Вплив термічної обробки на мікроструктуру і твердість конструкційної легованої сталі.

Мета роботи: визначення впливу термічної обробки на твердість і мікроструктуру конструкційної легованої сталі.

Прилади та обладнання: зразки конструкційної легованої сталі 38Х, 40Х або 40ХН, прилад ТК, муфельні печі, гартівні бачки з маслом, наждачний камінь, шліфувальний папір, полірувальний верстат, 4%-вий розчин азотної кислоти в спирті, металографічний мікроскоп, щипці.

Теоретична частина

Конструкційними називають сталі, яки використовують в машинобудуванні для виготовлення деталей машин і конструкцій. Вміст вуглецю в конструкційних сталях, які поліпшуються, не перевищує 0,5-0,6%. Конструкційна сталь повинна мати достатню міцність і в'язкість у поєднанні з добрими технологічними властивостями.

З метою змінення властивостей сталі в заданому напрямку в сталь навмисно вводять спеціальні домішки. Ці домішки називають легуючими елементами, а сталі – легованими. Найчастіше в якості легуючих елементів використовують нікель, хром, титан, марганець, молібден, вольфрам, алюміній та деякі інші.

За вмістом легуючих елементів леговані сталі поділяють на: низьколеговані (загальна кількість легуючих елементів не перевищує 5 %), середньолеговані (від 5 до 10 %) і високолеговані (більше 10 %) при тому, що заліза в них не може бути менше 45 %.

Із легованих сталей з особливими властивостями треба відмітити хромісті нержавіючі сталі (наприклад, 12Х13, 20Х13, 40Х13), із яких виготовляють різноманітне обладнання, зокрема, хірургічний інструмент. Ці сталі, які містять 12-14 % Cr, не окислюються ні на повітрі, ні в воді, ні в більшості кислот. А сталі з 25-28 % Cr придатні для виготовлення деталей, що працюють при температурах 1050-1150⁰С.

Якщо в хромісту нержавіючу сталь додати 18 % Ni, вона стане ще більш корозійностійкою і не холодноламкою. Такі хромонікелеві нержавіючі сталі (17Х18Н9, 03Х18Н12, 12Х18Н9 та ін.) широко використовуються в різних галузях промисловості, зокрема в обладнанні для переробки продукції тваринництва. Наприклад, в гвинтовому електронасосному агрегаті для перекачки молока вал виготовлений з нержавіючої сталі, фляги- теж з нержавіючої сталі (або харчового алюмінію). Молочні баки та фільтри для очистки молока ( і взагалі обладнання для зберігання молока і молочних продуктів)- з нержавіючої сталі, сітки фільтрів- з латуні. Ємності сепараторів виготовляються теж з нержавіючих сталей, заквасочники при виробництві масла – з листової нержавіючої сталі. Леговані сталі підвищеної міцності часто використовують для товстостінних крупногабаритних ємностей, що працюють при низьких температурах (-253⁰ С). При таких же низьких температурах працюють і зварені конструкції з легованих сталей на основі хрому і марганцю.

У легованих сталях легуючий елемент позначають літерами: Х-Cr , Н-Ni, В-W, М-Mo, Ф-V, Г-Mn, С-Si, К-Co. Вміст вуглецю вказують на початку марки сталі в сотих частках відсотка, цифри після літер вказують на середній вміст легуючого елемента в цілих відсотках, якщо вміст до 1%, то цифра відсутня (38Х, 40Х, 40ХН).

В ироби з легованої конструкційної сталі з середнім вмістом вуглецю ( 0,3-0,5% ) зазвичай піддаються двом видам термічної обробки - відпалу і поліпшенню (гартуванню з високим відпуском ).

Відпал легованої сталі для повного розпаду аустеніту на ферито-цементитну суміш і для більшого пом’якшення сталі вимагає дуже повільного охолодження, особливо в перлітному інтервалі температур (700-500°С), оскільки легуючи елементи підвищують стійкість аустеніту.

Продуктивнішим і якіснішим для легованої сталі є ізотермічний відпал, який складається з нагріву на 50°С вище А_сз, охолодження нижче А_r1, витримки при цій температурі ( 600-650°С, рис.1). При достатній витримці при таких температурах відбувається повний розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш (рис.2,а). Якщо час ізотермічної витримки недостатній, то частина аустеніту не розпадається на ферито-цементитну суміш. Подальше охолодження до низьких температур супроводжується перетворенням цього аустеніту, що не розпався, на троостит або мартенсит. В результаті сталь після такої обробки має підвищену твердість.

