Архив ZIP - WinRAR (2) / Материаловедение Экзамен / билет 20

Билет 20

7.3. Закалка

Закалка – нагрев доэвтектоидной стали на 30..50°С выше АС3, заэвтектоидной - на 30..50°С выше АС1, выдержка и последующее охлаждение со скоростью выше критической (Рис. 38, 42). Цель закалки – получение структуры мартенсита.

Структуры сталей после закалки:

доэвтектоидных - М+АОСТ,

эвтектоидной - М+АОСТ,

заэвтектоидных – М+АОСТ+ЦII.

Рис. 42. «Стальной угол» диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами нагрева под закалку

В качестве закалочных сред применяются: вода, водные растворы солей и щелочей, минеральное масло. Охлаждающая среда должна обеспечивать скорость охлаждения стали выше критической в области наименьшей устойчивости аустенита. В диапазоне температур мартенситного превращения скорость охлаждения желательно замедлить, чтобы уменьшить внутренние напряжения, возникающие при переходе аустенита в мартенсит, и предотвратить возникновение закалочных дефектов. Для углеродистых и низколегированных сталей применяют воду и водные растворы NaCl, NaOH. Для легированных сталей применяют минеральное масло.

Закалка, как правило, не является окончательной термообработкой, после нее следует отпуск.

2

2 .Жаростойкие стали

Жаростойкость (окалиностойкость) – это стойкость металла против газовой коррозии (окисления) при высоких температурах. При температурах выше 550°С железо окисляется с образованием рыхлого оксида FeO. Для повышения жаростойкости стали легируют хромом, а также дополнительно алюминием и кремнием, которые образуют на поверхности металла плотные оксидные пленки Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, обладающие защитными свойствами. Жаростойкость стали, т.е. максимальная температура, при которой сохраняются защитные свойства пленки, не зависит от структуры стали, а определяется, главным образом, содержанием в ней хрома. Введение в сталь 5…8% Cr (15Х5) повышает жаростойкость до 750°С, 15…17% Cr (12Х17) – до 1000°С, 25…30% Cr (15Х25Т) – до 1100°С.

Жаростойкие стали применяют в условиях высоких температур при небольших механических нагрузках (печное оборудование, электро- нагреватели, теплообменники и др.) Жаростойкие стали используются, как правило, без упрочняющей термообработки. Многие жаростойкие стали одновременно являются и коррозионно-стойкими.

8.4.2.2. Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали

– это стали устойчивые против электрохимической коррозии. Для защиты от электрохимической коррозии в сталь вводят хром в количестве не менее 13%, при этом электрохимический потенциал становится положительным (рис. 45). Необходимо, чтобы хром находился в твердом растворе, для предотвращения связывания хрома в карбиды содержание углерода в стали должно быть небольшим.

Рис. 45. Влияние содержания хрома на электрохимический потенциал железохромистых сплавов

По химическому составу нержавеющие стали подразделяют на хромистые и хромоникелевые.

Хромистые нержавеющие стали, содержат, как правило, 13%, 17% или 25% Cr. Чем больше содержание хрома в стали, тем выше коррозионная стойкость.

Стали 12Х13 и 20Х13 относятся к полуферритному (феррито-мартенситному) классу. Термообработка: закалка+высокий отпуск, структура: сорбит отпуска+карбиды. Применяют их для работы в слабоагрессивных средах для деталей, подвергающихся ударным нагрузкам – клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода.

Стали 30Х13, 40Х13 относятся к мартенситному классу. Термообработка: закалка+низкий отпуск. Структура: мартенсит отпуска с высокой твердостью 50…60 HRC. Применяют их для хирургических инструментов, карбюраторных игл и т.п.

Высокохромистые стали 12Х17, 15Х25Т относятся к ферритному классу. В них отсутствуют полиморфные превращения, поэтому они не упрочняются термообработкой. Структура: легированный феррит. Эти стали называют кислотостойкими, применяют их для изготовления оборудования пищевой, легкой и химической промышленности.

Хромоникелевые нержавеющие стали аустенитного класса имеют пониженное содержание углерода (0,04…0,17%С) для предотвращения образования карбидов, содержат 17…19%Cr для защиты от коррозии и 8…12%Ni для стабилизации аустенитной структуры: 12Х18Н8, 08Х18Н10. В равновесном состоянии стали имеют структуру аустенит+карбиды хрома М23С6. Путем закалки от температуры 1100…1150С в воде или на воздухе обеспечивается растворение карбидов и получение однофазной структуры легированного аустенита.

Эти стали не упрочняются термообработкой, повышение прочности достигается наклепом в результате холодной пластической деформации. Хромоникелевые стали обладают высокой пластичностью, коррозионной стойкостью в окислительных и других агрессивных средах, хорошей обрабатываемостью давлением.

Аустенитные хромоникелевые стали склонны к межкристаллитной коррозии (МКК) - коррозии по границам зерен. Это происходит из-за локального выделения карбидов хрома и обеднения хромом пограничных участков аустенита. Чем меньше в стали углерода, тем ниже ее склонность к МКК. Для снижения склонности к МКК в стали вводят титан или ниобий (например, 12Х18Н9Т или 08Х18Н12Б), которые связывают углерод в карбиды TiC или NbC, сохраняя весь хром в твердом растворе.

Аустенитные хромоникелевые стали отличаются широким масштабом применения для различных изделий, работающих в агрессивных средах, в частности, в химической и пищевой промышленности.

3

9.1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 9.1.) в сплавах образуются следующие фазы:

α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θII, причем частицы θII располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 9.2. а).

Рис.9.1. Диаграмма состояния Al-Cu.

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 9.2 б, 9.2 а).

а) б) в)

Рис.9.2. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θ_II), б – после закалки (α-твердый раствор), в - после закалки и старения.

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Процесс старения идет в 3 стадии:

• На первой стадии старения атомы меди образуют скопления в кристаллической решетке α–твердого раствора - зоны Гинье-Престона (зоны ГП) (рис. 48 б), что вызывает искажения кристаллической решетки и, следовательно, повышение прочности сплава (рис. 49).

• На второй стадии старения по мере выдержки сплава при повышенных температурах образуется метастабильная θ'-фаза, близкая по составу к CuAl2, имеющая свою кристаллическую решетку, которая сохраняет когерентные связи с решеткой α-твердого раствора (рис. 48 в). Это усиливает искажения кристаллической решетки, твердость и прочность сплава повышается (рис. 9.3).

• На третьей стадии старения при дальнейшей выдержке происходит срыв когерентности и выделение частиц стабильной θ–фазы (CuAl₂) (рис. 9.2. г). Искажения кристаллической решетки частично снимаются, и прочность сплава понижается (рис. 49).

а) б) в) г)

Рис.9.3. Влияние температуры и длительности старения на прочность алюминиевых сплавов

4

Колен вал изготовлен из стали 45.Выберите режим ТО для получение вязкой сердцевины и высокой износостойкости шеек. Обоснуйте свой выбор.Стр-ра  на поверхности и в сердцевине.

Улучшение(нормализация)+зак ВЧ+НО. Структура=поверхность М+Аост, сердцевина Сотп(Спласт+Ф)