методички / 4006

ствующей буквы. Если легирующего элемента около 1 % или менее, то цифра после буквы не ставится.

В инструментальных сталях и в сталях с особыми свойствами количество углерода обозначается только одной цифрой, указывающей содержание углерода в десятых долях процента.

Для высококачественных сталей в конце обозначения марки ставят букву А. Некоторые марки сталей выделены в особые группы и обозначаются буквами,

стоящими в начале марки: быстрорежущие – Р, шарикоподшипниковые – Ш, для постоянных магнитов – Е, электротехнические – Э и другие.

Углеродистые и легированные стали можно классифицировать по многим параметрам (рис. 4.1).

Рисунок 4.1 – Схема классификации сталей

21

При суммарном содержании легирующих элементов до 5 % сталь является низколегированной, от 5 до 10 % − среднелегированной, более 10 % − высоколегированной.

Основные структурные составляющие легированных сталей − легированный феррит, легированный аустенит, легированный цементит и специальные карбиды.

Легирующие элементы образуют в стали карбиды, сульфиды и пр.; растворяются в решетке железа, искажая ее; влияют на полиморфное превращение в железе, тем самым, оказывая воздействие на состояние сплава. Введенные в сталь совместно легирующие элементы действуют иначе, чем в отдельности.

Легированный феррит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в α-железе (феррите) и отличается от обычного феррита тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами легирующего элемента. Под микроскопом легированный феррит ничем не отличается от феррита углеродистой стали.

Легированный аустенит представляет собой твердый раствор легирующих элементов в γ-железе. Он наблюдается под микроскопом в виде однородных зерен, часто с наличием линии сдвига или двойников.

Легированный цементит представляет собой раствор легирующих элементов в карбиде железа Fе3С и отличается от цементита железа углеродистых сталей тем, что в его кристаллической решетке атомы железа частично замещены атомами карбидообразующих легирующих элементов. Под микроскопом легированный цементит ничем не отличается от обычного цементита углеродистых сталей.

Специальные карбиды − соединения легирующих элементов с углеродом. Они отличаются высокой твердостью и обычно большей, чем цементит, дисперсностью. Различают две группы карбидов: имеющие сложную кристаллическую решетку (Cr23C6, Cr3C7, Fe2W2C7) и имеющие простую кристаллическую решетку (W2C, WC, Mo2C, VC, TiC). Под микроскопом специальные карбиды трудно отличить от цементита. Для выявления состава карбида применяются специальные реактивы и методы травления. Некоторые специальные карбиды имеют специфическую форму, например, карбид титана имеет форму кубиков.

По структуре легированные стали делятся на пять классов: перлитный, мартенситный, ферритный, аустенитный и карбидный.

К перлитному классу относятся низколегированные стали, в которых, после нормализации, образуется перлитная (сорбитная, трооститная) структура.

22

К мартенситному − среднелегированные стали, наличие легирующих элементов в которых обеспечивает образование мартенситной структуры.

К аустенитному − высоколегированные стали, в которых при нормализации не происходит превращение аустенита, и он полностью сохраняется в стали при комнатной температуре (приложение 4).

К ферритному − стали, легированные значительным количеством элементов, расширяющих область α-твердого раствора (феррита). Такие стали не испытывают аллотропических превращений и при любых температурах находятся в состоянии α-твердого раствора (приложение 4).

Ферритного класса стали кри-

сталлизуются с образованием Сталь Э42 (Феррит) структуры легированного феррита

К карбидному классу относятся в основном инструментальные стали с большим содержанием карбидообразующих элементов (Cr, W, Mo, Ti). Структура сталей этого класса состоит из перлитной, мартенситной или аустенитной основы и большого количества карбидов.

23

Конструкционные легированные стали

Строительные стали (09Г2, 17ГС). Термической обработке их не подвергают. Структура их − легированный феррит и перлит.

