7.4.1. Отпускная хрупкость

Существуют определенные температурные интервалы отпуска, в которых снижается ударная вязкость (Рис.44). Понижение ударной вязкости при температурах отпуска называется отпускной хрупкостью.

Отпускная хрупкость I рода (необратимая) наблюдается в температурном интервале среднего отпуска (250…400°С) у всех конструкционных сталей. Её связывают с неравномерным выделением карбидов из мартенсита по границам зёрен. Хрупкость I рода устраняется нагревом до температуры выше 400°С, снижающим, однако, твердость.

Отпускная хрупкость II рода (обратимая) проявляется при температуре 500…550°С в Cr-Ni- и Cr-Mn- улучшаемых сталях. Предполагаемая причина – скопление фосфора и элементов внедрения по границам зёрен при медленном охлаждении. Хрупкость II рода устраняется повторным отпуском с быстрым охлаждением. Для предупреждения обратимой хрупкости стали легируют молибденом (0,3%) или вольфрамом (до 1%).

Рис. 44. Влияние температуры отпуска на ударную вязкость легированной стали

Сплавы на основе меди. Маркировка, свойства, назначение

Медь и ее сплавы

Свойства меди:

• Т_пл=1083°С,

• кристаллическая решетка ГЦК (полиморфных превращений не испытывает),

• высокая тепло- и электропроводность;

• коррозионная стойкость;

• высокая пластичность;

• высокие технологические свойства: хорошо обрабатывается давлением, сваривается, легко поддается пайке, полируется.

Различают две основные группы медных сплавов: латуни и бронзы.

Латуни

Латуни – сплавы меди с цинком. Маркируются буквой Л и числом, показывающим содержание меди (например, латунь Л68 содержит 68% Cu и 32% Zn). В марках многокомпонентных латуней содержатся буквенные обозначения элементов, числа последовательно показывают содержание меди и каждого легирующего элемента. Например, латунь ЛАН59-3-2 содержит 59%Cu, 3%Al, 2%Ni (остальное Zn).

Латуни по структуре делят на две группы:

• однофазные со структурой α-твердого раствора, содержат <39%Zn;

• двухфазные со структурой α + β', содержат от 39% до 45%Zn.

Однофазные α-латуни (Л96, Л80) обладают пластичностью, хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии, упрочняются холодной пластической деформацией. Однофазные латуни применяются в виде полос, лент, проволоки, а также в качестве деталей (шайбы, втулки и т.д.).

Двухфазные α+β'-латуни (Л59, Л60) по сравнению с однофазными латунями имеют бόльшую прочность и износостойкость, из них изготавливают втулки, гайки, токопроводящие детали.

Специальные латуни дополнительно легированы элементами: Sn, Pb, Si, Ni, Al, Fe, Mn.

Бронзы

Бронзы – это сплавы меди с различными элементами: оловом, алюминием, кремнием, хромом, кадмием, бериллием и др. Маркировка бронз начинается с букв Бр, далее следуют буквенные обозначения легирующих элементов, а затем цифры, показывающие содержание каждого элемента. Например, бронза БрОЦС6-6-3 содержит 6%Sn, 6%Zn, 3%Pb, остальное – медь.

• Задача: Сильхромы 40Х9C2 и 40Х10С2М применяют для изготовления выпускных клапанов двигателей. Т_раб.max=650°С.

После закалки и высокого отпуска формируется структура сорбита отпуска. Жаропрочность достигается за счет упрочнения твердого раствора, образования карбидных и интерметаллидных фаз

Билет №8

Чугуны. Виды чугунов. Высокопрочные чугуны, их состав, структура, получение, строение. Маркировка. Свойства и применение

Чугуны, благодаря наличию эвтектики, обладают высокими литейными свойствами (жидкотекучестью).

В отличие от белых чугунов в серых чугунах углерод частично или полностью находится в виде графита. По составу серый чугун – это тройной сплав Fe-C-Si. Кремний способствует графитизации чугуна. Графит обеспечивает чугуну хорошую обрабатываемость резанием, высокие антифрикционные и демпфирующие свойства, снижает чувствительность к надрезам, но понижает прочность и пластичность. В состав серого чугуна входят 2,4…3,5%С, 1,2…3,5%Si и постоянные примеси – Mn, P и S. Марганец затрудняет графитизацию (отбеливает чугун), но повышает механические свойства, фосфор улучшает жидкотекучесть, но увеличивает хрупкость, сера – ухудшает литейные и механические свойства. Изменяя содержание углерода, кремния и скорость охлаждения отливки можно получить разную структуру серого чугуна. Она состоит из металлической основы и графитных включений.

По металлической основе серые чугуны различают на:

• перлитный,

• феррито-перлитный,

• ферритный.

По форме графитных включений различают:

• серый литейный чугун с пластинчатым графитом;

• высокопрочный чугун с графитом шаровидной формы;

• ковкий чугун с графитом хлопьевидной формы.

Серый литейный чугун (рис.21) получают методом литья. Основными способами графитизации являются:

• медленное охлаждение отливки (малая степень переохлаждения, ΔТ < 6°С);

• легирование кремнием;

• модифицированием твердыми частицами Al₂O₃, SiO₂ или графита.

ферритный феррито-перлитный перлитный

Рис.21. Микроструктуры серых литейных чугунов

Серый чугун плохо работает на растяжение, имеет низкую пластичность (δ<0,5%). Предел прочности на сжатие в 4…5 раз выше, чем на растяжение. Применяют его для деталей, работающих на сжатие: поршневые кольца, станины станков, опоры, блоки цилиндров, поршни, картеры и др.

