9.Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы.

Жаропрочность - способность материала противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах.

Жаростойкость (окалиностойкость) - способность сталей и сплавов сопротивляться окислению при высокой температуре.

Жаростойкость зависит от непроницаемости и жаропрочности пленки окислов, образующихся на поверхности сплавов в процессе газовой коррозии при высоких температурах.

Для получения прочной и непроницаемой пленки сталь легируют хромом, кремнием и алюминием.

Жаропрочные сплавы классифицируют по температуре эксплуатации.

Жаропрочные стали делятся:

1. Керметные от 500-550С. Из них изготовляют крепеж, трубы, паропроводы и др. Они содержат малое количество углерода, и легированы хромом, молибденом, ванадием.

2. Мартенситные - детали энергетического оборудования (диафрагмы, роторы) при 600-620С. Легированы хромом, вольфрамом, молибденом, ванадием.

3. Аустенитные - роторы, диски, клапаны дизельных двигателей 600-700С. Легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, бором.

4. Сплавы на никелевой основе при температуре 700-900С: нихром - для нагревательных элементов; нимоники - стареющие сплавы на основе никеля, содержащие хром, титан, алюминий.

5. Керамические материалы - материалы на основе SiС, Si₃Н₄, системы Si-Al-O-N применяют для поршней, головок блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Керамические материалы имеют низкую плотность, прочны, износостойки, хорошо сопротивляются коррозии и эрозии. Детали могут работать при температурах больше 1500-1700С не боясь перегрева и не требуя принудительного охлаждения.

Недостатки: хрупкость, сложность изготовления деталей.

6. Тугоплавкие материалы для работы при температурах свыше 1000С. Это металлы у которых температура плавления больше железа: хром 1900С, ниобий - 2415С, молибден -2620С, вольфрам - 3410С.

Расширение производства и применения тугоплавких материалов и сплавов связано с развитием атомной теплоэнергетики и ракетно-космической техники.

Все тугоплавкие материалы имеют низкую жаростойкость. Для защиты их от окисления применяют различные покрытия.

Износостойкие стали.

Долговечность машин в большей мере зависит от износостойкости материала, из которого изготавливают их детали.

Износостойкость стали, зависит от ее химического состава, структуры, термической обработки и твердости структуры составляющих.

Для сопрягаемых деталей большое влияние на износостойкость оказывает характер работы и условия износа. Например, графит, являясь внутренней смазкой, уменьшает трение и износ при неабразивном истирании.Структура мартенсит обладает наивысшей износостойкостью из-за наличия твердых и равномерно распределенных карбидов.К износостойким относят углеродистые инструментальные стали, хромистые, хромо - вольфрамовые, быстрорежущие, графитуированные, имеющие высокое содержание углерода и кремния (используют для холодных штампов, калибров и др.).

Широкое распространение получили высокомарганцовистые аустенитные стали. Они обладают высокой вязкостью, износостойкостью, в условиях ударных нагрузок и больших давлений, и применяются для изготовления гусениц тракторов.

10-11.Основы термической и химико-термической обработки стали.

Термической обработкой, называют совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения металлических сплавов, находящихся в твердом состоянии, для изменения их структуры, и получения нужных физико-механических свойств.

Отжиг - нагрев стали до заданной температуры, выдержка и медленное охлаждение (вместе с печью) для получения не напряженной структуры и устранение мехвации.

Отжиг бывает I и II рода. Рекристаллизационный отжиг (I рода) - нагрев сплава для устранения наклепа, полученного в результате холодной деформации и повышения пластичности. Этот вид термообработки основан на процессах возврата, рекристаллизации и гомогенизации.

Отжиг с фазовой перекристаллизацией (II рода), характеризуется нагревом сплава выше температуры фазовых превращений, с целью снижения твердости и устранения структурной неоднородности стали.

Нормализация - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, с последующим охлаждением на воздухе (в нормальных условиях), для улучшения микроструктуры стали и повышения механических свойств, а также для подготовки к последующей термообработке.

Закалка - нагрев стали выше температуры фазовых превращений, с последующим охлаждением по определенному режиму, для получения нужной структуры и повышения прочности и твердости.

Отпуск - нагрев закаленной стали ниже температуры фазовых превращений, для снятия температурных напряжений и получения более равновесной структуры.

Основные факторы термической обработки - это температура и время.

АБ - скорость нагрева сплава;

БВ - выдержка при заданной температуре;

V₁, V₂, V₃, V₄ - скорость охлаждения.

Теория и технология термической обработки стали.

Теория термической обработки.

Превращения при нагреве стали.

При нормальной температуре доэвтектоидные стали имеют структуру феррит + кермет, эвтектоидные - кермет, заэвтектоидные - кермет + цементит, т.е. исходное состояние сталей - феррит и цементит.

При нагреве более 727С происходит фазовое превращение -железа в -железо и растворение цементита в -железе с образованием аустенита.

Доэвтектоидные стали на участке GSP - имеют структуру феррит - аустенит. На линии GS - феррит полностью растворяется в аустените.