Машиностроительные стали делятся на цементуемые и улучшаемые. Цементуемые стали после отжига имеют в структуре легированный феррит и перлит, а некоторые и мартенсит (20Х, I2XH3A и др.). После цементации, закалки и низкого отпуска в структуре поверхностного слоя образуется мелкоигольчатый мартенсит (могут быть карбидные включения). Структура сердцевины при сплошной прокаливаемости – малоуглеродистый мартенсит и феррит легированные.

Улучшаемые стали (40Х, 45ХГ, 38ХМЮА) после отжига при температуре 860 °С состоят из перлита и феррита легированного, т. е. металлографически не отличаются от структуры углеродистой стали. Эта сталь подвергается объемной закалке с 860 °С в масле и последующему отпуску при 520 °С. Структура стали – сорбит легированный, сохранивший ориентировку мартенсита.

Пружинно-рессорные стали (65Г, 50С2, 55СГ) подвергают закалке и среднему отпуску на структуру троостита (троостит легированный).

Подшипниковые стали (ШХ9, ШХ15) подвергаются неполной закалке с низким отпуском. Получается структура мартенсита легированного с мелкими карбидами. Стали с такой структурой обладают высокой износостойкостью и пределом выносливости.

Высокомарганцовистые износостойкие стали аустенитного класса (Г1З, 110Г1ЗЛ).

Сталь имеет структуру легированного аустенита с избыточными карбидами (Fе, Mg3) С. После литья детали закаливают нагревом до 1000−1100 °C с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Закаленная сталь обладает твердостью НВ 2000. Твердость стали повышается после сильного наклепа, т. к. в условиях ударного воздействия в поверхностном слое стали образуется большое количество дефектов кристаллического строения (дислокации, дефекты упаковки). В результате твердость поверхности повышается до НВ 6000 и сталь становится износостойкой. Применяют для крестовин железнодорожных и трамвайных путей, зубьев ковшей экскаваторов, для щек дробилок.

Инструментальные легированные стали

Стали для штампов и других инструментов холодной обработки металлов давлением должны обладать высокой твердостью, сочетающейся с удовлетворительной вязкостью. Данным требованиям удовлетворяют стали Х12, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ и др. Более высокой теплостойкостью должны обладать стали для штампов горячей обработки металлов давлением. В этом случае применяют стали 5ХНМ, 5ХНВ, 3Х2В8Ф и другие с твердостью после термической обработки 35−45 HRC, структура – троостит легированный.

Низколегированные инструментальные стали (Х9, ХВГ, X, 9ХС) после неполной закалки и низкого отпуска состоят из мартенсита отпуска легированного и легированного цементита.

24

Быстрорежущая сталь (Р9, P18) в равновесном состоянии относится к ледебуритному классу. Структура такой стали после литья будет состоять из перлита, ледебурита и вторичных карбидов. Для разрушения ледебуритной эвтектики и равномерного распределения карбидов, а также для подготовки структуры к последующей термической обработке эта сталь после литья подвергается ковке и отжигу, структура стали изменяется на сорбит с большим количеством равномерно распределенных вторичных и первичных карбидов. Окончательная термическая обработка быстрорежущей стали заключается в неполной закалке при 1250−1300 °С и трехкратного низкого отпуска при температуре 560 °С. Структура закаленной стали состоит из мартенсита легированного, первичных карбидов и значительного количества остаточного легированного аустенита (до 40 %). В процессе многократного отпуска из остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды, что ведет к обеднению аустенита углеродом и легирующими элементами. Структура после однократного отпуска состоит из мартенсита, первичных карбидов и отдельных участков нераспавшегося аустенита (светлый фон в поле микрошлифа). После трехкратного отпуска структура состоит из мартенсита и первичных карбидов, аустенита не более 3 %.

Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали

Коррозионно-стойкие стали устойчивы к коррозии в воздушной атмосфере, морской и речной воде, а также в некоторых агрессивных средах при разных температурах.

