Лабораторная работа № 2 термическая обработка легированных сталей

Цель работы:

1. Изучение влияния легирующих элементов на свойства стали.

2. Изучение прокаливаемости и закаливаемости, а также зависимость их величин от содержания углерода в стали.

3. Изучение особенностей термической обработки легированной конструкционной стали 30ХГСА или 40ХНМА по сравнению с углеродистой (сталь 30 или сталь 40), т.е. при одинаковом содержании углерода.

Краткие сведения из теории

Легирование стали может преследовать следующие цели:

1. Повышение прочностных характеристик.

2. Повышение прокаливаемости стали.

3. Получение особых физико-химических свойств (коррозионной стойкости, жаропрочности и жаростойкости).

Легирующие элементы образуют с железом твердые растворы замещения или внедрения, химические соединения с железом и углеродом и между собой. От типа образующихся структурных составляющих, их размеров и формы зависят свойства стали.

Ввиду малой скорости диффузии как легирующих элементов, так и углерода в легированных сталях превращение аустенита в перлит при их охлаждении имеет ряд особенностей:

1. некарбидообразующие элементы Ni, Si, Al, Cu – замедляют превращения аустенита в перлит (они смещают линии начала и конца превращения аустенита вправо, не изменяя вида С-диаграммы);

2. карбидообразующие элементы Cr, Mn, Mo, W, Nb, V, Li, Ta, Zr, (типа Fe₃C, MnC и т.д., или сложные карбиды типа Fe₂MO₂C, Fe₂W₂C и т.д.) при температуре 400 – 500 °C замедляют превращение аустенита в перлит (это отражается на форме кривых изотермического превращения аустенита – на ней появляются два максимума);

3. время максимальной устойчивости аустенита увеличивается с увеличением степени легирования стали;

4. в некоторых сталях (с 0,3 – 0,4% С и 10 – 12% Cr) отсутствует промежуточное превращение;

5. для сталей с повышенным содержанием Cr, W, Mo отсутствует перлитное превращение и реализуется только промежуточное превращение.

Таким образом, диаграммы изотермического превращения аустенита легированных сталей отличаются от таковых для углеродистых и могут быть различны.

Все карбиды, особенно сложные, обладают высокой твердостью, хрупкостью и, присутствуя в стали, повышают ее прочность, теплостойкость, но понижают пластичность. Элементы, образующие с железом твердый раствор, повышают прочность феррита и снижают критическую скорость закалки, способствуя повышению прокаливаемости. Для получения мартенситной структуры для большинства легированных сталей достаточно охлаждения в масле, в то время как углеродистые требуют охлаждения в воде. Легирующие элементы, образуя твердый раствор с железом, существенно повышают прочность и твердость пластической основы стали (феррита), т.е. сама пластическая основа, подлежащая упрочнению, имеют более высокую начальную прочность. Все легирующие элементы повышают твердость и прочность феррита, но в разной степени (рисунок16).

Рисунок 16 – влияние легирующих элементов на твёрдость феррита.

Из рискнке 16 видно, что 4% Mn повышают твердость феррита с НВ=80 кгс/мм² до 230 кгс/мм², т.е. в 3 раза. Исключительно большое влияние легирующие элементы оказывают на кинетику распада аустенита и термообработку. Элементы, которые только растворяются в феррите, сдвигают кривую начала изотермического превращения вправо (рисунок 17), а карбидообразующие элементы Cr, Mo, W, V и пр. в области 400-500ºС сильно замедляют превращению χ_тр в феррито-цементитную смесь.

На рисунке 17 представлены кривые начала распада аустенита углеродистой стали с добавкой Ni, Mn или Si, а на рисунке 18 - с добавкой Cr, W, V, Mo и др. сильно карбидообразующих элементов.

Рисунок 17 – влияние легирующих элементов на положение кривых изотермического распада аустенита легированной стали.	Рисунок 18 – влияние легирующих элементов на вид кривых изотермического распада аустенита легированной стали.

Положение кривых изотермического распада аустенита определяет ту скорость охлаждения стали при закалке, при которой случается нужная структура. Одной из важнейших характеристик стали является критическая скорость закалки - минимальная скорость охлаждения, при которой получается структура мартенсита. Легирующие элементы, сдвигая кривую изотермического распада вправо, повышают устойчивость аустенита, т.е. снижают критическую скорость закалки. Легированные стали даже при закалке с охлаждением в масло, а иногда и при охлаждении в воздухе, закаливаются на структуру мартенсит, что является технологическим преимуществом легированных сталей.