Эвтектоидные стали выше S, имеют структуру аустенита.

В заэвтектоидных сталях премет превращается в аустенит, который в дальнейшем при нагревании растворяет вторичный цементит.

Т.о. любой нагрев стали выше GSЕ приводит к превращению ее в аустенитное состояние.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении.

Аустенит устойчив только при температурах выше линии GSЕ. При охлаждении ниже этой линии начинается его превращение.

При медленном охлаждении с температуры выше 727С происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием смеси феррит и цементита - кермета. Аустенит превращается в кермет диффузионно; углерод выделяясь из аустенита, образует зародыши цементитовых включений.

Количество зародышей и скорость их роста зависят от степени переохлаждения. При малой степени переохлаждения аустенит превращается в смесь крупных частиц феррита и цементита (т.к. число центров мало и они успевают вырасти). С увеличением степени переохлаждения можно получить смесь феррита с цементитом, в результате чего твердость и прочность возрастают, а плотность снижается.

Регулируя степень переохлаждения аустенита, можно изменять характер продуктов его распада и получать следующие структуры: кермет, сорбит, троостит, мартенсит.

Кермет, сорбит и троостит являются смесью феррита и цементита с различной степенью измельченности.

Сорбит и троостит получаются при повышенных скоростях охлаждения (40-80С). Сорбит имеет хорошую вязкость и упругость. Троостит меньшую вязкость чем сорбит.

При охлаждении со скоростью 150-300С образуется мартенсит. Он имеет игольчатое строение, высокую твердость, большую хрупкость и внутреннее напряжение. Он неустойчив по своей природе и при определенных условиях может распадаться.

Отжиг. В зависимости от температуры отжига различают: диффузионный отжиг (гомогенизация), полный отжиг, неполный отжиг, отжиг на зернистый кермет, изотермический отжиг.

Троостит.

Диффузионный отжиг обычно применяют когда в сплаве наблюдается зернистая или внутрикристаллическая меквация. При этом виде отжига используют процесс диффузии в твердом растворе, приводящий к выравниванию в стали концентрации углерода и примесей. Иногда такой отжиг называют гомогенизацией, т.к. цель его - сделать сталь однородной (гомогенной).

Отжиг операция нагрева стали выше А_С1 (727С) на 150-300С, длительной выдержкой при данной температуре и последующим медленным охлаждением. Диффузионный отжиг применяют для слитков из легированных сталей.

Полный отжиг - сталь нагревают выше критической точки А_С3 на 30-50С выдерживают при данной температуре, а затем медленно охлаждают. Этот вид отжига проводят чтобы снизить вязкость, т.е. привести сталь в равновесное состояние.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных углеродистых и легированных сталей, находящихся в неравновесном состоянии, т.е. когда сталь закалена, недоотпущена, после горячей обработки давлением.

Для заэвтектоидных сталей полный отжиг не применяется, т.к. при медленном охлаждении этих сталей с температур выше А_ст вторичный цементит выделяется по границе зерен аустенита и при нормальной температуре сохраняется в виде сетки, окаймляющей зерна кермета, что придает стали хрупкость.

Неполным отжигом - называется нагрев стали выше критической точки А_С1 на 30-50С, выдержка при заданной температуре и последующее медленное охлаждение. Данный отжиг является наиболее общим видом термической обработки, потому что он может быть применен не только к сталям, но и ко всем металлическим материалам, в которых возникают внутренние напряжения. При неполном отжиге наблюдают только частичную перекристаллизацию. Избыточный феррит в доэвтектоидных сталях или цементит в заэвтектоидных сталях не переходят в твердый раствор (аустенит).

Неполный отжиг для доэвтектоидных сталей применяют для исправления структуры (измельчения зерна) после обработки давлением. Такому обжигу подвержены эвтектоидные доэвтектоидные стали для снятия внутренних напряжений, уменьшения твердости, увеличения пластичности.

Отжиг на зернистый кермет

Сталь имеющую структуру пластичного кермета нагревают до температуры 740С, 5 часов выдерживают при данной температуре, затем медленно охлаждают до 680С (А_Т1) и опять выдерживают 5 часов. После этого весь процесс повторяют до получения необходимой степени сфероидизации цементита. Иногда этот отжиг называют цикличным. Цель такого отжига - перевод пластичного кермета в зернистый, уменьшение прочности и твердости, улучшение обрабатываемости.

Изотермический отжиг - сталь нагревают как и для полного отжига, быстро охлаждают до температуры меньше А_С1 на 50 -100С, при этой же температуре выдерживают до полного распада аустенита на кермет. После выдержки охлаждение ведут на воздухе (для легированных сталей).

Нормализация.

Это более экономичный, чем отжиг, термический процесс (нет операции охлаждения металла вместе с печью).

Нормализация зависит от состава стали. При нормализации измельчается зерно кермета, разрушается сетка цементита в заэвтектоидных сталях и увеличиваются механические свойства стали. В этих случаях нормализация служит окончательной операцией термической обработки.