Жаропрочные стали способны противостоять механическим нагрузкам при высоких температурах, обладают высокими значениями предела ползучести и длительной прочностью. По структуре делятся на несколько классов: перлитные, мартенситные, мар- тенситно-ферритные и аустенитные.

Стали мартенситного класса коррозионно-стойкие (20Х13, 30Х13 и др.), жаропрочные при температуре 500−600 °С (15Х11МФ, 40Х9С2 и др.) имеют структуру мартенсита легированного.

Стали аустенитного класса коррозионно-стойкие (12Х18Н9, 10Х14Г14Н10Т), жаропрочные при температуре 600−750 °С (45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС и др.), после ТО имеют структуру аустенита легированного.

Стали ферритного класса являются коррозионно-стойкими (12Х17, 15Х25Т и др.), имеют структуру крупнозернистого легированного феррита с небольшим количеством карбида кремния. Стали имеют склонность к сильному росту зерна при нагреве, их подвергают рекристаллизационному отжигу.

Стали перлитного класса (15ХМ, 12Х1МФ и др.) являются жаропрочными при температуре 400−550 °С. После нормализации имеют структуру феррит + бейнит.

Стали аустенитно-мартенситного класса коррозионно-стойкие (09Х15Н8Ю и др.) после сложной ТО (закалка, обработка холодом, отпуск (старение)) имеют структуру мартенсита и аустенита.

25

Стали мартенситно-ферритного класса коррозионно-стойкие (12Х13 и др.), жаропрочные при 580−600 °С (15Х12ВМБФР) после закалки и отпуска имеют структуру мертенсит + феррит.

Стали аустенитно-ферритного класса (08Х21Н6М2Т и др.) имеют структуру аустенит + феррит.

Порядок выполнения работы

1.Изучите классификацию легирующих элементов, особенности маркировки и принципы классификации легированной стали по составу, назначению, структуре в равновесном состоянии и после охлаждения на воздухе из аустенитного состояния.

2.Рассмотреть структуры микрошлифов легированных сталей с помощью микроскопа, схематически зарисовать. Используя таблицу 4.2 описать и охарактеризовать структуры сталей.

3.Указать класс исследуемой стали по структуре в отожженном и нормализованном состоянии.

4.Исследовать особенности микроструктуры термически обработанных сталей, выявить характерные особенности их структурных составляющих.

5.Результаты исследований представить в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Результаты исследований микроструктуры и свойств легированных сталей

5.Определите химический состав конструкционных легированных сталей по их маркам: 12ХН9Т18, ХН77ЮР, 15Х28, 80НХС, 12Х25Н16Г7АР, 08Х14Н28В3Т3ЮР, 37Х12Н18МФ5, ШХ15СГ и др.

6.Определите химический состав инструментальных легированных сталей по их маркам: 7ХФ, Р10К5Ф5, 11ХФ, ХГС, 9Х5ВФ и др.

7.Определить области применения легированных сталей, используя Приложения 5 и Приложение 8.

7.Расшифровку марок сталей оформить в виде таблицы 4.2.

Таблица 4.2 – Марки легированных сталей, их химический состав и области применения

26

Содержание отчета

Отчет включает в себя цель работы; классификацию легированных сталей; зарисовки микроструктур легированных сталей с описанием особенностей; диаграммы состояния сплавов железо − легирующие элементы с открытой и замкнутой γ-областью (приложение 4), примеры расшифровок химического состава легированных сталей по их маркировкам.

Контрольные вопросы

1.Перечислите требования к цементуемым сталям.

2.Для чего предназначены цементуемые стали?

3.Опишите структуру сталей после улучшения.

4.Охарактеризуйте режимы упрочнения и структуру рессорно-пружинных сталей.

5.Какие классы легированных сталей бывают по структуре?

6.Подшипниковые, штамповые и инструментальные стали. Особенности структуры и свойства.

7.Назовите особенности структуры и свойств износостойких сталей.

8.Перечислите основные легирующие элементы коррозионно-стойких сталей.

