незадолго до выпуска стали из печи или в момент ее выпуска, в ковш и по желобу добавляются указанные элементы в количествах порядка десятых и даже сотых процента. Вступая во взаимодействие с присутствующим в жидкой стали кислородом, эти элементы производят энергичное дополнительное раскисление стали, в результате чего в массе металла и появляются дисперсные окислы этих элементов.

Знаменательно, однако, что Al, V, Zr и Ti, введенные в сталь в количествах, измеряемых даже сотыми долями процента, оказывают тормозящее влияние на рост зерна аустенита, во много раз превосходящее эффективность действия многих других элементов, даже в тех случаях, когда последние присутствуют в стали в количествах порядка нескольких процентов [20].

Причину задерживающего влияния сильных карбидообразующих элементов, а также небольших добавок элементов-раскислителей большинство авторов видит в том, что эти элементы, образуя в стали труднорастворимые карбиды и дисперсные оксиды, тем самым создают нечто в роде барьеров из мельчайших частиц, которые чисто механически препятствуют объединению соседних зерен в одно зерно.

Однако такой взгляд не является общепризнанным. Здесь нужны еще дополнительные исследования. Обобщая вышеизложенное, можно характеризовать интенсивность влияния отдельных элементов на рост зерна аустенита следующими данными. Элементы, уменьшающие склонность к росту зерна; энергично - Ti, V, Zr, Al; умеренно - Mo, W, Сг, слабо - Si, Ni, Co, Си; элементы, повышающие склонность к росту зерна; Мп, а также Р и С.

.5 Выводы

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Медь практически не влияет на основные механические и технологические свойства, за исключением коррозионной стойкости (значительно повышает).

Замечено, что алюминий практически не влияет на основные технологические и механические свойства, за исключением ударной вязкости (снижает).

Заключение

В работе было проанализировано влияние основных легирующих элементов, таких например как Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti, Мn и Si, на свойства малоуглеродистых и низколегированных сталей. А так же были сделаны следующие выводы:

Все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости.

Медь практически не влияет на основные механические и технологические свойства, за исключением коррозионной стойкости (значительно повышает).

Замечено, что алюминий практически не влияет на основные технологические и механические свойства, за исключением ударной вязкости (снижает).

В экономической части работы рассчитаны технико-экономические показатели НИР и определен экономический эффект данной НИР.

Задание на выпускную квалификационную работу выполнено в полном объёме.

Список литературы

1 Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.- 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 648 с.: ил.

Перкас М. Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситно-стареющие стали. Изд-во «Металлургия», 1970, 224 с.

Потак Я.М. Высокопрочные стали. Серия «Успехи современного металловедения». М., «Металлургия». 1972, с. 208.

Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Изд-во «Металлургия», 1968, т.1, 2.

Берсенев Г.А., Вылежнев В.П., Саррак В.И. МиТОМ, 1968, № 6, с.22

Гуляев А.П., Карчевская Н.И. МиТОМ , 1964, № 11.

Ревякина О.К. и др. «Термическая обработка крупногабаритных штамповок и прутков из стали 01Н18К9М5Т». МиТОМ, 1971, № 4.

МиТОМ, 1968, № 6, с. 6.

Кардонский В.М., Перкас М.Д. Сб. «Проблемы металловедения и физики металлов». М., 1968, №9.

Гуляев А.П., Карчевская Н.И. «ФММ» 1967, т. 23, вып. 1.

Беляков Л.Н., Рыжак С.С. МиТОМ,1968. №6.

Florren S. «TASM» 1964, v. 57, №3.

Potenski A. «Metal Progress», 1962, v. 82, № 4.

Decker F., Eash J., Goldman A. - «American Society for metals», 1962, v. 55, № 1.

Jones F., Pumphrey W. «Journal of Iron and Steel Institute», 1949, v. 163.

17 Методы определения твёрдости металлических материалов: Учебно - справочное пособие./ А.Г. Колмаков, Ю.И. Головин, В.Ф.Терентьев, М.Б. Бакиров; Воронеж: Изд-во ВГТУ, 2000. 80 с.

Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков - М.: Металлургия, 1978. - 400 с.

Металловедение и термическая обработка стали: справ. изд. - 3-е изд., перераб. и доп. В 3-х т. Т. 1. Методы испытаний и исследования / Под ред. Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

Способы металлографического травления: Справ. изд.: Пер. с нем. Беккерт М., Клемм Х. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1988. 400 с. с ил.

Методические указания к выполнению организационно-экономической части дипломных работ научно-исследовательского направления для студентов специальности 150702 очной формы обучения / ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Г.Ф. Салова, Ю.В. Пахомова. Воронеж, 2006. 32 с.

Инновационный менеджмент. Справочное пособие / Под ред. П.Н. Завлина, А.К. Казанцева, Э. Миндели - М.: Изд-во «Центр исследования и статистики науки», 2-е изд.-1998, 580 с.

Юдин Е.Я. Охрана труда в машиностроении: Учебник для машиностроительных вузов / Е.Я. Юдин, С.В. Белов, С.К. Баланцев. - М.: Машиностроение, 1983. - 432 с.

СанПин 2.2.4.548 - 96. Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений. - М.: Госстандарт России: изд-во стандартов, 1996.-23 с.

ГОСТ 12.1.005-88. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны - М.: Госстандарт России: изд-во стандартов, 1988. - 23 с.

СНиП 23- 05- 95.

ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности. М.: изд-во стандартов. 1986. 9 с.

Белов С. В. Безопасность жизнедеятельности: Учебник для вузов / С.В. Белов. - М.: Высшая школа, 199. - 448 с.

СНиП 2 - 01- 02 -85.