8.4 Контрольні питання

1. Температура і призначення низького відпуску?

2. При якому відпуску можна отримати гарну ударну в’язкість?

3. Призначення високого відпуску, температура, отримана структура.

4. При якому відпуску відбуваються бездифузійні процеси і які?

5. Чим пояснюються більш високі механічні властивості сталі зі структурою сорбіту відпуску в порівнянні зі сталлю, яка має структуру сорбіту загартування?

6. Як впливають карбідоутворюючі легуючі елементи на С-подібні криві?

7. Відзнака сорбіту і троститу відпуску?

8. Визначення “інкубаційний період” при А→П.

9. Графічно зобразіть залежність механічних властивостей сталі від температури відпуску.

10. Перелікуйте структури, яки можна отримати при відпуску низькому, середньому, високому.

Лабораторна робота 9

МЕТАЛОГРАФІЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ БУДІВЕЛЬНИХ,

КОНСТРУКЦІЙНИХ СТАЛЕЙ І СТАЛЕЙ З ОСОБЛИВИМИ

ВЛАСТИВОСТЯМИ, ЇХ ТЕРМІЧНА ОБРОБКА

9.1 Мета роботи: вивчити структуру найважливіших марок легованих сталей: будівельних, конструкційних, інструментальних і сталей з особливими властивостями

9.2 Теоретичні відомості

За хімічним складом сталі поділяються на вуглецеві і леговані. Леговані сталі містять спеціальні елементи, які змінюють її властивості: Ni, Mn, Si, W, V, Nb, Ti, Al, Cr, Co, Zr, Cu, B, N, в деяких випадках Р, S.

Постійні домішки Mn до 0,8%, Si до 0,4%, S і P в залежності від якості сталі, але не більш 0,06% S і 0,08% Р.

Si і Mn є гарними дезоксидантами, які розчиняючись у фериті, підвищують властивості міцності: межу міцності, твердість, межу пружності.

S і Р є шкідливими домішками, вміст цих елементів лімітується. Тільки в автоматних сталях для підвищення обробки різанням вміст сірки доводять до 0,3%, фосфору до 0,15%.

Сірка з залізом утворює сірністе залізо FeS. При температурі 985°C кристалізується легкоплавка евтектика (механічна суміш Fe + FeS), яка розташується по границям зерен. При гарячої обробки тиском евтектика плавиться, що є причиною утворення тріщин в процесі кування, прокатки і при температурах вищих за 900°C. Таке явище називається червоноламкістю.

Негативний вплив сірки істотно пом’якшує марганець. Він утворює сполуку MnS з температурою плавлення 1620°C. В межах температур гарячої обробки тиском (800…1200°C) MnS пластичний запобігає крихкому руйнуванню. Водночас, сульфіди марганцю при нормальній температурі можуть стати центрами зародження тріщин під повторно-змінними навантаженнями.

Фосфор, розчинююсь у фериті, підвищує твердість, межу міцності , але різко знижує пластичність, ударну в’язкість. Фосфор викликає у сталі холодноламкість, тобто схильність сталі до крихкого руйнування при низьких температурах.

За відношенням до вуглецю усі легуючи елементи поділяються на дві групи: які не утворюють карбіди – Co, Ni, Cu, Zn і ін. (в періодичної системі Менделєєва вони знаходяться правіше за залізо); які утворюють карбіди – Zr, Mn, Cr, Mo, W, V, Ti і ін. (знаходяться в періодичної системі лівіше за залізо).

Легуючі елементи при взаємодії з залізом можуть утворювати хімічні сполуки (інтерметилічні фази) і тверді розчини. Легуючі елементи, які розчинюються у фериті або аустеніті, утворюють тверді розчини заміщення, нітроген, бор, вуглець утворюють тверді розчини - проникнення.

Легуючи елементи по різному впливають на температури поліморфного перетворення заліза (А₃ – 911°C і А₄ – 1392°C).

До легуючих елементів, які розширюють -область (підвищують А₄ і знижують А₃) відносяться: Ni, Mn, Co, Cr (до 2%), C (-стабілізатори). Сплави з концентрацією легувального елементу більш певного значення в яких не відбувається ↔ фазових перетворень при нагріванні та охолодженні називаються аустенітними.

Легуючи елементи, які знижують А₄ і підвищують А₃, тобто розширюють -область: Cr (більш 2%), Mo, W, Ti і ін. (-стабілізатори). Сплави з концентрацією легувального елементу більш певного значення, які мають у всьому діапазоні температур тільки -твердий розчин, називають феритними.

Класифікація легованих сталей за структурою в нормалізованому стані:

• Перлітного класу – при охолодженні на повітрі аустеніт перетворюється в ферито-карбідну суміш (перліт, сорбіт або троостит). До сталей перлітного класу відносяться доевтектоїдні, евтектоїдні і заевтектоїдні вуглецеві і леговані з вмістом легувальних елементів за сумою не більше 5%. За призначенням ці сталі можуть бути конструкційними або інструментальними (14Г, 09Г2С, 09Г2, 30ХГСН2А);

• Мартенситного класу – аустеніт переохолоджується в мартенсит, кінцева структура складається з мартенситу і залишкового аустеніту. Сталі мартенситного класу можуть містити такуж кількість вуглецю, що і сталі перлітного класу, але обов’язково повинні містити підвищену кількість (5…13%) легувальних елементів. За призначенням ці сталі можуть бути конструкційними, інструментальними, жароміцними (14Х2ГМ, 14Х2ГМРБ, 15ХМ, 5ХНФ, 40Х13);