9.Перечислите основные легирующие элементы жаропрочных сталей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

СТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цель работы: исследовать структуру, свойства, способы получение чугунов различного назначения, области применения.

Оборудование, материалы, наглядные пособия: металлографический микроскоп Метам РВ-22, микрошлифы чугунов, альбом фотографий микроструктур, плакат «структурные диаграммы чугунов».

Основные теоретические сведения

Белые чугуны (ГОСТ 805)

Чугуны – сплавы железа с углеродом и с другими элементами с содержанием углерода более 2 %.

Чугуны, в которых весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита, называются белыми. Поверхность излома таких чугунов светлая, блестящая. Представление о структурах белых чугунов дает диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов. Чугуны с содержанием углерода до 4,3 % (левее точки С) называются

27

доэвтектическими, с содержанием углерода 4,3 % (точка С) – эвтектическими, с содержанием углерода более 4,3% (правее точки С) – заэвтектическими.

Характерной структурой в них является ледебурит вторичный ЛII (рисунок 5.1). Он представляет собой смесь цементита первичного с продуктами превращения аустенита (перлитом П и цементитом вторичным ЦII).

Рисунок 5.1 – Схемы микроструктур белых чугунов (верхний ряд ×100, нижний ряд ×500): а – доэвтектического; б – эвтектического; в – заэвтектического

Фазовый состав доэвтектических белых чугунов ЛII + П + ЦII. В заэвтектических белых чугунах присутствует ЛII и ЦI. Цементит в них просматривается в виде светлых пластин, расположенных под углом друг к другу, а перлит − в виде темных. При частичной графитизации цементита в структуре белого чугуна появляется графит. Такие чугуны называются половинчатыми.

Белый чугун получают при быстром охлаждении расплавленного металла с незначительным количеством кремния. Чугуны очень твердые, хрупкие, трудно обрабатываются резанием. Твердость эвтектического чугуна НВ 5500. Белые чугуны применяют для изготовления ковкого чугуна и стали, поэтому их часто называют передельными чугунами. Из белых чугунов изготавливают изделия – прокатные валки. Они имеют твердую износостойкую поверхность (отбеленную корку) и более пластичную, вязкую сердцевину (серый чугун).

Половинчатые чугуны применяют в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки) и детали повышенной износостойкости (прокатные, мукомольные валки).

Серые чугуны (ГОСТ 1412)

Серым называют чугун, в котором часть или весь углерод находится в свободном состоянии в виде графита, имеющего в плоскости микрошлифа форму прямолинейных или слегка изогнутых пластин (рисунок 5.2).

28

серый чугун с пределом прочности при растяжении 20 кгс/мм2 (200 МПа). Основные марки серых чугунов: СЧ 10; СЧ 15; СЧ 20; СЧ 25; СЧ 30; СЧ 35; СЧ 40; СЧ 45.

Для повышения механических свойств серого чугуна применяют модифицирование. Модифицирование включает операцию введения в расплав металла измельченного ферросилиция или силикокальция. Добавки измельчают структурные составляющие чугуна, положительно влияют на равномерность распределения графитовых включений. Чугуны марок СЧ 30, СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45 относятся к модифицированным.

Ковкие чугуны (ГОСТ 1215)

К ковким относят чугуны с графитовыми включениями хлопьевидной формы (рисунок 5.3, а).

а) б)

Рисунок 5.3 – Схемы микроструктур ковкого перлитного (а) и высокопрочного перлитного(б) чугунов

Такой чугун получают в отливках, изготовленных из доэвтектического белого чугуна и подвергнутых последующему графитизирующему отжигу по заданному режиму (рис. 5.4). Отжиг приводит к распаду цементита и образованию графита.

Рисунок 5.4 – Схема получения ковкого чугуна

Механические свойства ковкого чугуна определяются структурой металлической основы (ферритная, ферритно-перлитная, перлитная) и степенью компактности включений

30