4.5. Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета роботи.

3. Прилади та матеріали.

4. Результати дослідів по дослідженню залежності твердості загартованої стали від масової частки в ній вуглецю.

5. Описати залежність властивостей мартенситу (загартованої сталі) від масової частки вуглецю.

6. Висновки про виконану роботу.

4.6. Питання для самоперевірки

1. Коли застосовують гартування сталей?

2. Які гартувальні середовища ви знаєте?

3. Як змінюється структура сталі після гартування?

4. Дайте визначення фазі мартенсит.

5. Як впливає вміст вуглецю в сталі на кількість мартенситу, який з’являється після гартування?

6. Чому низьковуглецеві сталі не зміцнюються після гартування?

7. Яку структуру має доевтектоїдна сталь після неповного гартування?

8. Як розрахувати температуру гартування?

Лабораторна робота № 5

Вивчення структури, властивостей та призначення легованих сталей і твердих сплавів

Мета роботи – вивчити вплив легуючих елементів на структуру та властивості сталей, маркування і основи вибору легованих сталей для деталей та інструментів.

5.1. Прилади та матеріали

1. Металографічний мікроскоп.

2. Комплект шліфів для вивчення мікроструктури легованих інструментальних сталей і твердих сплавів.

3. Атлас мікроструктур сплавів.

5.2. Порядок виконання роботи

1. Вивчити вплив легуючих елементів на властивості та структуру сталей.

2. Вивчити, замалювати й описати мікроструктури легованих інструментальних сталей і твердих сплавів.

3. Ознайомитися з маркуванням, хімічним складом, властивостями й галузями застосування легованих інструментальних сталей за ГОСТ 5950-2000 і ГОСТ 19265-88 і твердих сплавів за ГОСТ 3882-90.

4. Оформити результати роботи і скласти протокол.

5.3. Загальні відомості

Значна більшість матеріалів для деталей машин та інструментів повинна мати властивості, яким повною мірою не відповідають вуглецеві сталі, тому широке використання набули леговані сталі та спеціальні сплави. Легуючі елементи в сталі додають для підвищення конструкційної міцності. Поліпшення механічних властивостей зумовлено впливом легуючих елементів на властивості фериту: тип, хімічний склад та дисперсність карбідної фази; стійкість мартенситу під час відпускання; прогартовуваність та розмір зерна. За допомогою легування можна покращити співвідношення між міцністю та в'язкістю, а також значно знизити температуру переходу сталей до крихкого стану. Легування підвищує твердість сталі та збільшує теплостійкість, тобто здатність сталі протистояти зниженню міцності при нагріванні до підвищених температур. За допомогою легування підвищується опір зношуванню та корозії, тобто з’являються нові фізичні та хімічні властивості (зносостійкість, корозійна стійкість, жароміцність, жаростійкість, особливі електричні та магнітні властивості).

1. Вплив легуючих елементів на структуру та властивості сталей

Легуючі елементи (Л.Е.), які введені в сталь, утворюють тверді розчини (леговані ферит чи аустеніт), можуть розчинятися у гратці цементиту, при цьому утворюється легований цементит М₃С, наприклад (Fе,Мп)₃С, чи спеціальні карбіди МС, М₂С, М₇С₃ , М₂₃С₆ , М₆С (ТіС, Мn₂С, Сr₇Сз, Сr₂₃С₆ , Fе₃WзС) або інтерметаліди (Fе₃Ті, Fе₃СrМо, FеСr, Ni₃Ti, Ni₃(Ті,Аl)).

Елементами, що утворюють карбіди, є залізо, марганець, хром, молібден, вольфрам, ванадій, ніобій, титан, цирконій. Слід зауважити, що спроможність карбідоутворення зростає у наведеному ряді зліва направо. Не утворюють карбіди алюміній, нікель, мідь, кобальт.