а) б)

Рис. 2. Мікроструктура пластинчастого (а) і зернистого (б) перліту, х1000.

Для гартування леговані конструкційні сталі нагрівають до більш високих температур в порівнянні з вуглецевими, оскільки:

- необхідно забезпечити повне розчинення карбідів в аустеніті;

- карбідоутворюючі легуючі елементи підвищують температуру А_сз.

Легуючі елементи можуть утворювати із залізом тверді розчини, легований цементит (Fe₂W₂C), спеціальні карбіди (Cr₇C₃, Mo₂C). Такі сталі менш чутливі до перегріву у порівнянні з вуглецевими, оскільки легуючи елементи перешкоджають росту зерен аустеніту, сприяють подрібненню зерна. Велике значення має повільний нагрів виробів для зменшення термічних напружень, оскільки леговані сталі мають малу теплопровідність.

Легуючі елементи затримують процес перетворення залишкового аустеніту на ферито-карбідну суміш. У легованих сталей мала критична швидкість гартування, а отже, більша прогартовуваність і менша деформація, чим у вуглецевих. На збільшення прогартовуваності великий вплив мають Cr, Ni, Mn, Mo. Найбільш ефективно впливає молібден.

Леговані сталі при гартуванні охолоджують в маслі. У деталей з малими перерізами механічні властивості не відрізняються від механічних властивостей вуглецевих сталей, але в деталях з крупними перерізами механічні властивості легованих сталей вище, ніж у вуглецевих.

Для отримання необхідної твердості леговані сталі піддають відпуску при більш високій температурі, ніж вуглецеві. Це дозволяє зняти внутрішні напруження і отримати в сталі краще поєднання міцності і в'язкості. Відповідна структура представлена на рис.2,б.

Проте при відпуску необхідно враховувати, що в легованих сталях в інтервалі температур 250-350°С, а також при повільному охолодженні в інтервалі 450-55О°С спостерігається відпускна крихкість (рис. 3).

В ідпускна крихкість I роду (інтервал температур 250-350°С) не залежить від швидкості охолодження. Ії викликає перетворення залишкового аустеніту на мартенсит та нерівномірний розпад мартенситу при відпуску. При підвищенні температури відпуску та збільшенні часу нагріву крихкість I роду усувається.

Відпускна крихкість II роду (інтервал температур 450-55О°С) найчастіше спостерігається в сталях, легованих хромом, після повільного охолодження при відпуску. Причиною зворотної відпускної крихкості II роду є виділення карбідів по межах зерен і збагачення меж зерен фосфором.

Попередити відпускну крихкість II роду можна швидким охолодженням або додатковим легуванням сталі молібденом або вольфрамом в кількості 0,5%. Молібден і вольфрам гальмують виділення карбідів по межах зерен і збагачення їх фосфором. Проте якщо зміст молібдену і вольфраму більш ніж 0,5%, то їх вплив зникає, оскільки вони при великих концентраціях утворюють власні карбіди.

Порядок виконання роботи:

1. Визначити твердість сталі у початковому стані на приладі ТК. Доцільно роботу виконувати на зразках із сталей 38Х, 40Х або 40ХН.

2. Зразки нагріти в печі до температури гартування (840-860°С), витримати 15 хв. Для гартування зразки охолодити в маслі.

3. Визначити твердість зразків за Роквеллом.

4. Решту загартованих зразків піддати відпуску при температурах 200°С, 300°С, 400°С, 500°С . Тривалість нагріву і витримки при відпуску в межах 45 хв.

5. Зразки зачистити шліфувальним папером і визначити твердість за Роквеллом. Результати надати в наведеній нижче таблиці.

5. За діаграмою ізотермічного розпаду аустеніту та твердості встановити мікроструктуру після відпуску.

6. При оформленні звіту стисло описати методику виконання роботи, за даними таблиці побудувати залежність твердості від температури відпуску і зробити висновки.

Таблиця 1

Вплив термічної обробки на твердість і мікроструктуру конструкційної сталі

Режим обробки	Твердість		Мікроструктура
	НRС	HB
1	2	3	4
Початковий стан
Гартування
Відпуск при температурі 200°С
1	2	3	4
Відпуск при температурі 300°С
Відпуск при температурі 400°С
Відпуск при температурі 500°С

Дайте відповіді на запитання:

1. Які фази утворюють легуючі елементи із залізом і вуглецем?

2. Якій термообробці піддають інструмент з низьколегованої сталі?

3. Яка відмінність термообробки низьколегованих сталей від вуглецевих?

4. Що називають відпускною крихкістю I роду?

5. Що називають відпускною крихкістю II роду?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №.10