• Феритного класу – сталі зі структурою фериту при будь яких температурах. До сталей феритного класу належать сталі з вмістом вуглецю більш 13% (08Х17Т, 15Х25Т);

• Аустенітного класу – після охолодження на повітрі зберігається структура аустеніту. Сталі аустенітного поділяються на жароміцні і корозійностійкі. Жароміцні сталі аустенітного класу поділяються на дві групи: гомогенні, яки не зміцнюються термічною обробкою (т/о) (Х14Н16Б, Х18Н12Т), гетерогенні, яки зміцнюються т/о (Х12Н20Т3Р, 40Х18Н25С2). Корозійностійкі аустенітні сталі, це сталі типу 18-10 (12Х18Н10Т, 08Х18Н10), сталі системи Cr-Mn, Cr-Mn-Ni, Cr-Ni-Mo.

• Мартенситно-старіючи сталі – безвуглецеві комплексно леговані, яки при т/о загартування і старіння утворюють залізо-нікелєвий мартенсит з дисперсними частинками інтерметалідних фаз. Мартенситно-старіючи сталі, це сталі типу Fe-Ni-Mo, Fe-Ni-Co-Mo, Fe-Cr-Ni-Mo, Fe-Cr-Ni-Co-Mo (Н18К9М5, Х14Н4К14М3Т).

За призначенням сталі класифікуються на наступні групи:

• Будівельні вуглецеві і леговані з вмістом вуглецю до 0,37%;

• Конструкційні вуглецеві і леговані з вмістом вуглецю до 0,85%;

• Інструментальні вуглецеві і леговані з вмістом вуглецю 0,7…1,3%;

• Сталі з особливими властивостями, високолеговані.

Легувальні елементи змінюють механічні властивості сталей, також впливають на перетворення при термічній обробці сталі.

Усі легувальні елементи зменшують теплопровідність сталі, тому при відпалу, нормалізації і загартуванні нагрів необхідно проводити повільно, щоб запобігти виникнення внутрішніх напружень.

При уведенні в сталь легувальних елементів, яки знижують точки А₁ і А₃ (Сr до 2%, Ni і Mn), будуть знижатися і температури нагріву сталі під відпалу, нормалізації і загартування. Усі інші елементи підвищують температуру нагріву при термообробки.

Час витримки легованих сталей при відпалу, нормалізації і загартуванні в 2…2,5 разів більше за вуглецевих. Легувальні елементи, крім Ni і Co, гальмують перетворення перліту в аустеніт.

Усі легувальні елементи, крім Мn, гальмують ріст зерна аустеніту при нагріванні. Тому легувальні сталі менш схильні до перегріву при т/о, а тому володіють більшою ударною в’язкістю ніж вуглецеві після термообробки.

Усі легувальні елементи, за винятком Со, зменшують критичну швидкість загартування (зміщують діаграму ізотермічного розпаду аустеніту вправо), отже, збільшують прогартованність сталі.

Усі легувальні елементи, які розчинні в аустеніті, за винятком Со, Аl і Si, знижують температуру мартенситних перетворень (точки М_п і М_к), отже при загартуванні легованих сталей в них залишається більше залишкового аустеніту, ніж в вуглецевих.

Легувальні елементи уповільнюють перетворення при відпуску сталі.

Будівельні вуглецеві і легувальні сталі використовуються в вихідному стані, зміцненні холодною пластичною деформацією (наклепом) і термічною обробкою: нормалізація і термічне зміцнення з наступним відпуском.

Для конструкційних сталей основним видом термообробки є поліпшення: загартування і високий відпуск. Також для цих сталей рекомендовано застосовувати і інші види термообробки: нормалізацію, загартування і низький відпуск, ізотермічне загартування, термомеханічну обробку.

Для роботи при температурах 500…550°C використовують сталі перлітного, мартенситного і феритного класів. В автобудуванні використовують сильхроми марок Х6С, Х9С2, Х6СМ і ін. Термічна обробка сильхромів складається з загартування від 100…1050°C і високого відпуску на сорбіт при температурі 750…780°C.

Для роботи в інтервалі температур 500…700°C застосовують сталі аустенітного класу.

Гомогенні сталі аустенітного класу, яки не зміцнюються термообробкою (1Х14Н16БР, Х18Н10Т і ін.) використовують після наступної термообробк: нагрів до 1050…1100°C і охолодженні у воді або на повітрі, потім стабілізуючий відпуск при температурі 650…700°C протягом 8 годин. Після такої т/о сталь Х18Н10т має структуру однорідного аустеніту.

Аустенітні сталі, яки зміцнюються термообробкою (Х12Н20Т3Р, 4Х14Н14В2М і ін.), оброблюються за наступним режимом: загартування від температури 1100…1200°C. Мета загартування – отримати пересичений вуглецем і легувальними елементами аустеніт. Після загартування застосовується старіння при 650…800°C протягом 8…16 годин. При старінні відбувається розпад пересиченого розчину (дисперсійне твердіння). З аустеніту в дрібнодисперсному виді виділяються вторинні карбіди і інтерметаліди, що підвищує жароміцність.

Термічна обробка мартенситно-старіючих сталей полягає в загартуванні від температури 820°C і наступного старіння при температурі 480…500°C.