Легуючі елементи, за винятком вуглецю, кисню, азоту, водню та частково бору, утворюють тверді розчини заміщення. Значне спотворення ґратки  – Fе, що супроводжує цей процес, призводить до підвищення міцності та твердості фериту та зменшення ударної в'язкості, особливо, якщо концентрація легуючих елементів перевищує 1 % (рис. 5. 1).

Рисунок 5. 1 - Вплив легуючих елементів на властивості фериту:

а – ударна в’язкість; б – міцність

Хром, широко розповсюджений легуючий елемент, позитивно впливає на механічні властивості сталі: зміцнює ферит та підвищує ударну в'язкість при концентрації 1,5...2 %. Найбільш цінним, але досить дефіцитним є нікель, який підвищує міцність та твердість фериту, у той же час не зменшує його в'язкість та знижує температуру порогу холодноламкості. Марганець та кремній, що мають відмінну від  - Fe кристалічну ґратку, значно підвищують міцність фериту та значно зменшують його в'язкість. Висока конструкційна міцність забезпечується раціональним, оптимальним легуванням. Надмірне легування знижує запас в’язкості, що полегшує крихке руйнування сталевих виробів.

Найважливішим фактором, що сприяє підвищенню конструкційної міцності, є зниження, завдяки легуванню, критичної швидкості гартування та зростання прогартовуваності, що у свою чергу дає можливість отримати однорідні властивості у більших перерізах. Найефективніше сприяє підвищенню прогартовуваності комплексне легування (хром + нікель, хром + нікель + молібден тощо), що забезпечує отримання високого комплексу властивостей у перерізі до 300 мм. Саме тому для великих деталей складної форми використовується саме комплексне легування сталі. Менш різке охолодження при гартуванні в маслі зменшує внутрішні напруження та можливість появи тріщин у деталях.

Більшість Л.Е. зменшує розмір зерна аустеніту, що сприяє підвищенню роботи розвитку тріщин та зменшенню порогу холодноламкості. Елементи, що утворюють карбіди, а також Со та Si, затримують процеси виділення та коагуляції карбідів під час відпускання, зберігаючи тим самим міцність сталі при нагріванні.

Завдяки легуванню змінюється положення концентраційних точок S та Е на діаграмі залізо-цементит (рис. 5. 2).

Рисунок 5. 2 – Вплив легуючих елементів на положення точок S та Е

Максимальна кількість вуглецю, що розчиняється в аустеніті (точка Е) зменшується, що призводить до зсуву лінії SЕ ліворуч, тому ледебурит у структурі легованих сталей з'являється при менших, ніж 2,14 %, концентраціях вуглецю. Наприклад, у сталі з 4 %W ледебурит спостерігається при наявності приблизно 1 % вуглецю.

За їх впливом на температури поліморфних перетворень легуючі елементи поділяють на аустенітоутворюючі (нікель, марганець, мідь, азот, кадмій, вуглець) та феритоутворюючі (більшість легуючих елементів: хром, молібден, вольфрам, ванадій, титан, алюміній, кремній та інші). Елементи першої групи знижують температури точок а₃ та підвищують температури точок а₄, тобто розширюють -зону. Якщо кількість легуючих елементів перевищує концентрацію, що відповідає вмісту точки b (рис. 5. 3, б), то кристалічна ґратка аустеніту ГЦК стає стійкою при кімнатних температурах. Такі сталі звуться аустенітними.

При введенні феритоутворювачів навпаки, температури точок а₃ підвищуються, а а₄ – знижуються, тобто область стійкого існування аустеніту зменшується, тому  - зона є замкнутою (рис. 5. 3, а). Однофазні сплави з ОЦК - ґраткою, стійкі при будь-якій температурі до лінії солідус, звуться феритними. Хром замикає -зону при 13 % (точка С), кремній – 2,0 %, ванадій – 1,3 %.

Рисунок 5. 3 - Схема діаграм стану залізо - легуючий елемент:

а – феритоутворювачі; б – аустенітоутворювачі.