Высокопрочный чугун (рис. 22) получают методом литься с модифицированием жидкого расплава магнием (0,03..0,08%). Магний способствует получению графита шаровидной формы и измельчению феррито-цементитной смеси металлической основы.

ферритный феррито-перлитный перлитный

Рис. 22. Микроструктуры высокопрочных чугунов

Высокопрочные чугуны применяют для изготовления оборудования прокатных станов, корпусов паровых турбин. В автомобилестроении их используют для изготовления коленчатых валов.

Ковкий чугун получают из доэвтектического белого чугуна длительным отжигом (графитизацией) отливок: медленный нагрев до 950..1000°С, выдержку 20-25 часов, при которой цементит ледебурита и цементит вторичный превращаются в перлит (первая стадия графитизации – получают перлитный ковкий чугун). Для получения ферритного ковкого чугуна с температуры нагрева после первой стадии граффитизации, чугун медленно охлаждают в диапазоне эвтектоидного превращения 760..720°С или дают выдержку 25-30 часов (вторая стадия графитизации), перлит распадается на феррит и графит – получают ферритный ковкий чугун (рис.23). Для получения феррито-перлитного ковкого чугуна сокращаюи время выдержки на второй стадии графитизации. Ковкий чугун отличается высокой пластичночтью (особенно ферритный), его применяют для деталей, работающих в условиях ударных и циклических нагрузок, отливок сложной формы.

Рис.23. Схема отжига ковкого чугуна

Примеры маркировка серых чугунов:

- серый литейный – СЧ35: серый чугун, σ_в=350 МПа;

- высокопрочный чугун – ВЧ1200: высокопрочный чугун, σ_в=1200 МПа;

- ковкий чугун – КЧ37-12: ковкий чугун, σ_в=370 МПа, δ=12%.

Ферритный Феррито-перлитный Перлитный

Рис. 24. Микроструктуры ковких чугунов.

Зерно аустенита в стали. Начальное, наследственное и действительное зерно. Перегрев и пережог

Превращение перлита в аустенит при нагреве

Ппри нагреве эвтектоидной стали выше линии А_С1 (727˚С) перлит превращается в аустенит:

П (Ф_0,02%С+Ц_6,67%С)→А_0,8%С.

Превращение является результатом двух одновременно протекающих процессов:

• полиморфного  превращения;

• диффузионного растворения цементита в аустените. Для выравнивания концентрации углерода в аустените требуется время (гомогенизация).

Начальное зерно аустенита – это зерно, полученное при 727°С, оно всегда мелкое (рис. 32).

Рис. 32. Схема роста аустенитного зерна при нагреве: НМЗ – наследственно мелкозернистая сталь, НКЗ – наследственно крупнозернистая

При нагреве зерно растет. Действительное зерно аустенита – это зерно, полученное при данной температуре, его размер зависит от температуры нагрева, времени выдержки и наследственности стали. Стали наследственно крупнозернистые (НКЗ) при производстве раскислены марганцем. При нагреве рост зерна в них начинается сразу выше А_С1. Стали наследственно мелкозернистые (НМЗ) раскислены марганцем, кремнием и алюминием. Нитрид алюминия AlN, располагаясь по границам зёрен, тормозит их рост. При нагреве до 1000-1100˚С зерно растёт незначительно, но при более высоких температурах частицы AlN растворяются в аустените, и зерна аустенита резко растут.

При последующем охлаждении размер действительного зерна сохраняется, независимо от протекающих фазовых превращений.

Перегрев стали – это нагрев до температур, значительно превышающих температуры фазовых превращений (1000…1100˚С), в результате чего формируется крупнозернистая структура, ухудшаются механические свойства стали. Перегрев можно исправить повторным нагревом до температур, немного выше температуры фазовых превращений (Ас₃ или А_сm).

Нагрев до ещё более высоких температур в окислительной атмосфере, вызывает пережог стали. Происходит образование оксидов железа по границам зерен, резко повышается хрупкость. Пережог неисправим.

1. Отпуск стали. Процессы, протекающие при отпуске. Структуры отпуска и их свойства. Влияние легирующих элементов на превращения при отпуске стали. Отпускная хрупкость и способы ее устранения.

Отпуск – нагрев закаленной стали до температур ниже А_С1, выдержка и охлаждение. Цель отпуска – получение окончательной структуры и свойств стали. Отпуск основан на превращениях мартенсита при нагреве (см. п. 6.3), в результате которых происходит изменение структуры и свойств стали (рис. 43).

Различают три вида отпуска (табл.3). Окончательная термообработка, назначаемая изделию для придания требуемых свойств, состоит из закалки и последующего отпуска. Закалку с низким отпуском применяют для деталей машин и инструмента, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Закалку с последующим средним отпуском – для изделий с повышенными упругими свойствами. Закалку с высоким отпуском (улучшение) – для деталей, работающих при повышенных динамических (ударных) и циклических нагрузках.

Рис. 43. Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали

Таблица 3

Характеристика видов отпуска

Виды отпуска	Температура, °С	Структура	Свойства	Применение
Низкий	150…250	Мотп	HRC, σв	Инструмент, подшипники, детали после ХТО и ТВЧ
Средний	350…500	Тотп	σупр, σ-1	Рессоры, пружины
Высокий	500…680	Сотп	КС	Валы, оси, шатуны