Лабораторная работа №4 термическая обработка легированных сталей

Цель работы: ознакомить студентов с особенностями термической обработки легированной конструкционной стали 30ХГСА или 40ХНМА по сравнению с углеродистой (сталь 30 или сталь 40), т.е. при одинаковом содержании углерода.

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).

Полностью использовать влияние легирующих элементов позволяет термическая обработка, и поэтому применять легированные стали без термической обработки нецелесообразно.

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.

По отношению к углероду легирующие элементы можно разделить на две группы:

- элементы, не образующие карбидов с углеродом₁ Ni, Si, CO, Al, Cu;

- карбидообразующие элементы Cr, Mn, Mo, W, Nb, V, Li, Ta, Zr, образующие или двойные карбиды типа Fe₃C, MnC и т.д., или сложные карбиды типа Fe₂MO₂C, Fe₂W₂C и т.д.

Все карбиды, особенно сложные, обладают высокой твердостью, хрупкостью и, присутствуя в стали, повышают ее прочность, теплостойкость, но понижают пластичность.

Элементы, входящие в твердый раствор с железом, 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 равной степени (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что 4% Mn повышают твердость феррита с НВ=80 кгс/мм² до 230 кгс/мм², т.е. в 3 раза. Исключительно большое вличние легирующие элементы оказывают на кинетику распада аустенитаи термообработку. Элементы, которые только растворяются в феррите, сдвигают кривую начала изотермического превращения вправо (рис. 2), а карбидообразующие элементы Cr, Mo, W, V и пр. в области 400-500ºС сильно замедляют превращению χ_тр в феррито-цементитную смесь.

На рис. 2 представлены кривые начала распада аустенита углеродистой стали с добавкой Ni, Mn или Si, а на рис.3 - с добавкой Cr, W, V, Mo и др. сильно карбидообразующих элементов.

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 марненсита. Легирующие элементы, сдвигая кривую изотермического распада вправо, повышают устойчивость анстенита, т.е. снижают критическую скорость закалки. Легированный стали даже при закалке в масле (а иногда и при охлаждении в воздухе) закаливаются в мартенсит, что является технологическим преимуществом легированных сталей.